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虛擬實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)覽系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2009-02-18 09:11
現(xiàn)代教育技術(shù) 2009年1期
關(guān)鍵詞:虛擬實(shí)驗(yàn)室

張 勇

【摘要】虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互、順暢瀏覽外,還應(yīng)具備場(chǎng)景內(nèi)空間對(duì)象的信息查詢功能。探討了采用 VRML 技術(shù)構(gòu)建綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)室的一般流程、空間對(duì)象的場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織、空間網(wǎng)格對(duì)場(chǎng)景的分割方法以及瀏覽時(shí)的場(chǎng)景分割與優(yōu)化。 以綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)室為例,實(shí)現(xiàn)了基于空間網(wǎng)格分割的信息雙向查詢,并給出了具體實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)室;導(dǎo)覽系統(tǒng);場(chǎng)景分割;信息查詢

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2009)01—0129—04

引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得 到了越來越多的應(yīng)用[1][2]。如何讓更多的學(xué)習(xí)者了解和應(yīng)用虛 擬實(shí)驗(yàn)室,已成為虛擬實(shí)驗(yàn)導(dǎo)覽系統(tǒng)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。為 了豐富和完善導(dǎo)覽系統(tǒng)的功能,我們開始了綜合虛擬實(shí)驗(yàn)室 實(shí)時(shí)導(dǎo)覽系統(tǒng)的研發(fā),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)導(dǎo)覽系 統(tǒng)原型。21 世紀(jì)信息最具代表性和發(fā)展前景的三種新技術(shù)是 多媒體、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí),而這種技術(shù)的交叉點(diǎn)是虛擬現(xiàn)實(shí) 建模語言 VRML(VirtualRealityModelingLanguage)[3]。 VRML 是第二代 Web 上的關(guān)鍵技術(shù),是一種三維場(chǎng)景的描述 性語言,也是在 Internet 網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)。其 基本原理是用文本信息描述三維場(chǎng)景,在 Internet 網(wǎng)上傳輸, 經(jīng)由本地機(jī)上的 VRML 瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景,解釋生成 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即是 VRML 規(guī)范。正是這種思想,使得在 Internet 上通過傳輸很少的數(shù)據(jù)就可瀏覽三維虛擬場(chǎng)景成為可能[4]。

可交互的實(shí)時(shí)瀏覽和信息查詢是虛擬導(dǎo)覽系統(tǒng)的基本功 能。縱觀現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)覽系統(tǒng),雖然不乏優(yōu)秀的范例, 但均不同程度的存在著瀏覽的順暢性及導(dǎo)覽功能不強(qiáng)等問 題,特別是場(chǎng)景中空間對(duì)象的信息雙向查詢功能,未能引起 足夠的關(guān)注和重視?;诙S電子地圖的信息查詢雖然也能 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽功能,但距人們所期望的自然、習(xí)慣的查詢方式尚 有差距。一個(gè)綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包含眾多的對(duì)象,如何有 序地組織場(chǎng)景對(duì)象的空間數(shù)據(jù)?如何在保證繪制真實(shí)的前提 下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)順暢瀏覽?如何實(shí)現(xiàn)空間對(duì)象的信息雙向查詢? 本文以綜合型實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)覽系統(tǒng)為范本,重點(diǎn)探討中大型虛 擬場(chǎng)景的空間網(wǎng)格分割、場(chǎng)景調(diào)度以及信息雙向查詢等問題。

一 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和開發(fā)綜合型實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)覽系統(tǒng),需要完成場(chǎng)景建模、場(chǎng)景優(yōu)化、場(chǎng)景及對(duì)象的交互設(shè)置,以及場(chǎng)景的網(wǎng)上發(fā)布,可以借助 AutoCAD、3DS Max、VRML 等開發(fā)工具和技術(shù)來 完成。開發(fā)流程如圖 1 所示。其中,開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是場(chǎng)景 網(wǎng)格分割、場(chǎng)景數(shù)據(jù)的空間組織、交互式空間屬性信息查詢 以及瀏覽時(shí)的場(chǎng)景調(diào)度。

