楊政安

摘要：隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注VR產(chǎn)業(yè)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少企業(yè)和機(jī)構(gòu)推出了相應(yīng)的產(chǎn)品和平臺(tái)，如Oculus、HTC vive等。然而這些平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題，比如交互方式單一、內(nèi)容不夠豐富以及缺乏真實(shí)感等。因此，如何提高VR體驗(yàn)效果成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)森林公安“一標(biāo)三實(shí)”數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建一個(gè)具有高度沉浸感和逼真性的虛擬環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；沉浸式；虛擬現(xiàn)實(shí)；可視化；展示系統(tǒng)

一、前言

隨著VR、AR等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于視覺效果和交互體驗(yàn)要求越來越高。傳統(tǒng)的二維平面展示方式已經(jīng)無法滿足用戶日益增長(zhǎng)的需求，如何提高觀感度成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。而通過構(gòu)建一個(gè)具有高度真實(shí)性與互動(dòng)性的三維場(chǎng)景，可以使用戶更加身臨其境地感受到所需信息，從而增強(qiáng)其對(duì)產(chǎn)品或服務(wù)的認(rèn)知能力。因此，將以沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合森林公安“一標(biāo)三實(shí)”的大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行可視化展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，旨在提供一種全新的多維感官體驗(yàn)，進(jìn)一步提升用戶的滿意度。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

（一）內(nèi)涵

Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維環(huán)境，用戶通過頭盔、眼鏡等傳感設(shè)備與之進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。在VR中，用戶可以完全置身于一個(gè)虛擬的空間內(nèi)，感受到其中的一切事物，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺等多個(gè)方面。 VR技術(shù)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分通常指顯示器、控制器、手柄等輸入設(shè)備；而軟件則涵蓋了場(chǎng)景構(gòu)建、模型制作、人機(jī)交互以及實(shí)時(shí)渲染等內(nèi)容[1]。目前主流的VR硬件有HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR等，這些設(shè)備能夠提供高質(zhì)量的圖像、聲音、震動(dòng)等多種感知信息，為用戶帶來更加真實(shí)的感官體驗(yàn)。同時(shí)，一些專業(yè)的開發(fā)工具也被廣泛應(yīng)用于VR領(lǐng)域，如Unity3D、虛幻引擎等，它們可以幫助開發(fā)者快速搭建出具有復(fù)雜邏輯關(guān)系的游戲或其他娛樂項(xiàng)目。VR技術(shù)已經(jīng)得到越來越多人的認(rèn)可和喜愛，并且逐漸成為未來發(fā)展的趨勢(shì)之一，隨著5G時(shí)代的到來，VR技術(shù)將會(huì)迎來更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言

VRML是一種用于描述三維模型和場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界中物體、行為和事件的仿真。在VRML中，所有的元素都被表示為節(jié)點(diǎn)和邊，通過這些節(jié)點(diǎn)和邊來構(gòu)建整個(gè)場(chǎng)景。VRML提供了豐富的API接口，使得開發(fā)者能夠方便地創(chuàng)建各種類型的虛擬環(huán)境。同時(shí)，VRML也支持多種不同的視點(diǎn)布局方式，包括第一人稱視角、第三人稱視角以及上帝視角等。 Unity3D引擎作為目前最流行的游戲引擎之一，其強(qiáng)大的物理模擬能力得到廣泛應(yīng)用。Unity3D具有高度可定制性和靈活性，可以快速搭建出復(fù)雜的虛擬場(chǎng)景并進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，如圖1。

此外，Unity3D還擁有完善的資源管理機(jī)制，可以有效提高場(chǎng)景渲染效率和用戶體驗(yàn)。因此，我們采用Unity3D作為主要的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)展示平臺(tái)

