魏先勇

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘476000）

室內(nèi)交互式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏先勇

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘476000）

室內(nèi)交互式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)可以十分方便地完成人機(jī)交互過程，給人帶來一種身臨其境的感受。該系統(tǒng)由虛擬世界、VR軟件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備4部分構(gòu)成，分析了基礎(chǔ)環(huán)境及模型的建模過程和場(chǎng)景模型導(dǎo)入到場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，探討了模型及場(chǎng)景的材質(zhì)、燈光、碰撞檢測(cè)、漫游、消影、投影的實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；場(chǎng)景漫游；Open Inventor；3ds Max

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是通過計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備，結(jié)合人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)等創(chuàng)建一個(gè)實(shí)時(shí)三維立體環(huán)境。在此環(huán)境中，虛擬設(shè)備可以模擬關(guān)于聽覺、視覺、觸覺等感官功能，客戶可以借助一些設(shè)備與虛擬設(shè)備等對(duì)象進(jìn)行交互，達(dá)到相互影響，形成和諧的人機(jī)環(huán)境，給人一種“身臨其境”的感受。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展示方式比單純的圖像加文字信息展示方式更加形象生動(dòng)，且具有更明顯的交互感。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越受到大眾的關(guān)注。在大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、新媒體盛行的當(dāng)今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、建筑物設(shè)計(jì)、航空航天等眾多領(lǐng)域。在產(chǎn)品展示、室內(nèi)設(shè)計(jì)等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大有將效果圖、三維動(dòng)畫取而代之的趨勢(shì)［1］。筆者應(yīng)用三維建模技術(shù)和Open Inventor技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)室內(nèi)交互式場(chǎng)景的漫游。

1 室內(nèi)交互式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)構(gòu)成

一般來說，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬世界、VR軟件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備4部分構(gòu)成［2］。

1.1 虛擬世界

可以相互交互的虛擬環(huán)境構(gòu)成虛擬世界。在虛擬世界中，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)死角連續(xù)考察和觀看的效果。通常情況下，虛擬世界包含三維模型和虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 VR軟件

在虛擬環(huán)境中，景和物通過VR軟件實(shí)現(xiàn)。VR軟件是被廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)制作和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的一種圖形圖像三維處理軟件。常見的VR軟件分為建模軟件（3ds Max、VRML、Maya、AutoCAD等）和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件（Open Inventor、Open GL、Coin 3D、Vtree、Vega等）。

1.3 輸入和輸出設(shè)備

收集的用戶信息由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入部分（數(shù)據(jù)手套、自由度鼠標(biāo)、三維球、生物傳感器、頭部跟蹤器、語(yǔ)音輸入設(shè)備）進(jìn)行接收，經(jīng)過處理后，經(jīng)由輸出設(shè)備使用戶體會(huì)到虛擬環(huán)境。該虛擬環(huán)境主要是由三維聲音效果、三維圖像視覺效果和觸覺效果共同實(shí)現(xiàn)的。

2 三維場(chǎng)景的制作和導(dǎo)入

三維場(chǎng)景的創(chuàng)建是全過程的基礎(chǔ)和核心。本系統(tǒng)使用AutoCAD 2015和3ds Max 2015軟件來創(chuàng)建平面圖和三維場(chǎng)景，使用Vray 3.0軟件來完成模型材質(zhì)和燈光的設(shè)計(jì)。

2.1 平面圖的創(chuàng)建

在AutoCAD 2015中，首先建立場(chǎng)景圖紙區(qū)域，然后繪制場(chǎng)景平面圖，最后進(jìn)行尺寸或文字的標(biāo)注。建好的平面圖如圖1所示，將其保存為.dwg格式。

2.2 平面圖的導(dǎo)入

打開3ds Max 2015軟件，使用文件—導(dǎo)入命令將.dwg格式的平面圖導(dǎo)入3ds Max頂視圖中（如圖2所示）。

圖1 創(chuàng)建的場(chǎng)景平面圖Fig.1 Established scene p lan

圖2 平面圖導(dǎo)入3ds Max頂視圖的效果圖Fig.2 3ds M ax top view after leading p lan

2.3 三維場(chǎng)景的生成

（1）基本場(chǎng)景的生成。選中導(dǎo)入后的平面圖，使用“擠出”等命令生成三維室內(nèi)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景，如圖3所示。