二 場(chǎng)景組織與分割

對(duì)于大中型的虛擬場(chǎng)景,若用單個(gè) VRML 文件來組織, 則將導(dǎo)致文件量偏大,易造成下載時(shí)間冗長(zhǎng),解釋繪制、漫 游、交互及信息查詢比較困難。在具體的創(chuàng)建過程中,可采 用編組節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建嵌套層次、按實(shí)際空間關(guān)系組織 VRML 文件、 使用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)及創(chuàng)建嵌套內(nèi)聯(lián)等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景 VRML 文件 的有序及合理組織以加速繪制;采用代碼重用(DEF/ USE)、 原型(PROTO)封裝以及 LOD 技術(shù)以減少文件量。

為了便于瀏覽時(shí)的場(chǎng)景調(diào)度、減少信息查詢時(shí)的計(jì)算復(fù) 雜度,采用空間網(wǎng)格的方法,即將場(chǎng)景分割為 M×N 的空間 網(wǎng)格,每個(gè)空間網(wǎng)格的大小為:X 方向,50 個(gè) VRML 單位; Z 方向,20 個(gè) VRML 單位;Y 方向則與攝像機(jī)的 Y 方向高度 相同。采用相同大小的空間網(wǎng)格來劃分場(chǎng)景,優(yōu)點(diǎn)是能保證 瀏覽器每次調(diào)入和退出的場(chǎng)景區(qū)域大小相同。缺陷是空間網(wǎng)格的文件量大小不完全一樣,因?yàn)槊總€(gè)空間網(wǎng)格所包含的對(duì) 象數(shù)量及復(fù)雜度不同。

三 虛擬實(shí)驗(yàn)室的空間數(shù)據(jù)庫組織

綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)規(guī)模較大的三維場(chǎng)景,導(dǎo)覽系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),旨在為用戶提供可交互的、實(shí)時(shí)的場(chǎng)景漫游, 以及對(duì)各個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息查詢,目的是通過網(wǎng)絡(luò)展 示和宣傳實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成就和整體風(fēng)貌(本文以浙江師范大 學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心為例)??紤]到真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)中心的 實(shí)際情況,對(duì)實(shí)驗(yàn)中心內(nèi)的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行建模,包括實(shí)驗(yàn)大 樓的外觀及內(nèi)部的走廊、門窗,以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、多媒體教室、演播廳等等。通過對(duì)這些對(duì)象 的建模構(gòu)建出虛擬實(shí)驗(yàn)室的框架。

為了便于場(chǎng)景數(shù)據(jù)的調(diào)用及減少查詢計(jì)算時(shí)的遍歷次 數(shù),虛擬實(shí)驗(yàn)室空間數(shù)據(jù)庫的邏輯組織結(jié)構(gòu)通常根據(jù)場(chǎng)景 對(duì)象的實(shí)際空間關(guān)系來組織。圖 2 為虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的邏 輯框圖,也是空間數(shù)據(jù)庫的邏輯組織框圖。圖中有幾點(diǎn)須 加以說明:

(1) 虛擬實(shí)驗(yàn)室主場(chǎng)景是指進(jìn)入實(shí)驗(yàn)大樓門廳的場(chǎng)景, 也是整個(gè)瀏覽的初始場(chǎng)景。

(2) 特效(Effect)是指場(chǎng)景中的 Sound節(jié)點(diǎn)、Light 節(jié)點(diǎn)、Fog 節(jié)點(diǎn)等;感知器(Sensor)是指因場(chǎng)景交互需要, 設(shè)計(jì)時(shí)安排 在場(chǎng)景中的 TouchSensor 、 CylinderSensor 、 TimeSensor 、 PositionInterpolator 、 ProximitySensor 以及 VisibilitySensor 等節(jié)點(diǎn)。這些特效和感知器用于豐富場(chǎng)景的表 現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的交互設(shè)定,它們與場(chǎng)景中由 Group 或 Transform 節(jié)點(diǎn)組織起來的每個(gè)樓層(包括走廊及門窗)造型、單個(gè)實(shí) 驗(yàn)室造型,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、座椅、相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等等, 共同構(gòu)成了一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。

