虚拟漫游系统的写作查重

虚拟漫游技术创造一个特定范围的仿真虚拟空间,用户作为一个角色置身于空间内进行虚拟漫游,从任意视点以身临其境的感觉观察虚拟环境中的对象。湖南工院是一所国家示范性高职院校之一,学校位于河西先导开发区,现拥有两栋教学楼,一栋办公楼,两栋实验楼,一栋图书馆,一座实习工厂。根据湖南工院对多方位展示建筑效果图,让公众通过互联网体验并感受工院全景、了解学院示范性院校的建设和发展状况的实际需求,学院决定成立课题小组立项研发“湖南工院虚拟漫游系统”。本文在分析当前国内外虚拟漫游技术发展概况的基础上,对相关技术进行了简单比较,选择Virtools作为虚拟现实开发平台,设计了一种基于3DS Max和Virtools的虚拟漫游系统,并对虚拟漫游的系统功能模块进行了详细设计。系统通过3DS Max来构建湖南工院建筑三维模型和外部景观,并设置贴图坐标和创建灯光进行材质烘焙,然后将三维模型导入到Virtools中,利用其自带的脚本模块设计了学院全景漫游、教学区漫游、角色漫游三种交互式控制程序,实现了对湖南工院全景和学院教学环境的数字化和虚拟化。经过虚拟漫游系统设计完成后的仿真实验证明:三维模型逼真,虚拟环境具有真实感;界面整洁,交互操作简便;功能完备,达到设计要求。

课题关键技术在于利用脚本语言编写,设计物体碰撞检测、声音控制、摄像机控制及光影效果等。系统的构建方法可运用到其他建筑漫游中,具有较好的扩展性和借鉴性。

第一章 绪论
1.1 研究背景
湖南工业职院是国家示范性高等职业院校之一,为了迎合学院“创示范,争一流”的教学宗旨,学院在原有的国家示范性数控实训基地的基础上,规划建设校企合作、工学结合基地——湖南工院,它将整合校办实习工厂、实训中心、鉴定中心和机电类专业的生产性实训基地及合作企业,融教学、生产、社会服务于一体。工业中心将建设配套性好、设备先进、功能齐全、实用性强的车间和实训中心46间,拥有具备系列化定型产品、厂房面积达7000平方米的校内实习工厂。大多数专业实训室具有真实或仿真职业氛围,教学软硬件设施配套,不仅是学生的实训基地,也是师生开展产学研的基地。
当今社会,以计算机为工具进行信息管理的活动无处不在,而几乎所有信息管理都与可视化有关,特别是大型信息系统的可视化管理更是令人叹为观止[1]。这种“看得见的管理”——即可视化信息管理已成为信息系统开发的一个重要发展方向[2]。它改变了信息管理的现有模式,让管理者以直观可视化方式,方便、简捷、清晰地把握信息管理过程,并提供辅助决策支持,令管理及决策活动变得轻松方便[3]。虚拟现实(Virtual Reality,简称VR),作为可视化管理系统的一项关键技术,利用计算机技术产生一种人为虚拟的环境,这种环境可以通过人的视觉、听觉、触觉等感觉器官进行感知,是一种先进的人机交互技术。虚拟现实具有三大特性:互动性(Interactivity) 、临场感(Immersion)、创造性(Imagination)。用户通过自己的视点直接地、多角度地对环境进行观察,并发生“交互”作用,使人和计算机很好地融为一体,同时产生身临其境的感觉[4]。
虚拟漫游技术是虚拟现实技术的重要分支,也是当今社会许多领域的应用主流技术,用户可以使用键盘、鼠标、头盔显示器、数据手套等输入设备与虚拟场景中的实体进行人机交互[5]。在漫游场景的过程中,用户可以通过控制相应设备,以任意的路径、任意的角度、任意的方式观察场景中的实体甚至操纵实体,从而使用户达到沉浸在虚拟空间中身临其境的愉悦感受[6]。在建筑或园林设计阶段,用户能以直观的,动态的方式,全方位地观察整个虚拟场景的外观或局部细节,并且模拟场景中各种自然光照、风、雨、雪等四季变化的情况下所呈现出的姿态[7]。
随着社会的不断发展和科学发展观的要求,我们应该提倡建立资源节约和环境友好的和谐社会。现在国家大力提倡厉行节约,建立节约型工业和节约型工厂,这不仅是工厂自身发展的需要,也是其应有的社会责任[8]。虚拟现实技术作为新兴的技术可以为工业改革提供技术支持。利用虚拟现实技术设计开发的虚拟漫游系统可以使用户置身在逼真的的三维虚拟环境中,通过人机交互方式控制虚拟角色进而带动用户视角移动,用户从而可以从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察,打破现实情况下时间与空间的束缚[9]。虚拟漫游系统可以用在校园建设设计期,便于校方与设计师预览实际效果或修改设计方案,也可以用在校园使用时期,便于学校通过网络等电子方式提供熟悉校园的方式或对外宣传校园的风采。虚拟漫游系统以低成本优势与强大教学优势弥补了学校在校园电子化信息建设方面的不足,不但提高了学校的自身形象,而且便于新生能快速全面地了解整个校园环境[10]。
