VR遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧 卓

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)報(bào) 教務(wù)處，湖北 十堰 442000)

線下會(huì)議能使參會(huì)者面對(duì)面交流互動(dòng)、清晰地表達(dá)雙方觀點(diǎn)，但可能會(huì)因?yàn)闀?huì)議場(chǎng)地受限、參會(huì)者交通不便、疫情封控等因素?zé)o法順利開展[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程會(huì)議可以彌補(bǔ)線下會(huì)議的不足，傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)議的形式有電話會(huì)議和網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議，因其不受空間限制的優(yōu)點(diǎn)得到企事業(yè)單位的青睞。VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，用戶可以通過簡(jiǎn)單的操作與計(jì)算機(jī)模擬出的環(huán)境進(jìn)行交互，是未來教育、醫(yī)療、文旅等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)[2]，其沉浸式的體驗(yàn)環(huán)境和三維的空間模擬，以及對(duì)事物細(xì)節(jié)的體現(xiàn)，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展前景。不少學(xué)者將遠(yuǎn)程會(huì)議與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合提出了 VR 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)，以此想改變參會(huì)者與二維屏幕間單調(diào)的交互狀態(tài)，基于其理論，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程多人會(huì)議系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，并利用現(xiàn)有VR硬件設(shè)備分析其可行性。

1 VR會(huì)議系統(tǒng)應(yīng)用的意義

在疫情的影響下各行業(yè)對(duì)遠(yuǎn)程線上會(huì)議的需求日漸增大，傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)議暴露出了無用戶交互、二維平面視角、固定視角、事物細(xì)節(jié)受限等問題，而現(xiàn)有的基于主機(jī) VR 設(shè)備的 VR 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)，又帶來了操作繁瑣、用戶活動(dòng)范圍受限等問題。針對(duì)以上不足，結(jié)合現(xiàn)有的移動(dòng)VR硬件設(shè)備，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)并開發(fā)一套 VR 遠(yuǎn)程多人會(huì)議系統(tǒng)，與傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)議相比可以提高用戶的沉浸感，與基于主機(jī) VR 設(shè)備開發(fā)的遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)相比，可以脫離電腦主機(jī)和相關(guān)附屬設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，提高了用戶選擇參會(huì)地點(diǎn)的自由度。因此具有以下意義：

(1) 提供多樣化會(huì)議環(huán)境。通過三維建模搭建出多種虛擬會(huì)議場(chǎng)景，如報(bào)告廳、展廳和會(huì)議室等，同時(shí)可以根據(jù)用戶需求定制不同風(fēng)格的會(huì)議場(chǎng)景。

(2) 支持文件的預(yù)覽，包括三維模型文件的全方位展示。本系統(tǒng)支持圖片、視頻等多種格式文件的瀏覽，同時(shí)利用 VR 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行三維模型文件的全方位展示，使用戶對(duì)產(chǎn)品有更加直觀的認(rèn)識(shí)。

(3) 提高參會(huì)者的專注度。VR 設(shè)備的使用使參會(huì)者置身于虛擬會(huì)議場(chǎng)景，在參會(huì)過程中不受周圍環(huán)境的影響，有效提高用戶參會(huì)過程中的專注度。同時(shí)引入虛擬替身，有效增強(qiáng)參會(huì)者的互動(dòng)感，給用戶帶來真實(shí)的溝通體驗(yàn)。

(4) 提高用戶的自由度。VR 一體機(jī)設(shè)備的使用帶來了極大的移動(dòng)性和便攜性，不同于 VR 頭顯設(shè)備，參會(huì)者無需依賴 PC 設(shè)備，擴(kuò)大了用戶的活動(dòng)范圍。

本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)議提升參會(huì)者的沉浸感，改善人與機(jī)器間枯燥的交互狀態(tài)，相較于主機(jī) VR 會(huì)議系統(tǒng)提升參會(huì)者的自由度，降低用戶的學(xué)習(xí)成本。同時(shí)研究提升 VR 系統(tǒng)真實(shí)感、降低設(shè)備渲染壓力對(duì)于其他虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也有一定的參考意義。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng) VR 遠(yuǎn)程多人會(huì)議系統(tǒng)為三個(gè)層次，功能界面層、邏輯處理層、數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 功能界面層