(3) “支持實(shí)驗(yàn)室對(duì)象的底層信息”是指與各個(gè)實(shí)驗(yàn) 室對(duì)應(yīng)的屬性信息。這些信息包括實(shí)驗(yàn)室名稱、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé) 人、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、服務(wù)對(duì)象等等。

空間數(shù)據(jù)庫的兩個(gè)重要特征是拓?fù)潢P(guān)系和復(fù)雜對(duì)象,而拓?fù)潢P(guān)系和復(fù)雜對(duì)象的表達(dá)要求層次結(jié)構(gòu)和對(duì)象嵌套,并且涉及一對(duì)多的關(guān)系。如,VRML 中用于創(chuàng)建三維對(duì)象的造型 Shape 節(jié)點(diǎn)、Group 節(jié)點(diǎn)、Transform 節(jié)點(diǎn)等等。這種一對(duì)多 的對(duì)象嵌套關(guān)系,顯然不能用關(guān)系數(shù)據(jù)模型直接表達(dá),因?yàn)橛藐P(guān)系方法處理空間數(shù)據(jù)效率是不高的。目前,大部分商用 的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都將空間數(shù)據(jù)直接用文件方式表達(dá)和管理。 我們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用開發(fā)中也采用這一方法。

四 空間對(duì)象的信息雙向查詢

在本系統(tǒng)中,我們將顯示于虛擬世界中的每一個(gè)實(shí)體都 看作對(duì)象,一個(gè)復(fù)雜的實(shí)體對(duì)象可抽象地分解為若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn) 單對(duì)象,換言之,若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)體對(duì)象能組合成為一個(gè) 更高層次的復(fù)雜對(duì)象,每一個(gè)對(duì)象都有其自身的性質(zhì)和相對(duì)應(yīng) 的功能,以及區(qū)別于其他對(duì)象的標(biāo)識(shí)(OID)。這樣,系統(tǒng)在進(jìn) 行查詢時(shí),根據(jù)用戶所提出的查詢條件,通過 OID 搜索管理器 搜索滿足條件的對(duì)象的 OID。一旦獲得了某個(gè)復(fù)雜對(duì)象的 OID, 就等于得到了與此對(duì)象相對(duì)應(yīng)實(shí)體的全部信息。

1三維對(duì)象的捕捉

利用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)空間實(shí)體對(duì)象進(jìn)行三維模型重建,經(jīng)過幾何、投影變換、確定光照模型、紋理映射等一系 列步驟后,即可實(shí)現(xiàn)三維透視圖的顯示。三維對(duì)象的捕捉是 在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)施的,而計(jì)算機(jī)屏幕是二維的,在二維計(jì) 算機(jī)屏幕上點(diǎn)選圖形,選取對(duì)應(yīng)的空間實(shí)體對(duì)象,則是三維 圖形顯示的逆過程。要在三維透視圖上捕捉空間對(duì)象,首先 要根據(jù)投影變換的原理解算鼠標(biāo)所選取的屏幕點(diǎn)所對(duì)應(yīng)空間 點(diǎn)的空間坐標(biāo),其實(shí)質(zhì)就是透視投影成像的逆過程。即從該 屏幕像點(diǎn)出發(fā),逆向投影光線得出對(duì)象點(diǎn)(第一個(gè)交點(diǎn))的空間 位置坐標(biāo)[5]。

根據(jù)計(jì)算機(jī)三維圖形學(xué)的知識(shí),某—空間對(duì)象點(diǎn) P(X, Y, Z)經(jīng)過幾何和投影變換后顯示在計(jì)算機(jī)二維屏幕上所對(duì)應(yīng)的 平面點(diǎn) p′(x,y)除了具有平面坐標(biāo)(x,y),還包含一個(gè)重 要的信息,那就是深度值 z_buffer,所以平面點(diǎn)應(yīng)表示為 p′(x, y,z_buffer)。只要我們獲取平面點(diǎn)的 z_buffer 值和圖形顯示時(shí) 的幾何和投影變換逆矩陣,就可通過逆矩陣的作用,根據(jù)計(jì)算 機(jī)屏幕坐標(biāo)系上鼠標(biāo)點(diǎn)擊處的二維坐標(biāo) p′(x,y,z_buffer), 求出對(duì)應(yīng)的三維空間坐標(biāo) P(X, Y, Z)[6]。

