基于Virtools的虚拟演示系统的设计

基于Virtools的虚拟演示系统的设计【摘要】虚拟演示是近年来兴起的一个研究领域，有各种不同的开发工具利用OpenGL 和 VRML技术开发的虚拟交互式演示系统，具有虚拟现实（Virtual Reality）的互动和沉浸的特征，但是对开发人员的编程能力有一定的要求，而目前大多数系统并不具有信息询问功能基于3D 动画软件3ds max 和实时VR编辑器Virtools，我们为鹫峰森林公园开发了一套虚拟交互式演示系统其中，3ds max用于场景的构建，而Virtools用于场景的可视化，用户可以通过鼠标和键盘控制虚拟人物并与其互动此外，植物信息可以通过鼠标点击轻松获取通过这种方法创建的虚拟交互式演示系统不仅拥有很强的互动性和沉浸感，还带有信息询问动能，所有这些为实现此虚拟交互式演示系统提供了一个切实可行的途径关键字】虚拟演示；人物行动；信息询问；VirtoolsI.引言虚拟现实是一项项广泛集成的的技术，涉及及计算机图形形学、人机交交互技术、传传感器技术以以及人工智能能等领域虚虚拟现实VRR是采用计算算机和其他设设备来创造一一个模拟的三三维虚拟环境境，在这个虚虚拟环境中，参参与者能够进进行虚拟的操操作和互动，使使人产生如同同现实世界的的感觉。

目前，复杂情景景的虚拟演示示是重要应用用领域之一，也也引起了众多多专家和学者者的关注虚虚拟演示已经采取取的主要技术术有：基于OOpenGLL 和 Vissual CC + +[[1]的虚拟拟演示技术；基基于VRMLL和JAVAA相关技术以以完成虚拟演演示[2][[3]；基于于WTK技术术进行建模,,同时实现虚虚拟演示[44];基于MMultiGGen Crreatorr 和 Vegga的虚拟演演示技术[55]基于这些技术的的虚拟演示系系统的开发能能够获得更好好的沉浸感和和交互性，而而在开发过程程中，要求开开发人员具有有一定水平的的编程能力，且且开发难度也也有所增加II.虚拟演示示的实现方法法虚拟演示的实现现大概可以分分为两部分：：场景建模和和场景演示场场景模型的构构建是整个虚虚拟场景的基基础，它将直直接影响到虚虚拟环境的自自然性和逼真真度场景建建模就是将需需要模拟的场场景通过数学学方法，以三三位图像的形形式储存在电电脑里场景景演示是在虚虚拟场景的基基础上创建的的，利用演示示平台、适当当的算法和冲冲突检测，实实现虚拟场景景的演示在本篇论文中，该该虚拟演示系系统是为北京京鹫峰国家森森林公园所搭搭建。

采用了了基于3D和和Virtoools技术术的开发方法法图表1显显示了系统实实现的过程图表1 系统示示意图根据鹫峰森林公公园的实际地地表景观，首首先，三维模模型或者场景景动画在三维维动画软件33ds maax中被构建建好，并以 .nmo 格式输出((扩展名为nnmo的文件件是在Virrtoolss中用来存储储人物、场景景以及物体信信息的默认文文件格式)其其次，.nmmo文件将被被导入到Viirtoolls软件中在在Virtoools中，通通过添加模块块脚本来实现现交互当所所有的交互设设置完成后，该该虚拟交互系系统将被发布布有两种方方法可以进行行系统的发布布：一种是打打包生成.eexe可执行行文件，另一一种是将文件件保存为httml+vmmo格式，通通过Inteernet Exploorer进行行发布 III.演演示平台的功功能化设计在此三维虚拟场场景中，用户户通过不同的的演示方法观观察和研习三三维模型，为为了获得更多多有用的信息息，该三维模模型是利用三三维数据创建建的[6]该该虚拟演示系系统是实时的的，它为用户户提供了不同同的演示漫游游的方法A.场景演示的的设计1) 演示导航航演示导航也可被被认为是通过过路径进行演演示。

人物可可以通过在虚虚拟场景中预预先设计好的的道路进行漫漫游在虚拟拟演示系统中中，道路的设设定是与公园园中的景点分分布相一致的的，而这将会会被提前记录录和保存起来来用户可以以令虚拟人物物在实现选择择好的道路上上自由漫游，道道路沿途的景景观便可一一一展现在用户户面前2)人物演示a)设计人物虚拟人物被设计计在演示系统统中，在演示示过程中，用用户可以再互互动模式中控控制人物进行行漫游用户户可以用鼠标标或键盘，甚甚至其他交互互设备来控制制虚拟人物在在虚拟场景中中向前移动、向向后移动、向向左转、向右右转以及旋转转考虑到人人在旅途中所所体现出的生生理特性，我我们为虚拟人人物设计了两两个属性：体体力值和饥饿饿值，相应地地我们也设计计了这些属性性值的变化规规则与此同时，我们们也为虚拟人人物设计了背背包用户如如果点击背包包按钮，便可可打开背包用用户点击X按按钮，便可关关闭信息面板板还是在图图表2中，在背背包中有几种种食物不同同的食物对缓缓解虚拟人物物的饥饿感的的程度是不同同的在徒步步漫游的过程程中，虚拟人人物的体力值值会逐渐降低低，饥饿程度度会逐渐增加加，“饥饿程度”状态栏显示示了人物当前前的饥饿值，如如果虚拟人物物停下来休息息，体力值便便会升高，如如果虚拟人物物补充一些食食物，饥饿值值就会降低。

