基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的公安科技成果網(wǎng)上展廳

張雅麗, 　崔建海, 　宋振峰

(1.中國(guó)人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院，北京　100038； 2.中國(guó)人民公安大學(xué)圖書館，北京　100038)

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的公安科技成果網(wǎng)上展廳

張雅麗1, 崔建海2, 宋振峰1

(1.中國(guó)人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院，北京100038； 2.中國(guó)人民公安大學(xué)圖書館，北京100038)

摘要基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建設(shè)“公安科技成果網(wǎng)上展廳”，在計(jì)算機(jī)上對(duì)真實(shí)的客觀世界進(jìn)行模擬再現(xiàn)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬現(xiàn)實(shí)的形式，開展公安科技成果推廣工作，將提高推廣效率，擴(kuò)大普及范圍，同時(shí)也為全國(guó)公安部門提供了獲取科研信息的平臺(tái)。通過對(duì)公安科技成果展廳需求的深入分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP、數(shù)據(jù)庫Database和3D-MAXL技術(shù)等，深入分析利用VRP實(shí)現(xiàn)公安科技成果網(wǎng)上展廳的制作過程、制作技巧，研究展廳數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等重要環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法，并最終實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器方式為用戶提供服務(wù)的虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的網(wǎng)上公安科技成果展廳平臺(tái)。

關(guān)鍵詞網(wǎng)上展廳； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 數(shù)據(jù)管理； 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

0引言

為應(yīng)對(duì)新時(shí)期警務(wù)工作中存在的信息不暢、科研成果無法共享等各種問題，公安工作需要有先進(jìn)的科技平臺(tái)來支撐。 隨著“科技強(qiáng)警”工作的深入推進(jìn)，涌現(xiàn)出了越來越多的公安科技成果、獲獎(jiǎng)項(xiàng)目、裝備產(chǎn)品，但這些成果、項(xiàng)目和產(chǎn)品的宣傳推廣形式還比較落后，主要是編制紙質(zhì)的《成果匯編》，這種宣傳推廣水平越來越落后于現(xiàn)實(shí)的宣傳需要。因此建設(shè)“公安科技成果網(wǎng)上展廳”，成為一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的科技成果展廳基本都是以文字和圖片的形式展示，缺乏人機(jī)互動(dòng)功能和三維立體感，沒有太多的創(chuàng)新點(diǎn)。建設(shè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的公安科技成果網(wǎng)上展廳，通過計(jì)算機(jī)展示各種最新的科技成果、獲獎(jiǎng)項(xiàng)目、警用裝備等客觀世界的東西，可以讓人們通過視覺、聽覺和觸覺來感知公安科技成果的魅力，從各個(gè)角度觀察和模擬操作科技產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)上展廳進(jìn)行人機(jī)之間的信息交流，給人以身臨其境的感覺。

1虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP(Virtual Reality Platform)為制作出各種不同的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)提供了軟件平臺(tái)，它主要是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器、智能控制等技術(shù)手段，支持全程可視化編程的軟件平臺(tái)。

VRP-BUILDER(虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器)可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景和科技成果模型的導(dǎo)入，可進(jìn)行圖形編輯、特效制作、界面設(shè)計(jì)和交互制作等處理，以達(dá)到預(yù)期的渲染效果；VRP-IE(三維網(wǎng)絡(luò)平臺(tái))可將編輯的各種公安科技成果發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，而且具有高清的畫質(zhì)和良好的兼容性，能夠很好地支持場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)效果，廣大民警可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行瀏覽，并實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，打破時(shí)間和空間的限制，最大化提升展品的宣傳效果與社會(huì)價(jià)值；VRP-PHYSICS(物理模擬系統(tǒng))賦予場(chǎng)景中模型以物理屬性，可逼真的模擬碰撞、慣性、爆炸、加速度等各種物理學(xué)運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2網(wǎng)上虛擬展廳的制作過程

公安科技成果網(wǎng)上展廳項(xiàng)目的制作是基于VRP平臺(tái)的，首先在3DMAX中建立各種實(shí)物模型，并設(shè)置材質(zhì)、燈光和相機(jī)，渲染烘焙場(chǎng)景和漫游操作；接下來利用VRP-FOR-MAX插件將場(chǎng)景中的模型導(dǎo)出至VRP-BUILDER編輯器中；通過編輯器中二維界面的按鈕設(shè)置和腳本語言設(shè)置，可以制作各種豐富絢麗的場(chǎng)景交互效果，如視頻演示的控制、信息面板的展示等，再設(shè)置好啟動(dòng)和運(yùn)行窗口，就可以進(jìn)行預(yù)覽；另外，在場(chǎng)景漫游中，需要通過物理系統(tǒng)來制作特效；最后，VR場(chǎng)景在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的時(shí)候，要將其制成能夠獨(dú)自運(yùn)行的文件。