2建立網(wǎng)格索引表

在三維場(chǎng)景中進(jìn)行信息的查詢和分析,需在交互方式下,利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要揀取的對(duì)象,根據(jù)三維透視投影變換關(guān)系, 將鼠標(biāo)的屏幕坐標(biāo)解算為空間坐標(biāo),從而根據(jù)坐標(biāo)匹配揀取 出所要查詢的對(duì)象。在場(chǎng)景比較大、場(chǎng)景中數(shù)據(jù)較多時(shí),如 果遍歷數(shù)據(jù)庫中所有對(duì)象數(shù)據(jù)以揀取所要查詢的對(duì)象,則將 耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,減慢信息查詢的速度。因而查詢系統(tǒng)需建立 場(chǎng)景的索引表,以提高對(duì)象檢索速度。在此將整個(gè)場(chǎng)景劃分 為一個(gè) m 行 n 列的矩形格網(wǎng),每一格網(wǎng)對(duì)應(yīng)著區(qū)域檢索表的 一行(如圖 3 所示)。

因?yàn)槊恳桓窬W(wǎng)所包含的場(chǎng)景對(duì)象的個(gè)數(shù)是不確定的,如果區(qū)域索引表的每一行長(zhǎng)度是固定的,則每一行設(shè)置長(zhǎng)度過 長(zhǎng),必然有大量的單元空置無用,造成內(nèi)存空間的浪費(fèi);如 果設(shè)置長(zhǎng)度過短,當(dāng)一個(gè)格網(wǎng)區(qū)域中的場(chǎng)景對(duì)象較多時(shí)就容 納不下。

分配 m×n 個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng) m 行 n列格網(wǎng),每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)該格網(wǎng)內(nèi)的第一個(gè)對(duì)象的指針, 而在系統(tǒng)讀取其他對(duì)象的數(shù)據(jù)時(shí),除了為每個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)分配 存儲(chǔ)空間,同時(shí)為該對(duì)象設(shè)置一個(gè)后向指針,該指針指向同 一格網(wǎng)內(nèi)的下—個(gè)對(duì)象,從而將一個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的所有場(chǎng)景對(duì)象 按指針鏈接起來。

在建立起場(chǎng)景對(duì)象數(shù)據(jù)的區(qū)域索引表后,如果要查詢某 個(gè)對(duì)象的信息,只需在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)搜索該對(duì)象,避免了遍 歷整個(gè)場(chǎng)景對(duì)象數(shù)據(jù)而造成的時(shí)間損耗。當(dāng)然,索引表的建 立也消耗了一定的存儲(chǔ)空間,另外區(qū)域格網(wǎng)大小的劃分要根 據(jù)場(chǎng)景對(duì)象數(shù)據(jù)的具體情況而定。如果每個(gè)格網(wǎng)區(qū)域劃分過 大,則失去建立索引表的優(yōu)越性;如果每個(gè)格網(wǎng)區(qū)域劃分過 小,又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大對(duì)象占據(jù)過多格網(wǎng)區(qū)域的情況,造成 存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。這里以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室作為網(wǎng)格的劃分依據(jù)。

3確立空間對(duì)象外接盒

一個(gè)復(fù)雜空間對(duì)象通常是由若干簡(jiǎn)單空間對(duì)象所構(gòu)成,每個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的空間對(duì)象又是由若干三角面構(gòu)成的,每個(gè)三 角面包含三個(gè)頂點(diǎn)。如果要選取場(chǎng)景中的空間對(duì)象,一般是 根據(jù)鼠標(biāo)點(diǎn)選的坐標(biāo)與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)分塊區(qū)域所有空間對(duì)象 的坐標(biāo)進(jìn)行匹配;如果鼠標(biāo)點(diǎn)選的坐標(biāo)包含于某一空間對(duì)象 的坐標(biāo)點(diǎn)集,則認(rèn)為選中的是該空間對(duì)象。

