數(shù)字化校園3D虛擬圖書館的建設(shè)

陳三等

摘要： 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。該文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化校園三維虛擬圖書館的建設(shè)。論文實(shí)現(xiàn)了基于3DMax技術(shù)的虛擬圖書館的總體框架和具體場(chǎng)景的建設(shè)以及基于OPENGL實(shí)現(xiàn)虛擬圖書館的交互和漫游，并將搭建好的虛擬圖書館放置于數(shù)字化網(wǎng)上圖書館中，作為數(shù)字化校園網(wǎng)上圖書館的有益補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞： 3D虛擬圖書館；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 3DMax；OPENGL；漫游

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）33-8007-04

Abstract： With the rapid development of virtual reality technology， the technology can be applied in many fields. VR is applied in the construction of 3D virtual library in digital campus. The paper realized the general framework of virtual library based on 3DMax and detailed roaming and interactive based on OPENGL. 3D virtual library will be placed on the digital library. It will be a useful supplement to the school online digital library.

Key words：3D virtual library； virtual reality technology； 3DMax； OPENGL； roaming

數(shù)字圖書館是信息時(shí)代傳統(tǒng)圖書館的延伸和發(fā)展，以其便于使用和超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)成為當(dāng)今圖書館建設(shè)的大趨勢(shì)。圖書館新技術(shù)與方法的研究一直是圖書館學(xué)的熱門研究課題[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)（Visual Reality， VR）技術(shù)誕生至今已有二十多年，被認(rèn)為是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最重要、最新奇的研究之一，具有多感知、沉浸性、交互性、想象性等特征，是集成了多學(xué)科、多技術(shù)的綜合技術(shù)[2]。VR技術(shù)在數(shù)字圖書館虛擬空間、三維信息資源建設(shè)、可視化信息檢索、虛擬參考咨詢、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)方面的應(yīng)用有很多值得研究和探討的方面。研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字圖書館的應(yīng)用，在當(dāng)前三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的環(huán)境下，推動(dòng)我國(guó)數(shù)字圖書館的發(fā)展有著非常重要的意義[3]。

在北京、上海、廣州等地虛擬系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)取得了一些成果[4]。在高校，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被用于虛擬校園建設(shè)。例如，安徽師范大學(xué)三維虛擬校園建設(shè)，結(jié)合安徽師范大學(xué)三維虛擬校園實(shí)際需求，分析三維虛擬校園建設(shè)的主要內(nèi)容和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框架，通過(guò)對(duì)校園內(nèi)數(shù)據(jù)的獲取和處理，建立并優(yōu)化模型，并通過(guò)二、三維的交互和插件技術(shù)的集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[5]。該文在3D虛擬圖書館的建設(shè)中，根據(jù)校園圖書館的實(shí)際情況，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取和處理進(jìn)行三維建模，在模型建立完成后，實(shí)現(xiàn)交互的動(dòng)態(tài)圖形基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)視點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游，并且將該系統(tǒng)放置在校園圖書館網(wǎng)站上，便于同學(xué)們?cè)讷@取資料時(shí)可以直觀的了解學(xué)校圖書館的布局。

論文首先介紹了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，包括VR技術(shù)、3DMax技術(shù)和OPENGL；然后基于3DMax技術(shù)分析了虛擬圖書館的模型建設(shè)并給出了部分模型實(shí)例；接著介紹了利用OPENGL對(duì)虛擬圖書館的交互和漫游的設(shè)計(jì)；最后，對(duì)項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 VR技術(shù)

VR技術(shù)是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件與平臺(tái)上的虛擬世界中的物體進(jìn)行交互，相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)[6]。

1.2 3DMax技術(shù)

3DMax是3D Studio MAX的簡(jiǎn)稱，是Kinetix公司推出的一款強(qiáng)大的3D建模軟件，其獨(dú)有的細(xì)分曲面技術(shù)、柔性選擇、曲面工具和改進(jìn)的NURBS技術(shù)讓3DMax在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景時(shí)異常輕松[7]。在與其他軟件配合方面，由3DMax創(chuàng)建的虛擬模型可以方便地導(dǎo)入到OPENGL環(huán)境中。因此，使用3DMax作為3D虛擬圖書館的建模軟件，可以輕松的結(jié)合所需其他軟件，建設(shè)出復(fù)雜的3D虛擬圖書管的虛擬模型。

