郝 偉，曹代勇，應(yīng) 璽

1.防災(zāi)科技學(xué)院 災(zāi)害信息工程系，河北 三河 065201；

2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.云南國土資源職業(yè)學(xué)院 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查系，云南 昆明 650217

基于Virtools的虛擬地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

郝 偉1,2，曹代勇2，應(yīng) 璽3

1.防災(zāi)科技學(xué)院 災(zāi)害信息工程系，河北 三河 065201；

2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京）煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.云南國土資源職業(yè)學(xué)院 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查系，云南 昆明 650217

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)是地學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)地質(zhì)知識(shí)和掌握野外地質(zhì)實(shí)踐技能的一個(gè)必要的教學(xué)環(huán)節(jié)。本文在對(duì)體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬平臺(tái)建設(shè)研究的基礎(chǔ)上，從教與學(xué)、理論與實(shí)踐的角度出發(fā)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)圖形等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于Virtools的虛擬地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)系統(tǒng)，使學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中能夠更直觀了解和掌握地質(zhì)知識(shí)。

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)；地質(zhì)教學(xué)；虛擬技術(shù)；Virtools

地質(zhì)教育在教學(xué)內(nèi)容上具有空間尺度的廣泛性與微觀性、時(shí)間尺度的漫長性與瞬間性、地球系統(tǒng)的整體性與分異性、自然過程的復(fù)雜性與有序性等特點(diǎn)，最顯著的是實(shí)踐性強(qiáng)[1]。因此，在教學(xué)過程中，需要學(xué)生進(jìn)行大量觀察，從而進(jìn)行歸納、分析，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。

本文在對(duì)體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬平臺(tái)建設(shè)研究的基礎(chǔ)上[2]，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于Virtools的體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬平臺(tái)系統(tǒng)，通過三維技術(shù)將地質(zhì)資料形象的進(jìn)行展示，提高學(xué)生的地質(zhì)空間概念、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)地質(zhì)演化過程的理解，是課堂教學(xué)的有利補(bǔ)充。

一、相關(guān)技術(shù)分析

1.虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，其關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

(1）環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容，需要根據(jù)應(yīng)用的需要利用獲取三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(shù)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提供數(shù)據(jù)獲取的效率。

(2）實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，圖形的刷新率最好高于30幀/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的主要研究內(nèi)容。

(3）立體顯示和傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的需求。例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中常用到的交互工具—數(shù)據(jù)手套。它設(shè)有彎曲傳感器，通過導(dǎo)線連接至信號(hào)處理電路，可以把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。但是，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。

(4）交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鍵盤和鼠標(biāo)的傳統(tǒng)模式，三維交互技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要研究課題。此外，語音識(shí)別與語音輸入技術(shù)也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種重要人機(jī)交互手段。

(5）系統(tǒng)集成技術(shù)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、識(shí)別和合成技術(shù)等等。

2.幾何建模

幾何建模描述了虛擬環(huán)境的三維造型(多邊形、三角形和頂點(diǎn)）及其外觀(紋理、表面反射系數(shù)、顏色等），是開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)過程中最基本、最重要的工作之一，主要分為自動(dòng)的幾何建模方法和人工的幾何建模方法。自動(dòng)的幾何建模方法主要是采用三維掃描儀來完成物體的三維建模；人工的幾何建模方法是人工利用三維建模軟件完成物體的建模過程。

目前，地質(zhì)的三維建模通常是采用人工的幾何建模方法建立地質(zhì)面/體。常用的三維面模型包括網(wǎng)格模型、三角網(wǎng)模型、邊界表示模型等，這些模型所模擬的面可能是封閉的，也可能是非封閉的，可以很好地描述地形的表面、地質(zhì)界面、礦體外殼等[3]。

3.三維景觀發(fā)布技術(shù)

目前，三維景觀發(fā)布的工具很多。具有代表性的包括 OpenGVS、ViewPoint、Virtools、VRML 等。雖然每種工具的使用方法不盡相同，但是，在很多行業(yè)都提出了相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

(1）VRML(Virtual Reality Modeling Language）是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種建模語言，是互聯(lián)網(wǎng)以HTML形式頒布第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC14772）。這種語言能通過網(wǎng)絡(luò)建立一種虛擬環(huán)境，使人們與其進(jìn)行交互。VRML不是一種編程語言，它同HTML一樣，是用來描述三維圖形世界及進(jìn)行交互的文本格式標(biāo)準(zhǔn)。VRML的文件執(zhí)行步驟如圖1所示[5]。

