基于VR技术虚拟学习环境的构建.docx
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基于VR技术虚拟学习环境的构建.docx
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基于VR技术虚拟学习环境的构建
1引言....................................................................1
2虚拟现实技术与虚拟学习环境..............................................1
2.1虚拟现实技术.......................................................1
2.2虚拟学习环境.......................................................2
2.3虚拟现实开发工具...................................................3
3虚拟学习环境的三维建模...................................................6
3.1校园三维场景的建立.................................................6
3.1.1校园建筑物三维模型的创建......................................6
3.1.2校园立体图建筑物模型材质设计.................................6
3.1.3其它场景模型的创建...........................................8
3.2校园三维模型导出...................................................9
4虚拟学习环境的三维交互设计与实现........................................10
4.1利用Virtools提供的BB功能模块实现物体的识别.....................10
4.2利用BB脚本实现虚拟学习角色的交互.................................10
4.2.1学习角色的设置..............................................10
4.2.2碰撞设置....................................................12
4.2.3学习角色交互设置............................................13
4.3虚拟学习环境的发布................................................15
5结束语.................................................................16
参考文献.................................................................16
基于VR技术虚拟学习环境的构建
摘要:
本文概括了Virtools技术的特点和优势,分析了Virtools的组成结构和视景数据库的建立。
使用3dsmax
建模工具和Virtools开发软件,以江西科技师范学院为虚拟对象,设计并实现了虚拟学习环境,提供实现学习角色在虚拟校园环境中的展示、行走、学习等功能。
用户可以以Web的形式,随意在该校园环境中漫游,进行虚拟学习。
关键词:
3dsMax;Virtools;虚拟学习环境;
1引言
虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)是一种由计算机全部或部分生成多种感觉环境,给参与者提供各种感官信息,使之产生身临其境的感觉,以便更好
地体验、接受和认识客观事物的技术,它可分为沉浸式和非沉浸式两种。
沉浸式
虚拟现实技术,是通过一些特殊的外部设备如头盔式立体显示器、空间位置传感器等输入输出设备来实现的。
但由于其价格昂贵,且一次只能供一人使用,因此很少在教学中得到推广和应用。
而非沉浸式虚拟现实技术,主要依赖软件技术来实现,即应用软件手段进行视觉、听觉等感觉的模拟,其特点是经济、方便,便于广大学习者使用,目前用于非沉浸式虚拟现实的软件有很多,如MutiGenVega/VegaPrime、OpenGL、DirectX、VRML、Virtools等。
其中,Virtools技术以其功能较全面、人机交互可视化强等优势得到了越来越广泛的研究和应用。
2虚拟现实技术与虚拟学习环境
2.1虚拟现实技术
虚拟现实(简称VR),又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。
他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、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术,模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能,使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中,并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互,创建了一种适人化的多维信息空间。