在腳本編輯器預(yù)加載視頻文件，顯示控件并定義參數(shù)值和變量值的初始化函數(shù)設(shè)置為：

load_video_texture, vrptest.avi, 0

gui_script_set_ctrl_param, stop, 1, 0

gui_script_set_ctrl_param, pause, 1, 0

gui_script_set_ctrl_param, play, 1, 0

define_var, video, 0

define_var, name, 0

自定義控件停止播放視頻的函數(shù)設(shè)置如下：

#compare_var, video, 1

play_video_texture, screen, 1

gui_script_set_ctrl_param, play, 1, 0

#else

#compare_var, video, 0

play_video_texture, screen, 0

gui_script_set_ctrl_param, play, 1, 0

#end_compare

3項(xiàng)目制作技巧

3.1提高演示速度技巧

為了提高公安科技成果網(wǎng)上展廳的演示速度，需要在制作前期對(duì)VR場(chǎng)景中的模型進(jìn)行優(yōu)化。模型個(gè)數(shù)優(yōu)化、模型面數(shù)優(yōu)化、場(chǎng)景貼圖量?jī)?yōu)化是影響演示速度的3個(gè)主要原因。

模型個(gè)數(shù)的多少主要影響演示時(shí)啟動(dòng)的速度，所以在公安科技成果展廳制作時(shí)，在保證貼圖清晰地前提下，一定要優(yōu)化模型的個(gè)數(shù)，盡可能將同種材質(zhì)的模型合并成一個(gè)物體；模型面數(shù)的優(yōu)化是影響VRP場(chǎng)景演示是否流暢的主要原因，因此，在視覺能接受的情況下，把看不到的面和不需要的面刪掉，盡可能減少面數(shù)和面積，還可以根據(jù)視覺效果，適當(dāng)調(diào)整模型的高度和形狀，從而優(yōu)化展廳模型烘焙貼圖的質(zhì)量；另外，VRP場(chǎng)景中的貼圖也是影響演示速度的一個(gè)重要因素，雖然VRP系統(tǒng)自帶有實(shí)時(shí)陰影效果，但為了更好地展現(xiàn)場(chǎng)景的光影效果，而且不影響運(yùn)行速度，可以將貼圖烘焙之后再導(dǎo)入VRP里面。為了能更清晰地展示VRP項(xiàng)目的貼圖，貼圖尺寸盡量大些，并將貼圖做成 2n的大小，以避免丟失。

公安科技成果網(wǎng)上展廳制作時(shí)，為不影響貼圖的質(zhì)感和清晰度，從一開始烘焙貼圖時(shí)就應(yīng)遵循優(yōu)化原則，重點(diǎn)模型其烘焙貼圖尺寸設(shè)為1 024×1 024，相對(duì)于較小一些的模型，其烘焙貼圖尺寸可以為512×512或256×256等，多個(gè)模型合并的物體，盡可能貼一張圖；接下來，需要打開顯卡的抗鋸齒和各項(xiàng)過濾功能，并通過預(yù)覽調(diào)整圖像設(shè)置，同時(shí)注意將貼圖設(shè)置為線性過濾顯示模式，以減輕或消除不同組合等級(jí)紋理過渡時(shí)出現(xiàn)的組合交疊現(xiàn)象。

3.2材質(zhì)運(yùn)用技巧

為了能夠更加逼真地展示公安科技成果，在模型材質(zhì)的運(yùn)用中要遵循以下的設(shè)計(jì)原則：

(1)模型材質(zhì)可運(yùn)用手動(dòng)UV的貼圖方式代替多維材質(zhì)，促使材質(zhì)制作更加精準(zhǔn)；

(2)對(duì)于有紋理屬性的模型，要根據(jù)紋理屬性給模型賦上相應(yīng)的貼圖；

(3)透明物體或用來表現(xiàn)特效的物體，貼圖時(shí)可采用png和tga兩種格式的圖像文件來表現(xiàn)。

3.3人物添加技巧

公安科技成果展廳在某些場(chǎng)景中，需要添加一些人物，表示人物的面片物體要使用同一名稱前綴，以促使所有面片人物自動(dòng)面向相機(jī)。同時(shí)，在前期制作時(shí)，要考慮與模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

3.4特效制作

為了使制作的公安科技成果展廳給人身臨其境的感覺，可以添加特效，如警車駕駛的速度方向、各種碰撞產(chǎn)生的沖擊和粒子效果、安檢門禁的自動(dòng)開關(guān)、戶外各種天氣變化等，這些特效使公安科技網(wǎng)上展廳的整個(gè)演示過程更加真切、動(dòng)感。

在公安科技成果展廳的虛擬場(chǎng)景中添加各種運(yùn)動(dòng)模糊的特效，以模擬高速度的運(yùn)動(dòng)。為達(dá)到瀏覽每個(gè)畫面的變化狀態(tài)都有運(yùn)動(dòng)模糊的效果，而靜止下來的場(chǎng)景畫面又恢復(fù)清晰，具體要在場(chǎng)景導(dǎo)入VRP編輯器后，給模型添加運(yùn)動(dòng)模糊特效，并為其設(shè)置模糊度，模糊度的系數(shù)值越大，模糊效果就越強(qiáng)。除運(yùn)動(dòng)模糊特效外，還可以根據(jù)需要添加Bloom、HDR(High Dynamic Range)高動(dòng)態(tài)范圍或“景深”等特效，以增加場(chǎng)景朦朧、夢(mèng)幻的效果，渲染出更加真實(shí)的3D場(chǎng)景。

