基于VRP的虚拟字画展馆设计与实现

邓敏杰 兰厅 温亚莉

摘要：虚拟现实展示设计是一种综合Photoshop、3ds Max、VRP等多项技术的设计手段，广泛应用于旅游、教育、航天、军事、科研等领域。以虚拟字画为例，对展馆系统的模型、材质、灯光、人机交互等进行设计，进而随时互动参与浏览，实现仿真情景体验。

关键词关键词：虚拟现实；字画展馆；VRP；3ds Max

DOIDOI：10.11907/rjdk.161479

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007010103

0引言

目前，面对快节奏的生活方式，人们虽然越来越注重精神上的需求，却很难抽出大量的时间和精力到字画场馆里去感受、欣赏。而虚拟字画展馆凭借其独特优势，使人们可以随时随地通过网络享受真实字画场馆的游览体验。它利用虚拟现实技术将字画展馆展示在计算机上，通过搭建一个与现实情况相同的三维场景，并设置一定的人机互动，让浏览者模仿体验真实场馆中的游览。本文针对虚拟现实的优势和现实生活存在的问题，利用3ds Max、VRP等工具设计开发了一个三维字画虚拟展馆系统，并通过一些交互功能，实现随时随地的快速欣赏和字画学习。1虚拟现实展示设计

1.1虚拟现实技术

虚拟现实（简称VR）技术，是利用计算机创造出的一种与现实意境相同的三维逼真世界。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术和多传感技术等，模拟人的视、听等感官，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能通过语言、手势等方式进行实时交互，创建了一种人性化的多维信息空间。近年来，随着科技的进步，虚拟现实技术也在不断地更新，它突破了传统的实体限制，可以更直观、更有效地传递信息，让大众深入了解实体内涵，从而提高自身的文化素养。1.2虚拟展示设计

虚拟展示设计是将现代科学技术与艺术设计手法相结合，将多媒体技术对展示空间进行系统的策划、创意、设计和实施过程。它以自身的独特优势，将技术与艺术完美结合，根据人们的需求及大众的审美理念对现实场景进行创造性的再现，从而提升人们的生活和学习质量，具有无限的发展空间和广阔的应用前景。1.3虚拟字画展馆特点及优势

虚拟字画展馆是利用虚拟现实技术直观清晰地重现真实字画博物馆场景的一种虚拟场景。与传统展馆相比，虚拟字画展馆系统具有操作可控性、信息丰富性、内容直观性等优势。它不是以传统的实体模式而是通过数字化的方式通过计算机来实现展示功能，使用者利用键盘、鼠标等输入设备，进入虚拟空间，通过实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会；在展示字画的同时，可以与数据库相结合，调用对应的文字、语音解说及视频介绍等多媒体资源，将各类信息在系统中用不同的形式整合起来，在很大程度上提高了信息的负载量和获取量。另外，其互动性主要表现在信息的获取、字画导航和场景转换方面，通过地图导航功能，浏览者可以快速找到字画方位，通过与展品交互实现观赏，并获取在实体文物中无法获取的信息。此外，也可以充分发挥互联网的优势，随时随地通过网络浏览。2虚拟字画展馆总体设计

2.1前期准备

在前期考察中，了解不同国家文化及建筑风格的迥异，通过实地测量掌握展馆的规格大小、建筑格局、展品数量及地方的文化涵养，搜集相关的文字介绍、字画图片、视频等资料，并在此基础上，对虚拟场景进行规划。2.2三维场景模块设计

在前期准备的基础上，对三维场景进行模块划分：字画展厅、休息走廊过道、出入口，设计草图如图1所示。展馆的出入口采用精彩震撼的Flash动画和音频处理，浏览者通过点击操作转接到字画展馆的内部。本展馆拥有5个展厅，用户可以在“自主漫游”或“整体漫游”模式下进入各个展厅。通过模型构建、材质贴图处理等内容，再现真实的展厅景象。

2.3交互设计

VRP交互属于一种近距离触发式的交互，它具有操作简单、实用性好、交互功能强等特点，同时支持MAX的多种功能，目前被广泛应用。本系统中的交互设计主要是控制台交互、动画漫游设计及多媒体嵌入。

（1）控制台交互。在漫游虚拟场景中，游览者可以借助导航器进行精确定位并确定转移方向。这是通过控制台中的“导航”按钮来实现导航图的显示和隐藏，进而实现快速位置转移。

（2）动画漫游设计。在运行界面的“漫游”菜单中有“整体漫游”和“自主漫游”两种方式，分别实现对整个场景的控制，并以第一人称的视角对整个场景进行浏览。

（3）多媒体嵌入。视音频交互采用近距离式的触发交互，当浏览者靠近字画展品时，系统会自动播放视音频，对字画进行解说，使游客了解字画的历史、学习画家设计的精髓。音频包括背景音乐和解说词，当浏览者退出设定的交互范围时，系统就会自动识别，停止原来触发的按钮暂停当前音频播放。多媒体的嵌入在一定程度上弥补了传统展馆的不足，使得可以在舒缓的音乐里感受视觉的冲击和艺术的精湛。

3具体实现及关键技术

3.1工具选取

（1）3ds Max。3ds Max是Autodesk公司开发的一项基于PC系统的三维动画制作和视频渲染软件，功能强大，兼容性强，扩展性好，主要应用于广告传媒、影视特效、游戏动画、多媒体制作等，得到了社会的高度认可。

（2）VRP（Virtual Reality Platform）。VRP是由中视典数字科技有限公司开发出的一款直接面向三维美工的虚拟现实软件。该软件主要用于模型导入、后期处理、界面设计、交互制作、打包发布等方面。