圖3 生成基本場(chǎng)景Fig.3 Created basic scene

（2）附屬物建模。附屬物主要包括窗框、玻璃、窗臺(tái)、落地窗、窗簾、門套、踢腳線等。其中，窗臺(tái)、窗簾、踢腳線、門套的制作較為復(fù)雜，涉及的修改器也較多，如：倒角、倒角剖面、放樣等。附屬物建模如圖4所示。

圖4 附屬物建模Fig.4 Appendant modeling

（3）室內(nèi)物體建模及場(chǎng)景布置。室內(nèi)物體主要包括電視、電視柜、背景墻、音響、吊燈、書柜、書本、花瓶、綠化植物、茶幾、沙發(fā)、地毯、筆筒等物體。這些模型的建立使用了較多的修改器，如：多邊形建模、布爾運(yùn)算、車削、錐化、噪波等。場(chǎng)景模型創(chuàng)建完成后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行場(chǎng)景地布置，具體效果如圖5所示。

圖5 室內(nèi)物體建模及場(chǎng)景布置Fig.5 Indoor object modeling

（4）材質(zhì)及燈光設(shè)計(jì)。場(chǎng)景模型創(chuàng)建完成后，進(jìn)行模型材質(zhì)地編輯。根據(jù)模型的不同物理特性，賦予材質(zhì)。最后，通過VR渲染器設(shè)置燈光效果，放置攝像機(jī)調(diào)整視角，渲染出最終效果圖，如圖6所示。

2.4 場(chǎng)景模型的導(dǎo)入

圖6 最終效果圖Fig.6 Final effect picture

場(chǎng)景模型創(chuàng)建完成后，需要將整個(gè)三維場(chǎng)景導(dǎo)入Open Inventor的場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)。Open Inventor的VRML文件接口功能可以把讀入的VRML文件轉(zhuǎn)化成Open Inventor場(chǎng)景，并形成節(jié)點(diǎn)。場(chǎng)景模型的導(dǎo)入步驟為：（1）利用3dsMax進(jìn)行基礎(chǔ)場(chǎng)景建模及材質(zhì)地設(shè)置，并輸出VRML格式的文件。（2）把輸出的VRML格式的文件轉(zhuǎn)化成擴(kuò)展名為.iv的文件。（3）利用Open Inventor中的VRML接口讀取轉(zhuǎn)化過來的.iv文件，同時(shí)將它轉(zhuǎn)化為場(chǎng)景，并組成節(jié)點(diǎn)，從而建立了三維虛擬場(chǎng)景。

3 室內(nèi)交互式場(chǎng)景漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)楸韭蜗到y(tǒng)的開發(fā)是針對(duì)Windows平臺(tái)的用戶，所以使用Microsoft Visual C＋＋作為漫游系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。在Windows操作系統(tǒng)中，Open Inventor提供了對(duì)SoWin API封裝的Fortran語(yǔ)言的可視化編程環(huán)境（Intel Visual Fortan，簡(jiǎn)稱IVF）類庫(kù)。因此，IVF應(yīng)用程序框架、IVF類庫(kù)和微軟基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsotf Foundation Classes，簡(jiǎn)稱MFC）的應(yīng)用程序框架、MFC類庫(kù)能夠很好地集成在一起，良好地支持三維立體圖形的顯示，也能很方便地在VC平臺(tái)上進(jìn)行程序開發(fā)［3］。

3.1 照相機(jī)和燈光的實(shí)現(xiàn)