1.3 OPENGL簡(jiǎn)介

OPENGL是繪制高真實(shí)感三維圖形、實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)的高性能軟件開發(fā)包，它集成了圖形建模、顏色模式設(shè)置、光照和材質(zhì)設(shè)置、紋理映射、位圖顯示、圖像增強(qiáng)、圖形變換和雙緩存動(dòng)畫等復(fù)雜的圖形算法[8]。該編程技術(shù)可以很好的運(yùn)用于PC機(jī)上，具有很好的開發(fā)環(huán)境，以該技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地運(yùn)用在各種平臺(tái)之間，便于將3D虛擬圖書館放置到校園圖書館網(wǎng)站上。同時(shí)在OPENGL中建好場(chǎng)景去調(diào)用3DMax中的復(fù)雜模型是非常方便的。

2 基于3DMax技術(shù)構(gòu)建整體框架

2.1 建設(shè)內(nèi)容

三維虛擬圖書館的建設(shè)主要包含兩部分內(nèi)容：第一，圖書館總體外部設(shè)計(jì)和各個(gè)場(chǎng)景的模型建設(shè)，主要是根據(jù)測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，將圖書館按比例直接構(gòu)建出相應(yīng)的模型；第二，虛擬圖書館系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于三維場(chǎng)景模型的建設(shè)，將實(shí)際需求落實(shí)到系統(tǒng)上，選擇OPENGL技術(shù)作為編程平臺(tái)。

2.2 總體場(chǎng)景構(gòu)建

虛擬圖書館的建設(shè)包括外觀設(shè)計(jì)，總體地理位置的建設(shè)，內(nèi)部各個(gè)樓層之間各個(gè)場(chǎng)景的渲染和建設(shè)以及部分景物裝飾的建設(shè)，各個(gè)場(chǎng)景之間的位置擺放和組合，整體比例的設(shè)計(jì)。

虛擬圖書館的場(chǎng)景模型的建立，是整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)來(lái)源于對(duì)圖書館外觀數(shù)據(jù)的采集，即通過(guò)對(duì)各個(gè)部分的測(cè)量得出總體比例的數(shù)據(jù)。對(duì)于各個(gè)景物的設(shè)計(jì)，直接用相機(jī)拍攝圖片，通過(guò)實(shí)景照片還原圖書館三維模型的真實(shí)貼圖。圖1和圖2是圖書館外觀的正反兩面模型圖。

虛擬圖書館包括很多場(chǎng)景的建設(shè)，每個(gè)場(chǎng)景由各個(gè)模型按相對(duì)位置擺放在一起來(lái)組成。而虛擬圖書館的作用不僅是要模擬真實(shí)的場(chǎng)景，更重要的是使得用戶在瀏覽中能了解到各閱覽室的藏書情況。圖3到圖7是圖書館中的一個(gè)閱覽室的虛擬圖形，是對(duì)圖書館內(nèi)部的一些具體物件的模型建立，在用戶瀏覽的時(shí)候，在每個(gè)柜子上添上相應(yīng)的標(biāo)簽，便于用戶的瀏覽和書目的查閱。

3 虛擬圖書館的交互和漫游

3.1 OPENGL實(shí)現(xiàn)交互性場(chǎng)景

為了更好的實(shí)現(xiàn)交互沉浸性，我們將運(yùn)用3DMax制作的三維模型導(dǎo)入到OPENGL環(huán)境中，將讀入的模型數(shù)據(jù)重新整理，生成相應(yīng)的處理對(duì)象列表，并在其中顯示出來(lái)[9]。