（3）Photoshop。Photoshop是Adobe公司出品的一款用于平面设计的软件，处理的材质通常被用于制作建筑效果图等三维场景的漫反射贴图，为整体模型增添视觉上的冲击。

（4）Crazy Bump。Crazy Bump是法线凹凸生成软件，主要用来处理和导出贴图，能够导出高光、置换、法线及OA贴图，也能够通过调整该软件中相应的参数使贴图显现出纹理和机理，既能符合现实要求，也可简化模型。

（5）AutoCAD。AutoCAD具有很强的图形绘制功能。该软件能通过坐标的输入、对象捕捉、栅格捕捉、追踪等功能精确地对图形对象进行定位。它可以查询制作完成模型的长度、面积、体积和力学性能等，从而对后期进行修改和完善，功能设计如表1所示。

3.2开发流程

虚拟字画展馆系统开发，是在数据信息搜集的基础上，建立二维平面图，进而在MAX中构建三维场景，建立相应的三维模型，并进行材质贴图处理、纹理映射以及灯光设置，后期导入到VRP中进行交互界面设计及功能实现，经过反复测试及试运行，完成整个系统开发。其流程如图2所示。

3.3场景构建

（1）主要建模技术。MAX是目前主流三维建模与动画制作软件之一，VR-Platform是比较有特色的虚拟现实开发平台。该系统中用到的基本建模方法有多边形建模、修改器建模、面片建模、样条线建模等，根据模型特点选择相应的建模方法。

（2）场景优化。用最少最简单的操作并在最短的时间内完成设计，并实现对场景的优化，如在建模技术上，选择植物、花、门、窗等面片模型来替代三维实体模型，这样有效地简化了模型，提高了平台运行速度；通过减少分段数、删除隐藏面、使用纹理贴图和Optimize修改器等技巧来优化模型面数；模型个数上，对相同的模型采用Mental Ray代理方法，提高场景烘培时的速度和加快VRP的启动速度等。

（3）UV展开。该系统中模型的UV展图主要用到两种修改器：UVW展开修改器和UVW贴图修改器。UVW展开是3ds Max中的一款强大的修改器，赋予模型材质时更加灵活易操作。为了提高贴图的利用率，相同的贴图通道中要求纹理相同的UV面最大限度的重叠，展开的面要具有条理性且大小相同，然后根据展开UV面的复杂程度，灵活地调节其在整张UVW贴图中所占的面积，纹理复杂的面可以适当增大其面积，纹理简单、单一的面则缩小其在整张UVW贴图中的面积，使整张UVW贴图达到一定的协调性、合理性与美观性，最后将展好的UVW贴图以PNG格式的图片导出。UVW贴图的大小可以通过调节长、宽、高来实现，贴图的位置以及平铺数量则由UVW坐标来决定，通过通道面板可以给多个模型面赋予不同的贴图，UVW贴图多用于模型简单贴图相对单一的几何面。

（4）贴图设计。贴图处理包括两方面：绘制贴图和烘培贴图。贴图呈现的是物体表面的纹理，能在减少模型面数的基础上表现出更多的细节。为了使模型更加符合现实感，可以借助Photoshop处理搜集的字画，并保存成PSD格式的漫反射贴图，然后将其导入Crazy Bump中并更改Crazy Bump中的相应参数来实现法线贴图和高光贴图。贴图以增加模型的质感、完善模型造型为准则使三维场景更加逼真与现实。

3.4交互功能实现

由于MAX中自带VRP插件，可以将创建好的模型通过插件直接导入VRP。虚拟字画展馆的交互功能是为了让浏览者方便、愉快地去观赏字画，主要体现在以下几个方面：

（1）场景控制台设计。为便于用户游览，在场景控制台中设置了场景切换内容，主要有“花鸟图”、“唐宋字画”和“明清字画”3个部分，能够帮助用户快速转移位置，如图3所示。首先在VRP的编辑界面里创建一系列按钮，调整右侧的属性面板来详细设置按钮的大小、颜色以及样式等，最后通过脚本来实现场景之间的切换。控制台中还设置了声音按钮，用户在场景中可以随意选择。图3虚拟字画展馆运行界面

（2）动画漫游设计。漫游的设计原理是VRP中的录制相机，创建整体漫游动画是在VRP中创建一个以某个物品为参照物的旋转相机，按下F5运行该程序，并通过键盘中的上下左右键来完成相机的运动。同时，按下F11开始实时录制，再次按下F11结束录制过程。此外，本系统还利用行走相机实现自由行走观赏的效果，在创建行走相机之前，开启场景中模型的碰撞并优化碰撞选项，然后调整相机高度和行走速度，完成“自主漫游”设计，并利用键盘中的W、S、A、D键和上、下、左、右键模拟人在场景中的游走。可根据场景规模的大小，设置多个相机，满足观赏者对整个展馆的浏览。

（3）多媒体嵌入设计。视频和Flash 媒体的嵌入有内嵌和外部链接两种方式。内嵌是通过ATX 贴图、Flash控件和渲染到贴图3种方式将视频或Flash 媒体加载到场景中的三维模型上或者UI 的界面元素上；外部链接是在模型或者按钮上添加“脚本文件”组中的“打开任意文件”的脚本，点击时使用外部程序（主要指媒体播放器）打开相应的媒体文件。为便于管理，本系统采用内部嵌入方式，通过点击界面上的按钮来控制多媒体的播放与暂停，如图4所示。

3.5测试

调整好交互功能后，通过VRP进行发布，发布文件为可以脱离VRP的开发环境而独立运行的EXE文件。测

第7期 焦振华：基于Visual C#.NET的有毒气体监测仪与力控组态软件数据通信实现软 件 导 刊2016年标题