为湖南工院设计虚拟漫游系统后可以实现如下六点功能:
(1)利用这种计算机虚拟仿真技术,工业中心设计方可以对工程规划管理提供科学有效的辅助手段,及时发现设计缺陷,最大限度降低风险。
(2)利用虚拟漫游系统可以对建筑层高、位置等形态属性进行分析,从而得出最合适方案。
(3)利用虚拟漫游系统可以将工业中心园区可以在虚拟场景中漫游的同时,切换不同规划方案,比较各个方案的优劣,权衡各个方案与周围环境的和谐程度等,从中制定最优决策。
(4)2#实训楼模型是虚拟漫游系统建模的重点,实训楼模型主要用于映射实际实训室的生产组织方式及设备物理布局等信息。在工业生产过程中,合理构建实训区结构,划分科室布局,设置教学及培训场地,其中对实训楼建筑及设备资源的合理布局设计是相当重要的环节,根据生产工序设计实训区结构可以优化人力和物力资源,并且设计成本低、经济效益好、合理配置资源。
(5)由于工业中心各方面实施比较齐备,经常承接一些其它单位院校的大型参观活动,比如职业鉴定考试、省级机电类专业操作竞赛,或省级领导参观检查等。工作人员使用虚拟漫游系统可以通过虚拟漫游的方式确定最佳参观路线,更有针对性地从全局或从细节来分析活动过程。
(6)学院工业中心还预计建设其他实训区和办公区,通过开发虚拟漫游系统,设计方和院方该项目建设负责领导可以提前看到工业中心最终完成后的效果,可以极大程度地减少他们在设计过程中的缺陷和失误,从而达到更加完美的设计效果。
1.2 国内外研究现状
国外研究现状
虚拟现实技术依靠计算机图形学技术建立一个多视点、可实时交互的三维虚拟环境,用户通过计算机用最自然的方式对复杂数据进行可视化操作,与虚拟环境进行交互,从而产生身临其境的效果。随着各项科学技术的发展进步与互相间不断的融和,虚拟现实技术被广泛应用到军事、医学、教育、地产、娱乐、制造业、工程训练等各个领域,它被认为是当前及将来影响人们生活工作学习的重要新兴技术之一[11]。
虚拟现实技术有三个主要特征,分别是沉浸性、交互性、创造性。沉浸性指通过视觉、听觉、触觉等感官感受让用户可以沉浸在一个与真实环境尽可能相似的虚拟环境中。交互性指用户与虚拟环境中各类对象发生相互作用的能力,用户通过鼠标、键盘或传感器对虚拟环境进行操纵,虚拟环境通过屏幕和传感器反馈给用户交互信息[12]。创造性表明虚拟现实技术是一个新出现的正在不断发展的技术,人们可以利用丰富的想象力不断扩展它的概念,增添它的功能,直到满足人们的各种需要[13]。
美国宇航局 (NASA)研究的操纵空间站的实时仿真系统,这个系统主要模拟宇航员面座舱模拟太空飞行,同时NASA还实施了一个叫“虚拟行星探索”的试验计划,它能利用虚拟环境来考察太空中遥远的星系,现在他们正在考察火星,在此期间NASA建立了空间站VR训练系统,还开发了能供全球使用的VR教育系统 [14]。
美国另一个研究机构——麻省理工学院(MIT),在研究人工智能、计算机图形学及动画方面,也是走在世界前列的,这些技术都是基于VR技术。1985年MIT就开始进行虚拟环境的正规研究,成立了最早的媒体实验室,用于进行不同图形仿技术的实验。同时,MIT还在进行了“路径计划”与“运动计划”等方面的研究[15]。
利用虚拟现实技术进行建模建造出一个虚拟环境来代替真实的训练环境。受训人员可以在虚拟环境中反复进行操作训练或者多人次的协同工作[16]。在军事相关领域,美国研制出各种武器装备、军事交通工具的模拟器,并模拟出各种类型的战场环境,以让士兵进行军事技能训练。在医学领域,虚拟现实技术被应用到虚拟手术仿真训练,德国卡尔斯鲁厄研究中心的Select IT VEST System系统和外科科学公司开发的LapSim系统即是代表。在工业生产中,通常利用虚拟现实技术开发生产线的仿真系统来培训新入职的工人[17]。