圖1 VRML文件執(zhí)行步驟

VRML主要包括三維造型和交互兩大部分。通過定義節(jié)點(diǎn)構(gòu)造三維場景圖、描述物體間的作用及交互控制三維場景中的物體對(duì)象。但是，用于解釋VRML文件的瀏覽器需要用獨(dú)立型瀏覽器或使用相應(yīng)的插件。在用戶使用時(shí)，還是存在一定的局限性。

(2）OpenGVS[6-7]是Quantum 3D公司的產(chǎn)品，用于場景圖形的視景仿真的實(shí)時(shí)開發(fā)。它封裝了繁雜的底層圖形驅(qū)動(dòng)函數(shù)，保持了良好的性能，是一個(gè)基于OpenGL的用于實(shí)時(shí)場景瀏覽的視景管理軟件。

OpenGVS包含了一組高層次的、面向?qū)ο蟮腃++應(yīng)用程序接口，它們直接構(gòu)架于世界領(lǐng)先的三維圖形引擎上。開發(fā)者只需用少量代碼就可以快速生成高質(zhì)量的3D應(yīng)用軟件。OpenGVS的API分為相機(jī)、通道、煙霧、幀緩沖、幾何、特效等各種資源，開發(fā)者可以按照應(yīng)用的需要調(diào)用這些資源來驅(qū)動(dòng)硬件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)所需的圖形和效果。

總的來說，OpenGVS具有基于面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)環(huán)境，支持多種數(shù)據(jù)格式，如OpenFlight, 3DS和Terrapage等；支持OpenGL, Microsoft Direct3D, 3dfx,Glide等繪圖的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是就其開發(fā)過程來講，仍然是基于文本代碼的開發(fā)方式，其優(yōu)秀的函數(shù)庫使其開發(fā)效率提高不少，但是開發(fā)過程不直觀、不形象，對(duì)三維數(shù)據(jù)模型的操作也需要靠代碼來進(jìn)行，過程十分繁瑣，效率還是不夠高。除此之外，OpenGVS的網(wǎng)絡(luò)功能要弱一些，但是通過VC++的兼容性可以使其大大增強(qiáng)，只是實(shí)現(xiàn)起來不如Virtools容易。

(3）Virtools是由法國全球交互三維開發(fā)解決方案VIRTOOLS公司所開發(fā)，其三維引擎已經(jīng)成為微軟XBox認(rèn)可系統(tǒng)。其特點(diǎn)是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣。它除了自身的3D/VR開發(fā)平臺(tái)Virtools Dev以外，還有5個(gè)可選模塊，分別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊、物理屬性模塊、人工智能模塊、Xbox開發(fā)模塊和沉浸式平臺(tái)[8]?；赩irtools引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)作品開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 Virtools開發(fā)流程構(gòu)架圖

Virtools提供了許多功能模塊，可以直接以拖拽的方式來應(yīng)用，使用方便、快捷。除此之外，Virtools Dev可用于二維對(duì)象(圖像）、文字、三維對(duì)象及聲音，其中的三維對(duì)象資源可由3D studio Max等3D軟件制作導(dǎo)入，縮短了軟件的開發(fā)周期；并且Virtools Dev設(shè)計(jì)的作品可保存為網(wǎng)頁格式，形成的文件體積小，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快，占用資源少。

二、體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬實(shí)習(xí)基地的實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)的分析，結(jié)合Virtools開發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)，制訂其開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬實(shí)習(xí)基地開發(fā)流程

1.3D模型的建立

目前主流的三維建模軟件，如3DMax中，可以進(jìn)行場景和物體的建模、貼圖以及渲染。其中Virtools軟件為3DMax提供了插件，可以用來導(dǎo)出專用的文件格式。因此，將在Surfer軟件中網(wǎng)格化的文件導(dǎo)入3D Max中，進(jìn)行三維建模及貼圖。

在本系統(tǒng)中，選擇的秦皇島柳江盆地作為我們的實(shí)驗(yàn)區(qū)，該地區(qū)的網(wǎng)格化地質(zhì)三維模型如圖4所示。

圖4 柳江盆地石門寨西門—瓦家山地質(zhì)三維模型網(wǎng)格圖

2.模型的紋理映射

紋理映射主要是用來生成物體的表面細(xì)節(jié)，增加模型表面細(xì)節(jié)及真實(shí)感，同時(shí)，也可以減少環(huán)境模型的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示速度。制作紋理映射的過程如圖5所示。