使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性,而且能够突破空间、时间以及其他客观限制,感受到真实世界中无法亲身经历的体验。
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VR技术具有超越现实的虚拟性。
虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机。
它的一个主要功能是生成虚拟境界的图形,故此又称为图形工作站。
目前在此领域应用最广泛的是SGI、SUN等生产厂商生产的专用工作站,但近来基于Intel奔腾Ⅲ(Ⅳ代)代芯片的和图形加速卡的微机图形工作站性能价格比优异,有可能异军突起。
图像显示设备是用于产生立体视觉效果的关键外设,目前常见的产品包括光阀眼镜、三维投影仪和头盔显示器等。
其中高档的头盔显示器在屏蔽现实世界的同时,提供高分辨率、大视场角的虚拟场景,并带有立体声耳机,可以使人产生强烈的浸没感。
其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能,包括数据手套、三维鼠标、运动跟踪器、力反馈装置、语音识别与合成系统等等。
虚拟现实技术的应用前景十分广阔。
它始于军事和航空航天领域的需求,但近年来,虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。
它正在改变着我们的生活。
虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义,把这两个词放在一起,似乎没有意义,但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。
虚拟现实的明确定义不太好说,按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法,虚拟现实,又称假想现实,意味着“用电子计算机合成的人工世界”。
从此可以清楚地看到,这个领域与计算机有着不可分离的密切关系,信息科学是合成虚拟现实的基本前提。
2.2虚拟学习环境
“环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。
”由此看来,环境总是针对某一特定主题或中心而言的,是一个相对的概念。
学习环境的主体是学习者,学习环境是指促进学习者发展的各种支持性条件的统合。
虚拟学习环境是由信息技术构建的、促进学习者发展的各种支持性条件的统合。
虚拟学习环境简称IVLEs,是网络环境和数字环境的结合。
即网络检索平台与数字图书馆相融合的产物。
它是在网络环境下,将读者的学习资源、教师的教学资源和科研资源与图书馆信息资源和服务资源融合在一起,供读者在一个平台上、一个在窗口下检索、一站式查询、一站式链接的数字化学习环境。
在虚拟学习环境这样的开放环境下其对教学的教育技术理论是具有促进作用的,其不但重视了理论联系实际,还刺激着学习角色的学习效果。
其优点也主要归结为以
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下几点:
(1)时间灵活,迅速、快捷获取材料
在开放环境下,学习者不但可以利用网络等各种平台快速查找案例、分析案例、整理案例,还可以随时在网络上查找到所需要的资料,激发学习者的学习兴趣和提高他们的学习动机。
(2)不受空间限制,能够获得最近和最远的学习资源
虚拟学习环境为学习者提供了资源平台,学生可以不受空间的限制,寻找到自己所需要的学习资源,从而促进了教学的教育技术理论。
(3)学习角色的参与性、自主性、灵活性强
虚拟学习环境本身没有什么授课时间的限制,任何学习者都可以自由的自我调整学习时间以及自我的参与度,在学习程度上自由度更大。
2.3虚拟现实开发工具
虚拟现实开发工具有很多,在本项目中所采用的虚拟现实开发工具主要有两个,分别是3dsmax和Virtools,其中3dsmax由于三维场景的建模,Virtools用于设计虚拟学习环境的交互,其编辑界面分别如图1、图2所示。
图1 3dsmax的编辑界面
3dsmax是美国Autodesk公司的电脑三维模型制作和渲染软件,该软件早期名为
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3DS,因为类似dos年代,需要记忆大量的命令,因而使用非常不便。
后来改为max,其图形化的操作界面,使用更为方便。
max历经3.0,4.0,5.0……现在发展到9.0以上版本,逐步完善了灯光、材质渲染、模型和动画制作。
广泛应用于建筑设计、三维动画、音视制作等各种静态、动态场景的模拟制作。
软件具有功能强大、扩展性好,操作简单、容易上手,和其它相关软件配合流畅等特点。
3dsmax是单文档应用程序,这意味着一次只能编辑一个场景。
但是可以打开3dsmax的多个副本并在每个副本中打开不同的场景。
由于打开多个3dsmax副本需要占用大量计算机内存,为了获得最佳性能,应该计划好一次只打开一个副本并只编辑一个场景。
在3dsmax软件中创建建筑三维场景的第一步就是建立建筑形体的三维模型,它在整个工作流程中非常重要,其后的灯光、材质等元素的添加,都是以三维模型为基础的,可以说建模是万丈高楼的地基。
为保证模型的精度和便于模型的导入,利用3dsmax建模时我们遵循了以下原则:
(1)各建筑物的长、宽、高数据应严格按照校园建筑平面图上标示数据和实测数据。
(2)模型的中心基点应与3DMax中场景的中心点一致。