日本在实用虚拟现实技术的研究中,建立了大规模的VR知识库,并开发一种虚拟全息系统,克服了当前显示和交互技术的局限性,东京大学的广濑研究室研发的虚拟现实的可视化系统,已经有了四项成果,其中包括建筑群漫游、人体测量和模型随动、飞行仿真器等[18]。
国内研究现状
目前VR技术在我国大力发展与支持下,一些科研院所陆续也开展了VR技术的研究,并在近几年得到了飞速的发展,虽然与发达国家相比,我国在这方面还存在很大的差距,但国家正投入大量人力和物力进行研究,使得国内的虚拟现实技术也逐步走进了我们生活的方方面面了。
目前清华大学的师生们将虚拟漫游技术应用到了圆明园的建设中,制作了 “4D技术再现圆明园” [19]。以现代数字技术再现150年前圆明园,它采用计算机数字逆向还原技术,对历史遗迹进行保护和宣传。根据“虚拟圆明园”项目规划,圆明园拟在南门附近100米处的绮春园内修建一座大型的体验中心。该体验中心包含120度环幕影院、360度环幕影院和4D动感影院,将利用数字城市、虚拟现实、视景仿真、互联网和多媒体等高新技术,采取生动有趣的方式来重现圆明园的原貌。现场将采用虚实结合的方式,对部分景观进行修复,使参观者可以看到高清晰度并且立体的虚拟圆明园,身临其境地感受圆明园当年的胜景[20]。这些陈展项目包括网上虚拟圆明园、手持虚拟圆明园讲解机、圆明园珍宝文物展示中的文物原貌虚拟再现等方面[21]。
我国三一重机公司CAE工程师借助虚拟样机技术平台建立了单斗反铲液压挖掘机整机模型,在计算机上模拟挖掘机的工作性能,对各项等级指标进行了仿真。通过调整部件的各个参数,对控制系统进行了优化,提升了作业效率,最终提高了此类型机的市场竞争力[22]。
2010年的上海世博会,就将虚拟现实技术运用到了极致。在世博会建设初期,由于园区地处繁华市中心,跨江规划给城市规划带来一定挑战。要体现世博会整体性、综合性、科学性等规划思想,就需要利用可视化的规划管理工具对不同的方案进行形象和直观的比较,来预见真实的“未来” [23]。因此,“世博园区规划可视化管理系统研究”科技专项结合信息技术和虚拟现实技术,通过采集世博园区内的三维数据信息,建立世博园区的三维数字仿真系统[24]。经过专项组专家一年多的研究,已取得了一定成果。系统实现了实时漫游、规划、查询数据等功能,将可能为世博园区规划提供先进的数字化手段。将来,它还可能成为一种展示工具,将世博园区未来面貌和区域功能等信息以三维数字化的形式直观地展现给大众。在上海世博会上浏览者可以通过电脑触摸屏或大屏幕,直观地“看”到世博园区的三维地形,实时获得园区的最新动态、交通情况及各场馆的运行情况。不能亲临世博会的网络用户可以对世博园区的每个展馆进行虚拟游览,并且最快筛选出抵达理想目的地的最佳路线,在虚拟漫游场景自由翱翔的过程中,地图导航仪会实时地帮助你浏览每一个角落[25]。
1.3 课题研究的目的和意义
本文的主要工作是完成了对湖南工院虚拟漫游系统的设计,虚拟漫游系统的设计分为两个部分:三维建模和交互式控制虚拟漫游设计。三维建模设计部分采用LOD建模、地形建模、纹理映射和贴图等相关技术基于建模工具3DS Max2009对1#车间至7#车间,第一办公楼,第二办公楼,树林,道路、草坪等建模、贴图与材质处理,最后把所有三维模型按真实场景有序排列后构成了漫游系统的虚拟环境;交互式控制虚拟漫游设计部分主要包括:设计自动漫游和手动控制人物角色漫游两种漫游方式、进行程序的界面设计、背景音乐设计等。
虚拟漫游系统主要实现了以下三点功能:
(1)逼真的三维模型构成的虚拟环境为用户提供了真实感,让用户能够在使用系统时有身临其境的感觉。另外,学院在建设湖南工院过程中,为了优化设计方案,可以采用虚拟漫游技术来预览建设效果。
(2)虚拟漫游系统具有固定路径自动漫游与手动角色漫游两种漫游方式,固定路径自动漫游模式使用户按照给定的路线进行漫游,这种模式可以使用户利用最少的时间了解校园的布局及建筑样式。手动角色漫游模式则使用户通过交互操作自由地进行漫游,这种模式可以使用户按照自己的意愿无时间限制地在校园中移动或停留。
系统界面是虚拟漫游系统与用户沟通的通道,系统通过界面把交互结果显示在上面,用户通过界面控制系统。
(3)为虚拟漫游系统设计的在线信息查询与管理子系统丰富了系统的功能,便于用户快速查询校园的各种建筑及设施。

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