OPENGL可實(shí)現(xiàn)很多場(chǎng)景的多方位顯示，將在3DMax中制作的圖形導(dǎo)入到OPENGL以后，將各個(gè)參數(shù)值輸入進(jìn)去，即可根據(jù)既定的函數(shù)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)交互性。在交互使用中，首先通過(guò)USE引用相關(guān)的模型，在通過(guò)Transform節(jié)點(diǎn)將相關(guān)位置安置好，最后通過(guò)PlaneSensor平面檢測(cè)節(jié)點(diǎn)使虛擬對(duì)象在xy平面相對(duì)移動(dòng)。

3.2 OPENGL實(shí)現(xiàn)虛擬漫游

三維場(chǎng)景漫游中，觀察者可以通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤來(lái)控制視點(diǎn)的位置、視向和參考方向。系統(tǒng)中，視點(diǎn)相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)中人的眼睛，其功能相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)世界中的照相機(jī)。人通過(guò)眼睛將外部影像刻入大腦，而虛擬現(xiàn)實(shí)就是對(duì)這一效果的實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)3D圖形處理技術(shù)中運(yùn)用類似人眼睛的東西gluLookAt觀察函數(shù)，在OPENGL場(chǎng)景中利用位置變化在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)位置轉(zhuǎn)變。

系統(tǒng)漫游命令包括上升、下降、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、俯視、仰視、左移、右移等。該文采用OPENGL的gluLookAt函數(shù)，通過(guò)PageUp和PageDown鍵來(lái)控制上下位置，利用上下鍵來(lái)控制向前或者向后的方向，用左右鍵來(lái)控制視點(diǎn)的左右移動(dòng)。響應(yīng)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、仰視、俯視命令時(shí)視點(diǎn)保持不變[10]。前進(jìn)和后退主要是沿視線方向沿坐標(biāo)系移動(dòng)一定距離即可。而左移和右移主要是平移一定的距離。對(duì)于邊界采用碰撞式技術(shù)，將邊界固定住，對(duì)于漫游的整體位置和視點(diǎn)的調(diào)節(jié)做出整體的設(shè)計(jì)。

由于不斷按下鍵盤操作重復(fù)性太多，較為繁瑣，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)相關(guān)的漫游過(guò)程進(jìn)行記錄。記錄漫游過(guò)程的處理是，首先記錄初始的視點(diǎn)和角度，然后對(duì)每種連續(xù)鍵盤操作命令按照“動(dòng)作類型，執(zhí)行次數(shù)”進(jìn)行記錄，最后通過(guò)相反過(guò)程播放，從文件中讀取上述初始化參數(shù)并進(jìn)行設(shè)置，而后通過(guò)相應(yīng)的讀取操作命令調(diào)用處理函數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)漫游過(guò)程的實(shí)現(xiàn)和記錄。

通過(guò)漫游的實(shí)現(xiàn)，可以給使用者帶來(lái)身臨其境的感受，跟現(xiàn)在很多3D游戲帶來(lái)的效果有些類似，這樣更貼近生活實(shí)景的感受，完成我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 總結(jié)

在三維虛擬圖書館的建設(shè)中，首先利用3DMax對(duì)學(xué)校圖書館進(jìn)行總體模型設(shè)計(jì)。其次，在OPENGL中建設(shè)場(chǎng)景，將3DMax中設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入到其中，利用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)交互性和漫游功能。最后，將整體構(gòu)建好的模型導(dǎo)出，放入學(xué)校的數(shù)字圖書館網(wǎng)站上，供校內(nèi)學(xué)生使用。隨著研究的深入展開，還需要進(jìn)一步做好以下幾方面的工作：

1） 改進(jìn)館內(nèi)各物件的精細(xì)程度和真實(shí)度，通過(guò)對(duì)模型貼圖使場(chǎng)景的渲染更加逼真。對(duì)于不同位置的視點(diǎn)情況進(jìn)行多方位的調(diào)整，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的交互性和漫游功能。

2） 將虛擬圖書館正式運(yùn)用到數(shù)字化圖書館的平臺(tái)上，通過(guò)學(xué)生的體驗(yàn)和建議，對(duì)整體設(shè)計(jì)做出進(jìn)一步的改善。

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