虛擬現(xiàn)實技術(shù)在場景復原中的應用研究

黃常躍，曾文斌

(1.湖南幼兒師范高等?？茖W校，湖南 常德 415000；2.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

虛擬現(xiàn)實采用計算機技術(shù)來構(gòu)造虛擬的場景，讓參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對場景進行復原在古建筑、革命紀念館陳展、考古、消防等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1]。何成戰(zhàn)對計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑數(shù)字化復原中的應用進行研究，設計了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的古建筑場景復原系統(tǒng)并應用于風雨橋的復原中，為文化遺產(chǎn)保護提供了技術(shù)支撐[2]。曹禮剛等采用VRML和Java技術(shù)對古代三維祭祀場景進行了復原，實現(xiàn)了對考古成果展示方式的新突破[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在場景復原中的應用創(chuàng)造了一個能進入、能互動的虛擬現(xiàn)實世界，使得復原的建筑物、城市、星體等更加逼真、形象、生動，確保了使用者和虛擬現(xiàn)實空間之間所產(chǎn)生的交互與實際生活更加接近。

1 場景復原相關(guān)理論

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實為虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)建與體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，確保使用者沉浸在虛擬環(huán)境中。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓使用者感受到現(xiàn)實生活中真實存在的物體以及肉眼看不到的物質(zhì)。由于使用者所看到的世界是借助計算機技術(shù)所模擬的現(xiàn)實世界，因此被稱之為虛擬現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要包括五個方面，具體如圖1所示[4]。

圖1 虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

動態(tài)環(huán)境建模是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，結(jié)合動態(tài)環(huán)境應用需求和現(xiàn)實環(huán)境三維數(shù)據(jù)來建立相應的虛擬動態(tài)環(huán)境。另外，為確保虛擬現(xiàn)實環(huán)境的效果，必須實時生成三維圖像，即三維圖像刷新頻率高于30幀/秒。動態(tài)環(huán)境建模和實時三維圖像生成是虛擬現(xiàn)實的基礎，其產(chǎn)生的逼真、形象的三維虛擬場景，讓使用者產(chǎn)生身臨其境的感受。立體顯示與傳感器是實現(xiàn)使用者在虛擬環(huán)境中隨機交互功能，能夠為使用者創(chuàng)造最佳的真實體驗。應用系統(tǒng)開發(fā)主要是尋找合適的場所，提高虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的質(zhì)量。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中含有大量的感知信息與模型，因此系統(tǒng)集成在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。應用系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)集成是借助各種傳感器設備，如數(shù)字手套、數(shù)字頭盔等，利用語言識別等技術(shù)達到良好的人機交互目的。

1.2 場景復原

場景復原作為一種特殊的藝術(shù)形式，由戲劇和表演藝術(shù)發(fā)展而來。場景復原也往往被稱之為景觀陳列，通過實物、模型、光照等結(jié)合使用，從而呈現(xiàn)出特定的主題效果。如場景復原在火災中的應用，通過對火災場景的還原將消防車所在的位置和救火路線在復原的三維場景中標注，很容易對消防指揮進行協(xié)調(diào)調(diào)度，從而為消防員和受災人員提供形象直觀的信息[5]。圖2為火災場景復原效果。

圖2 火災場景復原效果

借助場景復原程序可以給使用者提供形象、直觀的界面，使用者可以對建筑物周圍以及建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)全面地了解，增加使用者身臨其境的感受，因此，在各行各業(yè)具有廣泛的應用。

1.3 虛擬現(xiàn)實的場景復原

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品仿真、城市規(guī)劃、紀念館陳列、火災救援、技能培訓等領(lǐng)域具有廣泛的應用，通過虛擬現(xiàn)實進行場景復原，真實的場景在虛擬的環(huán)境中得到展現(xiàn)，具有良好的人機交互性。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的場景復原流程如圖3所示。

虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)集計算機、傳感器、仿真等技術(shù)于一體，能夠生成靜態(tài)的虛擬現(xiàn)實場景，同時還可以和HTML鏈接生成動態(tài)的虛擬現(xiàn)實場景。在大型復雜的虛擬現(xiàn)實交互場景制作過程中，采用Java對VRML的所有支持通過附加封裝類來實現(xiàn)。

1)靜態(tài)虛擬現(xiàn)實場景制作。革命事件陳列館采用靜態(tài)虛擬現(xiàn)實場景制作能夠最大程度提升革命館陳列的水平，從而創(chuàng)造陳展精品。在靜態(tài)虛擬現(xiàn)實場景制作的過程中采用MAYA軟件按照各種搜集的信息進行三維建模，同時借助MAYA插件將模型轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實建模語言文件，從而得到靜態(tài)模型的VRML文件[6]。