(3)为减少数据量,模型应表现建筑的主体轮廓,尽量减少面数。
图2 Virtools的编辑界面
Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发的一款三维互动程序开发工具,Virtools是一套整合软件,可以将现有常用的档案格式整合在一起,如3D的模型、2D图形或是音效等。
Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件,可以制作出许多不同用途的3D产品,如网际网络、计算机
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游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。
目前的版本支持到Directx9.0c。
它除了自身的三维交互开发平台VirtoolsDev以外,还有5个可选模块,分别是网络服务器VirtoolsServer、物理属性模块PhysicsPack、人工智能模块AIPack、Xbox开发模块和沉浸式平台VRPack。
其主要有以下几方面特点:
(1)人机交互图形化用户界面
Virtools的用户创作界面是一个可视化、图形化的界面;是一个以可视化的编辑方式、流程图的思维模式,进行对象和脚本设计的用户界面,它使开发流程更加直观。
(2)便捷的网络传播
Virtools设计的作品除了可以编译成单机运行的可执行文件以外,最大的特色在于可保存为网页格式,形成的文件体积小、网络传输速率快、占用资源少,便于推广和传播。
(3)强劲的脚本语言—VSL(VirtoolsScriptingLanguage)
VSL是一个强大的脚本语言。
用户可以在Virtools的图形脚本编辑器中进行相应的脚本代码编写与运行,编辑器提供脚本关键字智能颜色显示功能、函数参数显示功能以及完整的调试功能。
除了用于脚本互动部分的撰写与运行,VSL还可以用于创作模式下的操作功能的扩展,提升Virtools本身开发环境的制作效能[2]。
(4)模块化的技术开发路线
Virtools可以利用拖放的方式,将系统内的BuildingBlocks(行为交互模块,以下简称BB)赋予在适当的object(对象)或是character(虚拟角色)上,并以流程图的方式,决定BB的前后处理顺序,从而实现可视化的交互脚本设计,并把许多功能不同的程序模块相互连接组成应用程序,再逐渐编辑成完整的交互式虚拟世界。
用户还可以利用现有的行为模块,再建立一个新的行为模块。
此新的行为模块可以另外独立储存成一个模块档案,以方便重复使用,实现了技术开发的模块化。
模块化的技术开发路线便于开发者进行制作任务的分配、优化项目制作流程,确保项目制作科学与实用。
(5)高效的协作平台
Virtools具有多重工作方式。
普通的开发者可以用鼠标拖放模块的方式,通过人机交互图形化用户界面,制作高品质图形效果和互动内容的作品。
高级开发用户可以
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利用SDK(SoftwareDevelopmentKit,软件开发工具包)和VSL,通过相应的API接口,创建自定义的交互行为脚本和应用程序。
以上5个特点确保了非技术性的设计人员和高端的程序员,聚集在Virtools作环境中,群策群力,为一个共同的制作任务进行工作协作。
3虚拟学习环境的三维建模
3.1校园三维场景的建立
工
校园三维场景的建立包括校园建筑物三维模型的创建、校园立体图建筑物模型材质设计、其它场景模型的创建。
3.1.1校园建筑物三维模型的创建
在3dsMAX中有很多种建模方式,包括:
旋转建模,loft放样建模,Boolean建模方法,细分建模,复制、堆积建模,依附建模,面片建模,NURBUS曲面建模,材质建模,组合建模等。
通常来讲,没有固定的建模方式,主要看使用者自己的使用习惯,也可以配合多种工具同时使用,每种建模方式也有自己的各自特点。
例如:
在建立学校比较复杂的建筑物的时候可以采用依附建模的方式,因为现在很多学校的建筑物都有各自的特色,不再是规规矩矩方方正正的盒子模式。
但在设置校园住宿区的时候一般是采用复制的方式进行。
建筑物立体模型,通常有三种建模方法,即多边形、面片及NURBS建模。
建筑物使用多边形建模最简便快捷,因此本次校园建筑物建模就采用此方法。
事实表明,使用多边形建模,能描述足够的细节,可以创建任何表面。
在AutoCAD格式的底图文件中,各建筑物的几何多边形已形成,所要做的只是将二维底图上的建筑物拉伸成具有一定高度的实体模型,即房屋的立体生成。
按一定比例进行拉伸,每增加一层楼,在图上增加相应的高度,对于楼层高的建筑可以参照Photoshop直尺估计调整每层的高度数据。
当然,立体模型建立以后还需要进一步修改,对于简单的建筑,一般都是在可编辑多边形中对顶点、边、边界、多边形、元素五个子对象层级进行编辑,例如多边形子对象层级的编辑就包括:
插入顶点、挤出、倒角、桥、沿样条线挤出、编辑三角剖分、重复三角算法等操作,它们在建筑建模中是经常用到的。
调整建筑的形状,而对于复杂的建筑,3dsmax软件提供了布尔运算、放样、图形合并等方法,例如,建筑物中众多窗户的制作,就是利用图形合并的功能,效果十分理想。
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3.1.2校园立体图建筑物模型材质设计
由于是建立校园的虚拟场景,限于其原本有的校园本貌,为了使校园环境更加逼真,所以在纹理和材质的处理上需要下更多的功夫。
在3dsMax中的贴图方式比较简单,这里就不做介绍,关键是纹理和材质的制作。