在Open Inventor中，首先是燈光和照相機(jī)兩個(gè)類的調(diào)用。這是因?yàn)?，燈光與照相機(jī)影響到3D圖像場(chǎng)景的外觀。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境和全真環(huán)境相似，也需要燈光照明，才能便于觀察到物體。如果一個(gè)虛擬場(chǎng)景中沒有任何燈光，同時(shí)把當(dāng)前的光照模型Phong lighting缺省，那么這個(gè)虛擬場(chǎng)景中的物體也都是處在黑暗的環(huán)境中，不能被看到。Inventor為虛擬場(chǎng)景提供多種光照類型的燈光。使用這些燈光，會(huì)使我們有在現(xiàn)實(shí)世界一樣的感覺。

人通過眼睛觀察現(xiàn)實(shí)世界不同的場(chǎng)景，Inventor也有一個(gè)具有人眼功能的照相機(jī)，這個(gè)照相機(jī)不但具有透視方式，而且有產(chǎn)生2D“快照”的功能。照相機(jī)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)場(chǎng)景中所有位于它之后的節(jié)點(diǎn)“拍攝”一張照片。因?yàn)檎障鄼C(jī)必須位于想要觀察的物體之前。所以，通常要將照相機(jī)放在靠近場(chǎng)景最頂端的位置上。一個(gè)場(chǎng)景在同一時(shí)刻只能有一個(gè)激活的照相機(jī)。當(dāng)幾何坐標(biāo)變換時(shí)，將會(huì)影響照相機(jī)的空間位置。當(dāng)使用多個(gè)照相機(jī)時(shí)，可以使用切換（switch）節(jié)點(diǎn)來激活其中的某個(gè)照相機(jī)。

3.2 碰撞檢測(cè)以及漫游的實(shí)現(xiàn)［4］

Open Inventor的事件模型提供了一種簡(jiǎn)單的機(jī)制。通過這些機(jī)制，我們可以通過“按一下鍵盤”和“移動(dòng)鼠標(biāo)”等將事件傳遞給場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中的物體。

該場(chǎng)景漫游中的碰撞檢測(cè)就是在Open Inventor的事件模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。它在程序中具體調(diào)用的類如下：

3.3 消影、投影的實(shí)現(xiàn)

物體屬性節(jié)點(diǎn)都是從SoNode派生的，包含So-Material、SoDrawStyle、SoLightModel、SoEnvironment、SoShapeHints、SoComplexity SoUnits屬性。

在程序中，是以頭文件的形式出現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)方法如下：

＃include＜Inventor／nodes／SoCone.h＞

＃include＜Inventor／nodes／SoMaterial.h＞。

3.4 最終整體場(chǎng)景

通過對(duì)整個(gè)過程的運(yùn)營(yíng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)交互式場(chǎng)景漫游的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能夠讓參觀者得到身臨其境的神秘效果，如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景漫游的整體效果Fig.7 W hole effect of virtual scene

4 結(jié)語(yǔ)

場(chǎng)景漫游可以營(yíng)造一個(gè)逼真的視覺虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中，物體和場(chǎng)景都形成了真實(shí)的或者假想的能夠讓人感到身臨其境的仿真虛擬空間。通過現(xiàn)有的虛擬設(shè)備，可以讓用戶實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行漫游，從而實(shí)現(xiàn)從不同的視點(diǎn)觀察場(chǎng)景中的對(duì)象，同時(shí)也能對(duì)物體進(jìn)行操作和規(guī)劃。因此，一個(gè)好的場(chǎng)景漫游的功能是非常強(qiáng)大的。本文設(shè)計(jì)的場(chǎng)景漫游系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了漫游的功能，通過鍵盤進(jìn)行控制，達(dá)到了視覺的變化。

［1］吳輝煌.基于UN ITY技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維虛擬校園平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新，2015（28）：57－59.

［2］曹丹丹，朱彩英，劉曉春.基于碰撞檢測(cè)的交互式三維場(chǎng)景漫游系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014（2）：97－100.

［3］劉科文.基于Vega－VP三維場(chǎng)景模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2013.

［4］張凱.沉浸式三維虛擬漫游技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（2）：104－106.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

TP391.9

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10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.015

2016-04-18

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：沉浸式虛擬漫游技術(shù)研究（14B520044）。

魏先勇（1979－），男，河南寧陵人，講師，碩士，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能計(jì)算等方面的教學(xué)與研究工作。