由于復(fù)雜的空間對(duì)象是由相當(dāng)多的三角面構(gòu)成,因而構(gòu) 成它的頂點(diǎn)是非常多的,如果將每個(gè)空間對(duì)象的所有頂點(diǎn)都 與鼠標(biāo)點(diǎn)擊坐標(biāo)進(jìn)行匹配,這會(huì)造成過多的計(jì)算量,從而影 響對(duì)象選取和信息查詢的速度。為此,我們?yōu)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì) 象建立空間外接盒(如圖 4 所示),這種外接盒設(shè)計(jì)為一個(gè)長(zhǎng) 方體,各個(gè)面與實(shí)驗(yàn)室的相應(yīng)各面相切。在選取空間對(duì)象時(shí), 只需判斷鼠標(biāo)點(diǎn)選的坐標(biāo)是否位于實(shí)驗(yàn)室對(duì)象的空間外接盒 內(nèi),從而決定是否選中對(duì)象。

4屬性數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的查詢

在完成場(chǎng)景分割和空間外接盒等工作后,就可實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的查詢了。首先,給出一定的查詢條件,通 過 SQL查詢操作在屬性數(shù)據(jù)庫記錄中搜索出滿足條件的記 錄,然后通過 OID 與空間數(shù)據(jù)庫中的空間對(duì)象關(guān)聯(lián),以一定 的與其他對(duì)象相區(qū)別的顯示方式將這些滿足條件的對(duì)象顯 示。查詢流程如圖 5 所示。

5空間數(shù)據(jù)向?qū)傩詳?shù)據(jù)的查詢

用戶通過鼠標(biāo)等交互工具選取三維場(chǎng)景中的實(shí)體對(duì)象,通過 ODBC 引擎搜索空間數(shù)據(jù)庫,提取所選擇對(duì)象的 OID,然后 根據(jù) OID 查找屬性庫中該對(duì)象的屬性記錄,并將該記錄輸出顯 示,使用戶獲得所感興趣的信息。查詢流程如圖 6 所示。

五 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

根據(jù)上述討論的相關(guān)技術(shù)及方法,實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室三 維場(chǎng)景中對(duì)目標(biāo)對(duì)象的實(shí)時(shí)信息雙向查詢。具體如下:

1由屬性信息查詢空間位置

在查詢輸入框中選擇實(shí)驗(yàn)室名稱,如圖 7 所示。

單擊“查詢”確認(rèn)后,系統(tǒng)根據(jù)屬性信息用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)(Inline)調(diào)出查詢結(jié)果,界面就被切換到被查詢實(shí)驗(yàn)室的內(nèi) 景,給出如圖 8 所示的場(chǎng)景顯示。

2由空間位置查詢屬性信息

當(dāng)鼠標(biāo)落在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室所在區(qū)域并單擊右鍵時(shí),實(shí)驗(yàn)室的屬性信息,如實(shí)驗(yàn)室名稱、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、實(shí)驗(yàn)項(xiàng) 目、服務(wù)對(duì)象等,將在彈出的對(duì)話框中顯示,如圖 9 所示。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部瀏覽,只要單擊門上的任意位置,門打開后即可進(jìn)入室內(nèi)瀏覽。

六 結(jié)束語

真三維的圖形顯示能給用戶的感觀帶來全新的體驗(yàn)。我 們所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)覽系統(tǒng),除了實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的前進(jìn)、后 退、左右水平旋轉(zhuǎn)、仰視、俯視,以及背景音樂開關(guān)控制等 漫游的基本功能外,還實(shí)現(xiàn)了屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)之間的雙 向查詢,使得導(dǎo)覽系統(tǒng)具有更好的交互性和友善性,也使得 虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用變得更加簡(jiǎn)單、直觀和方便。下一步的工 作,將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步改善瀏覽的順暢性問題, 使綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)室更好地為廣大師生和不同層次的學(xué)習(xí)者 服務(wù)。筆者所采用的設(shè)計(jì)和開發(fā)方法,希望能為同類實(shí)驗(yàn)室 和學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)提供一種新的思路和啟迪,籍此共同促進(jìn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

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