基于VR虛擬漫游技術(shù)的交互設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

潘柏丞

【摘要】文中結(jié)合校園導(dǎo)向標(biāo)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需提出借助于VR實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)向系統(tǒng)的可行性方案;最后給出虛擬校園系統(tǒng)的整體框架、所需技術(shù)與實(shí)現(xiàn)策略，同時(shí)還對(duì)該系統(tǒng)的交互與建模方法進(jìn)行了論述。

【關(guān)鍵詞】校園漫游系統(tǒng);交互設(shè)計(jì);三維模型;虛擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā);人機(jī)交互

1基于VR虛擬校園漫游設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1數(shù)據(jù)采集

在采集數(shù)據(jù)時(shí)，必須要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪與分析，然后才能更好地對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的建模。其中，考察的內(nèi)容包括校園的建筑分布、道路的走向、不同的建筑風(fēng)格等，而且在考察之時(shí)需要選擇一個(gè)晴朗的天氣環(huán)境，要保證有著充足的光照度，然后拍攝相關(guān)關(guān)鍵性物體，比如樓體、道路等。此外，還需要采集一些小型紋理性圖片，譬如門(mén)窗、磚紋、草地等，然后將其用作貼圖，使得相關(guān)建模對(duì)象更具有真實(shí)感。

1.2系統(tǒng)建模

（1）天空和地面等背景模型的建模為了讓虛擬環(huán)境更具有真實(shí)性，需要為其添置真實(shí)的藍(lán)天、綠地等，這樣就能夠使得這個(gè)虛擬環(huán)境立足于真實(shí)的場(chǎng)景。在VR技術(shù)中，VRML提供一個(gè)背景節(jié)點(diǎn)對(duì)象，也就是所謂的Background，這樣就能夠通過(guò)它完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)而完成虛擬校園系統(tǒng)的背景建模。

Background

GroundAngle[0.7，1.5，1.57]

GroundColor[0.330，0.40，0.50，0.58，0.65，0.58]

SkyAngle[0.9，1.5，1.57]

SkyColor[0.2，0.2，0.66，0.2，0.45，0.86，0.5，0.8，0.95，0.76，0.8，0.8]

其中：GroundAngle[0.7，1.5，1.57]與SkyAngle[0.9，1.5，1.57]

對(duì)應(yīng)的是天地之間的一種視角。GroundColor[0.330，0.40，0.50，0.58，0.65，0.58]是綠色大地的參數(shù)屬性。SkyColor[0.2，0.2，0.66，0.2，0.45，0.86，0.5，0.8，0.95，0.76，0.8，0.8]對(duì)應(yīng)的是淡藍(lán)色天空的屬性，在遠(yuǎn)處地面將會(huì)與天空進(jìn)行漸進(jìn)對(duì)接，給人帶來(lái)極強(qiáng)的真實(shí)性。

（2）樹(shù)、路燈等輔助性模型的建模在本次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中選用的工具為VRML，結(jié)合該語(yǔ)言的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提出相應(yīng)的遞歸分形算法，具體思路為：將strArr[n]與某棵樹(shù)信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)，而strArr[n-1]對(duì)應(yīng)的則是樹(shù)枝，后者通過(guò)方式T（）進(jìn)行組合便能構(gòu)成前者，而這些樹(shù)枝則是進(jìn)一步由更為簡(jiǎn)單的樹(shù)枝所構(gòu)成，亦即strArr[n-2]，而對(duì)應(yīng)的構(gòu)成方式亦為T(mén)（），于是就形成了相應(yīng)的遞歸，使得由最為簡(jiǎn)單的樹(shù)枝strArr[0]、枝干與樹(shù)葉完成整棵樹(shù)的建模。在該VRML語(yǔ)言之中可以將這些細(xì)節(jié)進(jìn)行很好的展現(xiàn)，具體的遞歸算法可以表示為：strArr[n]=TstrArr[n-1]，n>0strArr[0]由VRML節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出，n=0算法的主要步驟為：①借助于IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)能夠完成形態(tài)各異、顏色不同樹(shù)葉的集合構(gòu)造，這樣就能夠借助于該基礎(chǔ)性的元素進(jìn)行不斷的遞歸算法，完成相應(yīng)枝干集合的構(gòu)造。②在樹(shù)葉集合之中可以結(jié)合所需節(jié)點(diǎn)加以復(fù)制與重用，針對(duì)所需的枝干節(jié)點(diǎn)也可以在相應(yīng)的集合中進(jìn)行遴選，最后再借助于translation與rotate域?qū)⒅Ω膳c樹(shù)葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與平移操作，由此便能構(gòu)成一個(gè)更為簡(jiǎn)單的樹(shù)枝。③將樹(shù)枝節(jié)點(diǎn)用作分形元，并對(duì)其進(jìn)行復(fù)制，然后使用上述兩域與scale域?qū)@些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放與平移等操作，也就是過(guò)T（）處理使得這些樹(shù)枝轉(zhuǎn)變成更為復(fù)雜的樹(shù)枝節(jié)點(diǎn)。④對(duì)上述三個(gè)步驟進(jìn)行重復(fù)，便能構(gòu)成更為復(fù)雜的分形樹(shù)。譬如將第一個(gè)葉狀分支進(jìn)行縮小，然后對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移處理，便能得到三個(gè)副本，接著再利用復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等處理，便能得到。