为了制作比较逼真的校园环境就需要进行大量的校园采景拍摄,由于在建设数字校园的过程中涉及到很多校园介绍的内容,所以在取景的时候除了原来的图片拍摄以外,还需要对校园进行摄像,包括对部分建筑物360度全景的拍摄。
在完成材质和贴图的准备以后,接下来就是对材质基本参数的设置,我们主要是通过“BasicParameters”参数卷展栏来完成,一般来讲,对于道路、草地、阶梯等对象采用基本材质,而对于建筑物和球场等就采用贴图。
建立模型之后的工作就是给模型赋予材质和贴图,在3dsmax中,基本材质赋予对象一种单一的颜色,基本材质和贴图与复合材质是不同的,3dsmax中有很多种贴图方法,最简单的是位图,本次设计就是采用该种方法,在三维校园图的制作中,位图是较为常用的一种二维贴图。
在三维场景制作中,大部分模型的表面贴图都需要与现实中的实体相吻合,而这一点通过其他程序贴图是很难实现的,也许通过程序贴图可以模拟出一些纹理,但这也与真实的纹理有一定差距。
所以,选择以数码相机拍摄手段获取的位图作为校园立体图对象的贴图,具体制作过程如下:
从实地拍摄的数码相片中选取合适角度的照片在Photoshop中进行拉伸扭曲,得到所需贴图单元,保存为jpg格式。
在3dsmax中,调用经过处理后的图片进行贴图,初步贴上的图在建筑物上是很不规则的,所以我们需要运用修改工具中的UVW贴图坐标。
在进行纹理映射前,需要对采集的照片进行处理,由于受拍照时间、角度、光线等影响,需要在贴图前对照片进行光亮度和色调的处理,同时由于取景时受拍摄角度的限制、树木等掺杂因素影响需要进行修复、裁剪等处理。
在调整色调时,可以使用Photoshop的“亮度P对比度”和“色彩平衡”对话框,在进行去除杂景处理时,用“仿制图章工具”进行处理,同时在拍摄大的建筑物时得到的图片常常带有一定的倾斜,需要进行拉伸变换处理,可以在Photoshop中依次选择“编辑”、“变形”然后再选择“自由变换”或者“斜切”等功能进行处理,从而达到良好的效果图。
基于上述理论,我们创建了江西科技师范学院校园内主要建筑物的三维模型,如图3和图4分别是江西科技师范学院的图书馆和体育馆的三维立体模型。
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图3 图书馆
图4 体育馆
3.1.3其它场景模型的创建
道路、草地等特殊地物是将纹理图片进行修饰,然后面对对象进行重复贴图得到。
建模过程中要确保纹理数据与面映射的正确性,避免出现纹理图案互相错位等现象,力求景观模拟效果的真实和美观。
下面以树木的创建过程为例加以说明。
3dsmax中树木的创建步骤:
(1)创建一个平面;
(2)在mentalray渲染器中采用建筑材质在特殊用途贴图展卷栏下的凸凹选项下,粘贴树的彩色位图,再在裁切选项下粘贴与彩色位图相应的的灰度位图(如图5所示);
(3)并将做好的树的材质赋予平面;
(4)渲染会得到一棵树的比较真实的模型,这样做既满足要求又会减少面数有利
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于后期的漫游需要少量面的要求。
图5 校园中树的彩色位图和灰度图
3.2校园三维模型导出
制作好三维模型以后,接下来就是将模型导入到Virtools中。
在将3dsmax模型导入Virtools中之前需要在3dsmax中安装程序3dsmaxExporter.exe文件,否则不能执行下面的命令。
由于在Virtools中默认用于存储角色和场景以及物体等信息的文件格式通常是.nmo,所以,在3dsmax中应首先将做好的文件以.nmo的格式输出。
再将.nmo格式文件导入好以后,就要添加实行交互的模块脚本,等我们将项目保存为可以编辑的工程文件以后,就可以在Virtools自带的程序开发包SDK下进行.exe文件的开发。
需要注意的是,由于3dsmax是以独有的拓扑结构来实现模型的建构的,所以在输出的时候,3dsmax所输出的模型直接是以三角面来进行输出的,不存在模型转换的问题。
在3dsmax中经常通过复制的方法来增加相同的物体。
而在复制的过程中,通常可以有三种复制的形式,即Copy(复制),In2stance(实例复制),Reference(参考复制)。
当用Instance形式复制物体的时候,在输出成1.nmo的过程中,编译器将自动把复制出的所有物体包括原物体输出成一个物体的状态信息进行存储,目的是因为用Instance形式复制出的物体保留了所有原来物体的状态信息,同时,原物体状态的改变将影响复制出的物体的状态,所以只通过一个物体就可以控制所有复制出的物体,这样减少了编译的时间,也解决了储存文件的大小问题。
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4虚拟学习环境的三维交互设计与实现
4.1利用Virtools提供的BB功能模块实现物体的识别
在Virtools中提供了几百个BB,可以被用户方便的拖拽调用。
而要实现物体识别功能主要需要用到的是众多模块中的2DPicking模块。
在操作流程上它可实现的功能是拾取鼠标所触及的object(对象)并返回其名称、拾取点的三维坐标以及该点的法向量。
4.2利用BB脚本实现虚拟学习角色的交互
利用BB脚本实现虚拟学习角色的交互的主要功能是完成虚拟学习角色的展示、行走、学习的功能。
它利用多个BB行为模块和多个VSL脚本控制模块,其中BB行为模块包括Virtools中常用的CharacterCon
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