VRP是一種用于管理和控制VR內(nèi)容的工具，它可以幫助用戶更好地了解VR環(huán)境中的元素以及如何與之交互。目前主流的VRP有Oculus Studio、HTC Vive等。其中，Oculus Studio是最為流行的VR開發(fā)工具之一，其主要功能包括場(chǎng)景構(gòu)建、模型制作、材質(zhì)設(shè)置、燈光調(diào)節(jié)、攝像機(jī)跟蹤等。在VRP中，用戶通過手柄或者語(yǔ)音指令來對(duì)VR環(huán)境進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)身臨其境的感覺。 除了VRP之外，還存在一些其他的VR展示平臺(tái)，例如Web端VR瀏覽器如360°VR、Unity 3D等。這些平臺(tái)通常采用B/S架構(gòu)，支持多種終端設(shè)備，能夠提供較為完善的交互體驗(yàn)。此外，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的移動(dòng)VR應(yīng)用出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中，例如Android的Vuforia、IOS的EvoGlass等。這些應(yīng)用不僅具有較強(qiáng)的娛樂性，而且可以讓用戶隨時(shí)隨地享受到VR帶來的樂趣。

三、基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)分析

（一）系統(tǒng)需求分析

在進(jìn)行沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)開發(fā)之前，需要對(duì)其進(jìn)行全面、深入的需求分析。將從用戶體驗(yàn)、功能性和非功能性三個(gè)方面入手，分別闡述該系統(tǒng)所需滿足的具體要求。首先是用戶體驗(yàn)方面，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備良好的交互性能，能夠讓用戶感受到身臨其境的感覺。為此，建議采用Unity引擎作為開發(fā)平臺(tái)，通過提供一系列直觀易用的操作方式，如手勢(shì)識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等，來提高用戶與場(chǎng)景之間的互動(dòng)效率。同時(shí)，還可以利用AR/VR設(shè)備得到更加真實(shí)的視覺效果，進(jìn)一步增強(qiáng)用戶的參與感；其次是功能性方面，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)支持多種不同類型的數(shù)據(jù)輸入輸出格式，并且具有較高的數(shù)據(jù)處理能力；最后是非功能性方面，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境，保證用戶不會(huì)受到任何不良影響。為此，我們選用了Nvidia GeForce GTX 1080 Ti顯卡以及512GB內(nèi)存條等硬件配置，確保系統(tǒng)擁有充足的計(jì)算資源和高速網(wǎng)絡(luò)連接。另外，還配備有專業(yè)級(jí)顯示器、鍵鼠套件等輔助配件，以便用戶獲得更好的使用體驗(yàn)[2]。

（二）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)的整體架構(gòu)，包括系統(tǒng)模塊、功能模塊以及各個(gè)模塊之間的關(guān)系。在該系統(tǒng)中，用戶可以通過VR設(shè)備進(jìn)入到一個(gè)三維環(huán)境中進(jìn)行交互體驗(yàn)，而這一切都是由系統(tǒng)提供的服務(wù)所實(shí)現(xiàn)的。因此，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析和規(guī)劃。 首先，將系統(tǒng)分為前端與后端兩個(gè)部分來分別處理不同類型的數(shù)據(jù)。其中，前端主要負(fù)責(zé)用戶界面的顯示和操作，而后端則是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，它承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理、算法優(yōu)化等重要任務(wù)。具體來說，后端主要包含以下幾個(gè)模塊：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、可視化模塊以及反饋控制模塊。這些模塊相互協(xié)作，共同完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工作，如圖2。

其次，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度，采用了分布式計(jì)算的方式來加速數(shù)據(jù)的處理過程。這種方法不僅能夠有效降低系統(tǒng)的延遲時(shí)間，還能夠大幅提升系統(tǒng)的吞吐量。同時(shí)，也針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求制定了相應(yīng)的緩存策略，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 最后，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，注重人性化的設(shè)計(jì)理念，力求讓用戶使用起來更加方便快捷。為此，引入了一些常用的工具和平臺(tái)，如QT Creator、Unity Pro等等，以便于開發(fā)人員快速構(gòu)建出高效且易用的應(yīng)用程序。因此，提出并詳細(xì)闡述了一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)方案。該方案具有良好的可擴(kuò)展性和實(shí)用性，能夠滿足多種場(chǎng)景下的需求，有望成為未來虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