該層是最接近用戶的一層，主要定義了人機(jī)交互行為，如會(huì)議場(chǎng)景選擇、會(huì)議房間創(chuàng)建等。功能界面層作為本系統(tǒng)功能的入口，需要設(shè)計(jì)合理的人機(jī)交互界面供用戶使用。

2.2 邏輯處理層

該層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染和業(yè)務(wù)邏輯處理，分為客戶端邏輯處理層和服務(wù)端邏輯處理層，鑒于本系統(tǒng)基于 C/S 模式，因此客戶端主要負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)端的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行表現(xiàn)，對(duì)畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染；在服務(wù)端完成主要業(yè)務(wù)邏輯處理和數(shù)據(jù)計(jì)算，從而減輕移動(dòng) VR 設(shè)備的計(jì)算壓力，提升運(yùn)行效率。

2.3 數(shù)據(jù)層

該層進(jìn)行數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)，分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和資源文件服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存放用戶賬號(hào)信息等數(shù)據(jù)，資源文件服務(wù)器存放企業(yè)的相關(guān)資源文件。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

移動(dòng) VR 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)劃分為 5 個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊還包含若干子功能，如圖2所示。下文對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行詳述。

圖2 功能模塊圖

3.1 消息處理模塊

該模塊是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)消息的傳輸與分發(fā)。消息的傳輸是指客戶端將請(qǐng)求消息序列化后發(fā)送至服務(wù)端，消息的分發(fā)是指服務(wù)端將響應(yīng)消息分發(fā)至相應(yīng)客戶端，同時(shí)客戶端需將收到的響應(yīng)消息進(jìn)行反序列化，調(diào)用相應(yīng)功能模塊進(jìn)行處理。

3.2 用戶權(quán)限模塊

該模塊包括注冊(cè)、登錄和人員管理三個(gè)功能。用戶身份分為參會(huì)者身份和管理員身份，登錄時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)賬號(hào)類型，管理員身份的用戶具有開啟會(huì)議、將參會(huì)者移出系統(tǒng)等權(quán)限，而參會(huì)者身份的用戶僅能管理自己的賬戶信息。

3.3 場(chǎng)景管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)會(huì)議場(chǎng)景切換和用戶虛擬替身的漫游。在會(huì)議系統(tǒng)中搭建了滿足不同需求的多種虛擬場(chǎng)景，用戶可根據(jù)需要選擇不同的會(huì)議場(chǎng)景，同時(shí)用戶可以操作虛擬替身在會(huì)議場(chǎng)景中漫游。

3.4 文件管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)文件的預(yù)覽和下載，支持三維模型文件的展覽。系統(tǒng)將文件劃分為四種類型，分別為圖片、文檔、視頻和三維模型，用戶選擇某個(gè)文件類型就會(huì)顯示該類型下的所有文件。借助 VR 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型文件的互動(dòng)展示功能，用戶可通過手柄對(duì)三維模型進(jìn)行全方位的觀察。

3.5 在線會(huì)議模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)主講人對(duì)參會(huì)者的管理和對(duì)會(huì)議屏幕的控制。具有主講人身份的用戶有權(quán)開啟會(huì)議，其他用戶只需加入對(duì)應(yīng)會(huì)議房間即可參與會(huì)議。參會(huì)者可以開啟麥克風(fēng)進(jìn)行語音討論，同時(shí)主講人可以使用會(huì)議屏幕進(jìn)行文件的演示，實(shí)現(xiàn)參會(huì)者對(duì)會(huì)議屏幕的協(xié)同瀏覽。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為保證移動(dòng) VR 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的可靠性，需保存用戶以及企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。數(shù)據(jù)庫是遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以加快查詢速度、提升服務(wù)器的處理效率，同時(shí)也有利于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實(shí)體主要包括用戶信息、虛擬替身信息、企業(yè)信息和場(chǎng)景信息，實(shí)體——聯(lián)系圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫 E-R 圖

4.1 用戶信息與虛擬替身信息數(shù)據(jù)庫

用戶信息數(shù)據(jù)庫主要包含有已注冊(cè)用戶的用戶名、單向HASH加密算法之后的用戶密碼、賬號(hào)的基本狀態(tài)和權(quán)限等信息。同時(shí)為了滿足部分用戶的匿名參會(huì)需求，開發(fā)了虛擬替身信息數(shù)據(jù)庫，該信息庫在已有的明文用戶信息基礎(chǔ)上，通過一定范圍的信息遮蓋和替換，給用戶加上虛擬信息，以實(shí)現(xiàn)匿名化。