1.3碰撞檢測(cè)

在VR技術(shù)中，需要使用者能夠按照十分真實(shí)的方式與虛擬環(huán)境中諸多模型進(jìn)行交互，也就是說(shuō)，這些對(duì)象需要有真實(shí)環(huán)境的物理屬性。為此在VR技術(shù)中提供物體之間的碰撞檢測(cè)功能，其中包括“動(dòng)-靜”物與“動(dòng)-動(dòng)”物之間的碰撞檢測(cè)。以視線為基礎(chǔ)的向前線段探測(cè)無(wú)疑是較為常用的檢測(cè)之法，具體過(guò)程包括：1）明確視點(diǎn)V，在具體虛擬環(huán)境中即為使用者的頭部區(qū)域;2）基于視線沿著運(yùn)動(dòng)向的距離用d表示，選擇其中的一個(gè)點(diǎn)用M表示;3）將V與M進(jìn)行對(duì)接，形成線段;4）計(jì)算和VM有著相交關(guān)系的對(duì)象，若沒(méi)有，則當(dāng)前沒(méi)有碰撞;若存在多個(gè)相交對(duì)象，則選擇與V最近的交點(diǎn)即C作為碰撞監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此時(shí)VC即為碰撞距離。在此碰撞算法中，不同實(shí)體模型的構(gòu)成為多邊形，相應(yīng)線段與物體之間存在著求交運(yùn)算，此時(shí)需要從兩點(diǎn)進(jìn)行考量：線段和長(zhǎng)方體之間的對(duì)接;線段和多邊形之間的對(duì)接。然而，若視點(diǎn)與對(duì)象距離遠(yuǎn)超過(guò)線段長(zhǎng)度，那么只需要判斷它們難以相交即可，無(wú)需計(jì)算出交點(diǎn)。所以，該虛擬系統(tǒng)只需要計(jì)算出視點(diǎn)與物體包圍范圍之內(nèi)是否有相交即可。

1.4虛擬場(chǎng)景交互

本文系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就是交互具有良好的實(shí)時(shí)性，該VRML語(yǔ)言有著極強(qiáng)的交互性能，可以分成兩類：第一，交互節(jié)點(diǎn)構(gòu)成視場(chǎng)、感應(yīng)器與插值節(jié)點(diǎn)等;第二，編程節(jié)點(diǎn)可以借助于程序設(shè)計(jì)來(lái)形成。在前者交互環(huán)節(jié)，系統(tǒng)形成的事件被交互節(jié)點(diǎn)所捕獲，然后加以處理。隨后借助于Route/To傳遞至場(chǎng)景，使得后者形成改變。若是交互操作復(fù)雜還能借助于Java來(lái)完成，這樣該VRML交互功能就能得到更大的拓展。此外，虛擬校園系統(tǒng)中的交互與動(dòng)畫(huà)都是事件在經(jīng)過(guò)相應(yīng)階段之后構(gòu)成。具體流程如圖1所示

1.5系統(tǒng)優(yōu)化

（1）對(duì)可視距離進(jìn)行明確。此時(shí)每次渲染只需要對(duì)該距離之內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行渲染，因?yàn)槿藗冊(cè)谔摂M環(huán)境中也只能看到局部，很難對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行瀏覽。（2）利用層次細(xì)節(jié)模型亦即LOD進(jìn)行優(yōu)化。這種方式對(duì)遠(yuǎn)處不重要對(duì)象采用較少多邊形進(jìn)行建模，而近處則使用更多的多邊形進(jìn)行建模，這樣也能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)約系統(tǒng)資源。（3）將一個(gè)復(fù)雜的三維場(chǎng)景進(jìn)行切分使之形成較小的場(chǎng)景，然后再進(jìn)行分階段下載與裝入，這樣就能明顯提升執(zhí)行效率。

1.6系統(tǒng)發(fā)布

為了使得該系統(tǒng)有著更高的體驗(yàn)度與真實(shí)感，將VRML開(kāi)發(fā)的相關(guān)模型置入相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)之中。這樣就能夠與HTML，JavaScript進(jìn)行融合，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)使用該三維虛擬漫游系統(tǒng)。

2結(jié)論

VR與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，可以構(gòu)筑一個(gè)更為方便使用的融合影像、聲音等諸多多媒體元素為一體的3D虛擬環(huán)境，它不僅對(duì)立體模型進(jìn)行復(fù)制，同時(shí)還能在其中進(jìn)行漫游，產(chǎn)生身臨其境之感。

參考文獻(xiàn)：

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