圖5 制作紋理映射的流程圖

在本系統(tǒng)中，主要是將該技術(shù)用于某一具體剖面的模型渲染。圖6就是利用Photoshop處理的野外數(shù)字圖片，根據(jù)相應(yīng)的映射關(guān)系將處理后的數(shù)字圖片貼于模型表面。

圖6 制作的部分映射紋理圖片

3.模型的優(yōu)化

對(duì)于體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬實(shí)習(xí)基地來說，該系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬場景，因此，它與傳統(tǒng)的三維圖像模型的要求相反。模型的數(shù)據(jù)量會(huì)制約著虛擬場景的運(yùn)行效果，在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件條件下和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，過于復(fù)雜的模型會(huì)延長服務(wù)器到客戶端的傳輸時(shí)間，從而增加客戶端的負(fù)擔(dān)，很難得到平滑的運(yùn)行效果。所以，虛擬場景要求場景模型面的數(shù)量要盡可能降低到最小。在3DMax中，可以利用模型優(yōu)化器，在保證模型基本形狀不發(fā)生改變的前提下，改變模型的面數(shù)。優(yōu)化前后的模型如圖7和圖8所示。

圖7 柳江盆地地質(zhì)三維模型優(yōu)化前

圖8 柳江盆地地質(zhì)三維模型優(yōu)化后

4.模型的發(fā)布

在3DMax中經(jīng)過渲染、優(yōu)化的三維模型保存為NMO格式的文件。在Virtools Dev中將該文件導(dǎo)入，并在Virtools Server Controller中對(duì)Virtools Server進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)三維模型的發(fā)布。其效果如圖9所示。

圖9 三維模型建立后的發(fā)布效果圖

三、結(jié)語

根據(jù)地質(zhì)教學(xué)的特點(diǎn)和實(shí)際需求分析，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形等方法，建立了基于Virtools的虛擬地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立為教學(xué)、科學(xué)研究、科普教育提供了現(xiàn)代化的實(shí)踐環(huán)節(jié)，是常規(guī)教學(xué)手段的有益補(bǔ)充，提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，為教學(xué)資源的進(jìn)一步整合打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 曹代勇，鄭志紅，魏迎春.“地球科學(xué)概論”輔助教學(xué)圖片庫系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國地質(zhì)教育，2009，(1):136-139.

[2] 曹代勇，郝偉，應(yīng)璽.體驗(yàn)式地質(zhì)教學(xué)虛擬平臺(tái)建設(shè)研究 [J].中國地質(zhì)教育，2007，(4):92-95.

[3] 鄧飛.剖面三維地質(zhì)建模與高斯射線束正演的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都理工大學(xué)，2007.

[4] 但蕾，馮允成，邢錦江.虛擬現(xiàn)實(shí)軟件工程研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2004，(5):26-29.

[5] 陳國軍，葉飛躍，楊黎明.三維圖形生成支撐環(huán)境綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2001，(5):1-3.

[6] 鄭長偉，劉高攀，郭齊勝.基于OpenGVS 4.3的光照效果研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(7):198.

[7] 邢衛(wèi)衛(wèi)，李鳳霞，戰(zhàn)守義.基于OpenGVS的城區(qū)漫游系統(tǒng)的開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25(3):727-728.

[8] 劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典Virtools開發(fā)工具篇[M].成都:四川電子音像出版中心，2005.

Virtual Geological Cognition Practice Based on Virtools

HAO-Wei1,2, CAO Dai-yong2, YING-Xi3
1.Institute of Disaster-Prevention Science and Technology, Sanhe 065201, China;
2.China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;
3.Yunnan State Land Resources Vocational College, Kunming 650217, China

Geological practice is a necessary teaching for students who study geological knowledge and master the practice skill of field geology.Based on the virtual reality technology platform of experience-type geological science teaching, the virtual geological cognition practice is implemented, in which the view of teaching and learning, theory and practice is used, also, the virtual technology and computer graphics are used.Students can be more intuitive to understand and grasp the geological knowledge in teaching practice.

field geological practice; geological science teaching; virtual technology; Virtools

G642

A

1006-9372 (2011）02-0051-04

2011-02-20；

2011-04-12。

郝 偉，女，講師，主要從事資源信息系統(tǒng)的研究工作。