4網(wǎng)上虛擬展廳的數(shù)據(jù)管理

在虛擬網(wǎng)上展廳中，很多交互功能，如時(shí)間軸、導(dǎo)航圖、項(xiàng)目列表、成果類型、實(shí)戰(zhàn)演練視頻等，要通過VRP界面編輯器的按鈕編輯來實(shí)現(xiàn)鏈接。

公安科技成果網(wǎng)上展廳系統(tǒng)界面制作主要采用VRP高級(jí)界面編輯器來創(chuàng)建，包含按鈕、圖片、色塊、畫中畫、菜單、窗口、滑桿等，這些圖形用戶界面組件可與VRP編輯器的交互，與腳本編輯器結(jié)合，以更好地實(shí)現(xiàn)多功能的交互效果。通過VRP編輯器的數(shù)據(jù)庫插件可以連接和選擇不同類型的數(shù)據(jù)庫，也可通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新、查詢和擴(kuò)展VRP的場(chǎng)景信息，實(shí)現(xiàn)VRP場(chǎng)景與數(shù)據(jù)庫信息的關(guān)聯(lián)。

公安科技成果網(wǎng)上展廳實(shí)現(xiàn)了公安科技成果管理、用戶管理、瀏覽、搜索、評(píng)價(jià)和用戶交流互動(dòng)等功能。為方便各類數(shù)據(jù)管理，公安科技成果展廳從結(jié)構(gòu)上將所有數(shù)據(jù)分為系統(tǒng)管理、站點(diǎn)管理、專題管理、模板管理和信息管理5個(gè)部分，并通過SQL sever數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)管理，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性。其結(jié)構(gòu)和各部分?jǐn)?shù)據(jù)表的劃分如圖2所示。

圖2　公安科技展廳數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)圖

5展廳的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

通過VRP編輯器中的VRPIE(三維網(wǎng)絡(luò)平臺(tái))可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)置，包括貼圖設(shè)置、網(wǎng)格壓縮、腳本文件打包等，然后生成網(wǎng)絡(luò)使用的HTML文件，即將制作好的虛擬公安科技成果發(fā)布到網(wǎng)上，快速構(gòu)筑網(wǎng)上科技成果展廳。公安科技成果的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)置如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)發(fā)布設(shè)置圖

VRP-IE將要展示的公安科技成果項(xiàng)目上傳到http服務(wù)器上，用戶端通過安裝VRP-IE瀏覽插件，就可在IE網(wǎng)頁中瀏覽VRP案例，或者通過預(yù)設(shè)的網(wǎng)址進(jìn)行訪問。公安科技成果網(wǎng)上展廳同時(shí)支持多人在線互動(dòng)交流，虛擬展廳對(duì)服務(wù)器帶寬需求與訪問的人數(shù)成正比，人數(shù)越多對(duì)服務(wù)器的帶寬要求就越高，公安科技成果網(wǎng)上展廳使用專網(wǎng)，5分鐘內(nèi)并發(fā)數(shù)可以超過1 000人。

公安科技成果網(wǎng)上展廳的場(chǎng)景文件較大，直接通過VRP-IE發(fā)布會(huì)影響加載速度，可按展廳的科技成果類型，如理論創(chuàng)新成果展、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用成果展、警用裝備成果展等分為若干個(gè)場(chǎng)景來加載，然后通過場(chǎng)景文件按鈕來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的切換。另外，公安科技成果虛擬展廳制作時(shí)有物體碰撞的情形，這需要將場(chǎng)景中的基準(zhǔn)碰撞物體提前下載，然后再執(zhí)行初始化函數(shù)里添加啟動(dòng)剛體動(dòng)畫的腳本文件，避免在運(yùn)行剛體動(dòng)畫時(shí)，基準(zhǔn)碰撞物體還沒下載完，而造成不播放剛體動(dòng)畫的現(xiàn)象。

6結(jié)語

公安科技成果網(wǎng)上展廳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(VRP)建立的，打破了時(shí)間和空間的限制，運(yùn)行穩(wěn)定性很好。展廳整體分布直觀，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自運(yùn)行，是可定制、可重用的平臺(tái)。成果展廳在全生命周期都有可重用的價(jià)值，包括項(xiàng)目的組織、軟件需求、設(shè)計(jì)、文檔、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試方法和測(cè)試用例等，都是可以被重復(fù)利用或借鑒的有效資源。

設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP的公安科技成果網(wǎng)上展廳，公安民警就可以通過瀏覽器方便及時(shí)地查閱當(dāng)前最新的公安科技成果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的瀏覽和交互，推動(dòng)了科技成果向公安實(shí)戰(zhàn)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步推動(dòng)科技強(qiáng)警的步伐。

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(責(zé)任編輯陳小明)

基金項(xiàng)目2011年度公安部重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011ZDYJGADX015)。

作者簡(jiǎn)介張雅麗(1977—)，女，山西大同人，碩士，副教授。研究方向?yàn)橐曨l偵查技術(shù)。

中圖分類號(hào)D035.39