基于虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺布景系統(tǒng)

江天一

【摘 要】虛擬現(xiàn)實需要通過計算機3D技術(shù)合成逼真的三維立體虛擬世界來實現(xiàn)，以此帶給體驗者模擬真實的視覺、聽覺及觸覺感受?，F(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實的計算機3D技術(shù)不斷發(fā)展成熟并普及，逐漸被廣泛地應(yīng)用到電視動畫、室內(nèi)設(shè)計、城市規(guī)劃、舞臺機械等領(lǐng)域。本文主要探究構(gòu)建虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺布景系統(tǒng)所用的主要軟件和方法。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；交互式；舞臺布景

中圖分類號：J813 文獻標志碼：A 文章編號：1007-0125（2015）11-0038-01

計算機圖形學在計算機技術(shù)的推進下逐步成熟，由靜止的平面圖像發(fā)展成立體動態(tài)的三維模型再到逼真的視覺、聽覺、觸覺的虛擬世界[1]。一場表演要成功關(guān)鍵在其感染力，舞臺布景是其中的重要組成部分。如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐漸普及，在舞臺布景上也有所應(yīng)用。傳統(tǒng)舞臺布景采用實景布置，修改起來費時又費力，因此采用仿真舞臺布景是一個更為可行且高效的方法[2]。雖然目前的仿真技術(shù)還未達到完全再現(xiàn)真實舞臺聲光電的效果，但與真實舞臺效果已十分相近，相信隨著技術(shù)的改進能夠逐步提高仿真效果。

目前，建模軟件Autodesk、3DS MAX等的應(yīng)用十分廣泛且操作較方便，但手工設(shè)計的部分仍較為繁瑣，且設(shè)計的效果不夠直觀立體。因此本文試圖研究一套更為有效的舞臺仿真布景技術(shù)。

一、舞臺設(shè)計的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機的各種硬件和軟件設(shè)計一個逼真的三維立體環(huán)境，體驗者通過視覺、聽覺、觸覺進行動態(tài)人機自然交互，舞臺設(shè)計師也能通過體驗身臨其境之感產(chǎn)生靈感，對舞臺設(shè)計進行進一步修改。

沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要較多設(shè)備，如三維立體顯示器、傳感器手套以及立體聲耳機等來達到視覺、聽覺、觸覺等多重立體感受。該體驗可以充分激發(fā)使用者的靈感，此外使用者還可以通過操作改變虛擬模型達到互動效果。出于經(jīng)濟及方便的考量，本文選取非沉浸式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過鼠標移動視角來實現(xiàn)立體的全面觀。

二、計算機圖形學

計算機三維模型涉及的主要技術(shù)有圖形變換、真實感圖形生成以及人機交互技術(shù)。圖形變換技術(shù)涉及的主要內(nèi)容有窗口視區(qū)變換（建立坐標系）、圖形幾何變換（圖形進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等變換）和投影變換（三維模型投射到某一平面）。為了使圖形具有真實感，色彩、陰影、紋理、層次感等必不可少。因此真實感圖形生成包括利用消隱技術(shù)消除不可視部分體現(xiàn)物體的層次感；通過公式計算明暗效應(yīng)表現(xiàn)物體真實的反射及透射現(xiàn)象；有圖案花紋的顏色紋理及凹凸感的幾何紋理更能體現(xiàn)出模型的質(zhì)感。人機交互主要通過設(shè)備，例如鼠標、鍵盤或操縱器等來實現(xiàn)。

三、軟件OpenGL的使用

本文使用的OpenGL軟件是在GL的基礎(chǔ)上由SGI公司開發(fā)出來的，其三維圖形具有較強的真實感及較高的性能，被許多公司使用，成為新的三維圖形標準。OpenGL利于用戶使用函數(shù)，大大簡化了構(gòu)建三維模型的工作量，圖形處理形式較豐富且操作簡化，受到許多用戶的喜愛。

OpenGL基本上在各操作系統(tǒng)中都可以使用，一般圖形處理的結(jié)構(gòu)從下到上分別包括以下幾個部分：硬件、操作系統(tǒng)、窗口、OpenGL和應(yīng)用程序。OpenGL具有多種功能，包括幫助用戶實現(xiàn)三維幾何模型的構(gòu)建、全面觀察立體物體的各個角度、進行圖像的處理、產(chǎn)生平滑動畫，還可以通過選擇拾取和反饋進行交互。

OpenGL的主要操作步驟為：格式設(shè)置、模型的建立、舞臺的布置、設(shè)計的更改以及光柵化。使用Visual C++可以方便對OpenGL進行編程。

四、基于虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺系統(tǒng)總設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺系統(tǒng)總設(shè)計的方案應(yīng)該主要包括幾個部分：①對舞臺進行仿真模擬，包括燈光、道具、舞臺等，在設(shè)計的過程中要注意各個部分之間的聯(lián)系；②虛擬舞臺模型的構(gòu)建：利用計算機軟件（本文主要使用OpenGL構(gòu)建模擬的舞臺模型），設(shè)計者在設(shè)計時隨時可以根據(jù)靈感更改其設(shè)計，完成舞臺主體部分的構(gòu)建。在模型的構(gòu)建過程中可以先調(diào)度已有模塊再自己建立不存在的模塊以提高效率；③舞臺渲染：在舞臺模型大致構(gòu)建好后，可以充分利用OpenGL軟件提供的各種效果處理，使舞臺模型盡量達到仿真的效果，有助于提高實際舞臺搭建的效果；④人機交互：其實人機交互應(yīng)基本貫穿虛擬設(shè)計的整個過程，主要為通過各種變換操作建立修改三維模型的構(gòu)造技術(shù)、選擇待處理部分的拾取技術(shù)、發(fā)布操作指令的命令技術(shù)和直接處理對象的直接操作技術(shù)。

五、結(jié)束語

雖然目前與舞臺布景仿真方面相關(guān)的計算機圖形學技術(shù)的發(fā)展已日漸成熟，基本上能夠滿足一般舞臺布景的需求，但高規(guī)格的復雜舞臺的布局仍需進一步提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)的效果。本文為基于虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺布景提出了一個較為可行的基本框架，可實際操作過程中還有許多部分需要繼續(xù)細化和完善。如何更好地呈現(xiàn)聲、光、電及道具在模型中共同作用的逼真感是該系統(tǒng)需要進一步開發(fā)的部分。此外，人機交互的部分也是完善設(shè)計的關(guān)鍵部分，應(yīng)設(shè)計出多種效果較好且經(jīng)濟方便的人機交互模式，發(fā)展出一套較為成熟科學的舞臺布景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仍是目前研究努力的方向。

參考文獻：

[1]楊波.基于虛擬現(xiàn)實的交互式舞臺布景系統(tǒng)[D].武漢：武漢理工大學，2002.

[2]楊波.基于OpenGL的交互式舞臺布景仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢冶金管理干部學院學報，2002，（01）：71-73.endprint