虚拟人物体力值值和饥饿值的的主要功能模模块见图表3图表2 人物面面板图表3 体力值值改变的实现现b)人物的运动动在Virtoools中，虚虚拟人物的移移动有两种类类型的方法：：一种是基于于二维图像连连续的帧来进进行控制和调调用，另一种种方法是对三三维模型的实实时移动数据据进行测算和和响应二维维图像连续帧帧的实现利用用了Virttools中中独有的动态态结构不同同的动态连续续图像由响应应的键盘消息息驱动，从而而形成了连续续的动画一一般的图像连连续帧由488幅不同角度度的图像构成成，从而保证证了视觉上的的连续性在Virtoools中，三三维模型的虚虚拟人物的移移动有两种类类型的设置方方法一种类类型是基于人人物动画的交交替模拟，一一种类型是在在三维模型的的骨架中插入入人物的动作作人物动画画与二维图像像连续帧的原原则相似，预预先保存好的的动画会以一一定的帧速率率进行播放然然而，人物动动作的插入是是经过精确的的计算的线性插入是相对对比较简单的的插入算法[[7]这种种算法速度快快，适合于人人物身体形状状的转换当当初始帧和终终止帧给定时时，线性插入入算法能够生生成一个很好好的中间插入入帧线性插入算法的的具体内容如如下：我们假假设关键帧aa的移动参数数和旋转参数数是Tj ((a)和Rj (aa)，其中j表示x, yy和z。

相应的关关键帧b的移移动和旋转参参数是Tj (b)和Rj(b))线性插入入将在关键帧帧a和关键帧帧b之间完成成，我们便可可得到关键帧帧i(a << i < b)的移动动和旋转参数数，计算公式式如下：在动画模式下，虚虚拟人物的空空间变化与其其在行进中的的动作是相分分离的当虚虚拟人物在行行走时，他看看起来似乎是是在行走，其其实他并没有有改变在空间间中的位置，而而是在原地执执行行走动作作然而，在在动作插入模模式下，一旦旦虚拟人物执执行行走动作作，他的空间间位置也会相相应地随着他他的行走步伐伐的大小而改改变我们可可以比较这两两种方法，动动作插入模式式显然更加实实际和有效，能能够获得更好好的模拟效果果本演示系统采用用了线性插入入方法系统统实现的过程程如下：当虚虚拟人物移动动的框架在33ds maax中设定好好后，我们利利用3ds max插件件Max EExportter把数据据文件转换成成.nmo格式式的文件，并并将其导入到到Virtoools中最最后，通过添添加控制模块块实现人物动动作的插入虚拟人物的动作作控制包含两两个主要的模模块，无限制制控制器和键键盘映射无无限制控制器器模块根据消消息来设定虚虚拟人物的动动作或动画。

例例如，与人物物向前移动相相对应的消息息是Joy_Up键，与人人物向后移动动相对应的消消息是Joyy_Downn键等键盘盘映射模块则则根据键盘来来设定动作消消息例如，按按W键是控制制人物向前移移动，对应的的消息是Jooy_Up键；按SS键是控制人人物向后移动动，对应的消消息是Joyy_Downn键如图表4所示图表4 人物漫漫游的实现B.信息查询信息查询属于更更高级的互动动来自功能能实现视图的的信息可以分分为两个独立立的部分，即即根据鼠标的的位置选择树树木的名字，然然后通过数据据表中的名字字来找到相应应的树木的相相关信息并显显示在信息面面板上根据鼠标的位置置获取树木的的名字主要是是通过2D采采摘模块实现现的这种方方法是将鼠标标在二维屏幕幕接口上的坐坐标位置与三三维物体在屏屏幕坐标上的的投影位置进进行比较，如如果他们恰好好是鼠标要选选择的目标如如果这两点是是一致的，则则认为鼠标选选择的是该物物体树木的信息以数数组的形式存存储，称为AArray在在Virtoools 中中，Arraay是一个小小的数据库，它它存储在数组组中它能够够满足树木信信息的简单存存储的要求在在Arrayy中，树木的的信息依照植植物名、植物物类型、生长长地，以列的的形式保存。

该该数组与显示示面板的坐标标相一致，使使用取元素、取取行模块等坐标的不同位置置与数组中的的各种不同的的元素相一致致，以实现根根据位置坐标标获取数组信信息从而信信息的交互得得到了实现图图表5显示了在虚虚拟演示中，当当鼠标点击树树木时所显示示出的树木信信息图表5 树木的的信息查询IV.结论复杂情景下虚拟拟演示的研究究是重要的研研究议题之一一该研究主主要集中在大大学校园和社社区的虚拟演演示中，但是是对森林公园园的研究却很很少，而且他他们并不能提提供信息查询询功能在本论文中，基基于3ds max和Virtoools的森森林公园虚拟拟交互式演示示系统得到了了实现和完成成该系统实实现了复杂情情景下的虚拟拟演示功能和和信息查询功功能虚拟交交互式演示系系统的发展是是一个意义非非凡的探索，提提供了一个切切实可行且高高效的方法该该交互式系统统在交互演示示过程中显示示出了平稳、良良好的视觉效效果。