4.2 企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫

該信息庫主要用于儲(chǔ)存使用企業(yè)的各項(xiàng)信息，并與用戶信息相對(duì)應(yīng)，用戶可自動(dòng)綁定至相關(guān)企業(yè)，實(shí)時(shí)調(diào)用相關(guān)信息，而不用手動(dòng)填寫。

4.3 場(chǎng)景信息數(shù)據(jù)庫

包括場(chǎng)景的名稱類別等基本信息，并與企業(yè)信息綁定，在設(shè)定好的場(chǎng)景中二次使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)端的快速加載。

5 移動(dòng)VR設(shè)備分析

為實(shí)現(xiàn)高移動(dòng)性的 VR 遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)，選擇 Pico Neo2 作為硬件平臺(tái)，與 VR 頭顯設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，分析VR 一體機(jī)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，使后續(xù)的開發(fā)工作更有針對(duì)性。主流的VR 設(shè)備有 HTC Vive、Oculus Rift 等，選擇較為典型的 HTC Vive 作為 VR 設(shè)備的代表，和 Pico Neo2 進(jìn)行對(duì)比。

HTC Vive 屬于VR 頭顯設(shè)備，除包含頭戴式顯示器、兩個(gè)手柄控制器、一對(duì)定位基站外，還包含數(shù)根連接線，使用時(shí)必須連接電腦主機(jī)，整套設(shè)備如圖4所示。HTC Vive 借助電腦設(shè)備的顯卡完成圖像的渲染，計(jì)算性能取決于顯卡性能。其定位基站采用發(fā)送追蹤激光的方式確定頭戴設(shè)備和控制器的位置，激光發(fā)射器位于兩邊基站，精度較高。HTC Vive 的頭戴設(shè)備采用 OLED 屏幕，具有良好的顯示效果。

圖4 HTC Vive 設(shè)備圖

注：1.頭戴式VR顯示設(shè)備；2.立體音箱；3.分布式定位基站；4.手柄控制器；5.內(nèi)置電池；6.多點(diǎn)位攝像機(jī)；7.電源及通訊線材

Pico Neo2 屬于VR 一體機(jī)設(shè)備，該設(shè)備僅包含頭戴顯示器、兩個(gè)手柄控制器，使用時(shí)無需連接外部設(shè)備。

Pico Neo2 的頭戴設(shè)備和手柄內(nèi)置電池，可以脫離數(shù)據(jù)線獨(dú)立使用。頭戴設(shè)備采用了高分辨率的 TFT-LCD 液晶屏，具有良好的顯示效果。手柄控制器采用了電磁方案，具有較好的穩(wěn)定性和追蹤性。Pico Neo2 內(nèi)置渲染芯片和空間定位芯片，無需額外地定位基站等設(shè)備，令使用者更加自由。

HTC Vive 的圖像渲染通過高性能的電腦顯卡完成，且通常搭配運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備等外接設(shè)備使用，其性能和運(yùn)動(dòng)捕捉功能較強(qiáng)，且無需與電腦主機(jī)和定位基站等其他設(shè)備連接，使用范圍不受線纜長(zhǎng)度的限制，具有極高的移動(dòng)性和便攜性。

6 結(jié)語

此次研究結(jié)合現(xiàn)有的移動(dòng)VR硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)了一整套遠(yuǎn)程多人會(huì)議系統(tǒng)，通過功能界面設(shè)計(jì)、邏輯處理設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)線上會(huì)議系統(tǒng)和基于PC的VR會(huì)議系統(tǒng)的弊端，提升了用戶體驗(yàn)。

但由于 Pico Neo2 設(shè)備基于安卓平臺(tái)，使用內(nèi)置的計(jì)算芯片渲染圖像，設(shè)備的計(jì)算性能較差，因此圖形渲染高度依賴與其相連的桌面終端設(shè)備，會(huì)造成同一套設(shè)備在不同終端上效果不同的差異。同時(shí)因其設(shè)計(jì)上的高便攜性，使得其電池容量較小，在脫離外接電源的情況下使用時(shí)間較短，且相關(guān)配件較少，硬件層面的可擴(kuò)展性較低。這也是以后可以繼續(xù)深入研究的方向之一。