2)動態(tài)交互虛擬場景制作。古建筑采用動態(tài)交互虛擬場景制作能夠最大程度提高用戶的體驗，采用腳本編程接口SAI交互方式來制作動態(tài)交互虛擬場景。不同類型的傳感器傳遞不同的數(shù)據(jù)信息，在虛擬現(xiàn)實建模語言文件中定義傳感器的類型、交互三維場景、Script節(jié)點。Script節(jié)點中定義URL、和傳感器關(guān)聯(lián)的eventIn變量、和交互場景關(guān)聯(lián)的eventOut變量，即

DEF PS ProximitySensor{// 傳感器類型定義}

DEF sw Switch{// 交互場景定義}

DEF S1 Script{// URL文件定義 // eventIn變量、eventOut變量定義}

Java文件中代碼主要包括三部分，分別為變量定義、系統(tǒng)初始化以及事件處理。變量定義是對VRML文件中的eventIn變量、eventOut變量進行定義，為系統(tǒng)初始化做好準備；系統(tǒng)初始化是建立eventIn變量和eventOut變量之間的聯(lián)系，實現(xiàn)變量之間的通信；事件處理是對eventOut變量處理，修改變量的值，同時將修改后的變量值傳遞給VRML文件，系統(tǒng)具備人機交互功能，即

public class Text extends Script{

// 變量定義

public void initialize()

// 建立eventIn變量和eventOut變量之間的聯(lián)系

public void process Event(Event e)

// 處理eventOut變量并修改變量值，將修改后的值傳遞給VRML文件

}

2 虛擬現(xiàn)實在場景復原中應用實例

2.1 VRML實現(xiàn)場景復原

在VRML文件中所顯示的是虛擬實物，其所在系統(tǒng)的總坐標系為右手系。VRML文件中，多個物體組成節(jié)點組，節(jié)點組構(gòu)成局部坐標系。VRML具有非常強大的造型功能，通過構(gòu)造節(jié)點來構(gòu)建復雜的、充滿動感的虛擬現(xiàn)實場景。在VRML文件中，節(jié)點是基本的構(gòu)件。由于節(jié)點只能對造型、顏色、紋理、采光等屬性進行描述，不能滿足復雜的實際虛擬場景創(chuàng)建需要，因此需要通過構(gòu)造節(jié)點組的形式來實現(xiàn)。采用VRML可以實現(xiàn)交互，即在軟件的客戶端使用者執(zhí)行某個操作，那么系統(tǒng)會產(chǎn)生相應的場景。在不同的節(jié)點之間存在路由，每一個事件通過相應的路由實現(xiàn)節(jié)點和節(jié)點之間的通信，同時也可以通過添加腳本的方法對路由進行編程，從而使得采用VRML復原的場景更加形象、逼真。

2.2 場景復原實例

1)紅軍突破湘江場景復原。革命紀念館常常采用講故事的形式來呈現(xiàn)陳列的內(nèi)容，無法滿足游客對不斷提高的陳列形式要求，必須通過場景復原使其感受到故事的完整性，同時產(chǎn)生一種身臨其境的感受。通過靜態(tài)復原紅軍突破湘江的場景可以加深游客對革命紀念館所陳列內(nèi)容的理解。圖4為紅軍突破湘江場景復原效果圖。

圖4 紅軍突破湘江場景復原效果圖

由圖4可知，紅軍突破湘江場景復原中雕塑和油畫特有的生動、直觀得到了很好的展示，游客可以更好地在腦海中復原當時的場景，對游客歷史文化價值觀念的形成產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

2)程陽風雨橋場景復原。程陽風雨橋位于廣西壯族自治區(qū)柳州市三江縣，始建于1912年，不僅有漢朝宮殿式的工藝成分，也有百越族桿欄式的色彩，是世界上的歷史名橋。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對程陽風雨橋場景數(shù)字化復原，同時和程陽風雨橋?qū)嵕斑M行對比，結(jié)果如圖5所示。

a) 實景 b) 復原場景

由圖5可知，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)很好地對程陽風雨橋場景進行了復原，對于文化遺產(chǎn)起到了很好的保護作用。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅保護了文化遺產(chǎn)，同時也可以有效地將文化遺產(chǎn)周邊的環(huán)境保存起來，成為永久性的文化遺產(chǎn)。

3 結(jié)論

場景復原在各行各業(yè)具有廣泛的應用，通過場景復原營造逼真、形象、生動的虛擬現(xiàn)實場景。該文對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在場景復原中的應用進行研究，實現(xiàn)了靜態(tài)虛擬現(xiàn)實場景和動態(tài)交互虛擬場景的制作，同時將其應用于紅軍突破湘江場景和程陽風雨橋場景復原中。通過場景復原再現(xiàn)當時的真實場景，為使用者創(chuàng)造最佳的體驗，同時也起到了永久保護文化遺產(chǎn)的作用，為場景復原技術(shù)的研究提供參考。