（三）系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)的各個(gè)模塊功能，該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面：用戶管理、場(chǎng)景管理、模型管理、特效管理和交互設(shè)計(jì)等模塊，下面逐一進(jìn)行闡述。1.用戶管理模塊：該模塊是整個(gè)系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)也是最重要的一個(gè)模塊之一，其主要作用是對(duì)使用者信息進(jìn)行記錄與管理。在該模塊中，可以通過錄入個(gè)人基本信息以及選擇不同的登錄方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份的確認(rèn)及權(quán)限控制。同時(shí)，還可針對(duì)不同類型的用戶提供相應(yīng)的個(gè)性化服務(wù)，例如設(shè)置不同的觀看視角、調(diào)整播放速度等等。此外，該模塊還支持用戶自定義標(biāo)簽，以便更好地描述自己感興趣的內(nèi)容[3]。2.場(chǎng)景管理模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染并生成對(duì)應(yīng)的圖像文件。具體來說，該模塊需要完成如下任務(wù)：首先，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取當(dāng)前場(chǎng)景的幾何形狀參數(shù)；然后，利用GPU加速技術(shù)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)繪制，確保每一幀畫面都能夠及時(shí)更新；最后，將所有圖像文件合并成一張全景圖，方便后續(xù)的瀏覽與分析。值得一提的是，該模塊還具備一定的智能化特點(diǎn)，例如當(dāng)出現(xiàn)光照不均或者被物體遮擋等情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度或重新繪制。3.模型管理模塊：該模塊主要用于維護(hù)已經(jīng)建立好的虛擬角色及其相關(guān)屬性信息。在該模塊中，我們可以通過導(dǎo)入/導(dǎo)出模型格式文件、修改模型名稱、增加刪除模型等操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的增刪改查等操作。此外，該模塊還支持多個(gè)模型之間的組合與分離，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。4.特效管理模塊：該模塊主要用于添加各種視覺效果，豐富展示界面的表現(xiàn)力。在該模塊中，我們可以采用手動(dòng)制作或者自動(dòng)化合成兩種方式來實(shí)現(xiàn)特效的添加。其中，手動(dòng)制作需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，但卻能夠給人以更為真實(shí)的感受；而自動(dòng)化合成則可以大大提高效率，減輕人工負(fù)擔(dān)。

（四）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的高效管理和快速查詢，采用MySQL作為主要存儲(chǔ)介質(zhì)，并結(jié)合PostgreSQL進(jìn)行輔助存儲(chǔ)。其中，MySQL主要用于存儲(chǔ)用戶信息、場(chǎng)館信息等基本信息；而PostgreSQL則主要用于存儲(chǔ)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如游客量統(tǒng)計(jì)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等。此外，由于系統(tǒng)需要處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，因此還需借助一些高級(jí)功能強(qiáng)大的工具來完成數(shù)據(jù)處理工作。例如，利用Excel軟件可以方便地繪制圖表以便更直觀地表達(dá)分析結(jié)果，或者通過Apache Hadoop平臺(tái)進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)批處理等操作[4]。針對(duì)上述需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含多個(gè)子庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)子庫(kù)里分別存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)。具體來說，我們將公民信息分為姓名、性別、年齡、聯(lián)系方式、參觀時(shí)間等幾個(gè)部分，將林地信息按照名稱、地址、面積等方式進(jìn)行分類，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照日期、區(qū)域、設(shè)備編號(hào)等條件進(jìn)行分組。這樣做不僅能夠提高數(shù)據(jù)檢索效率，同時(shí)也便于后期維護(hù)與更新。 除了基本的數(shù)據(jù)表之外，還引入了一些擴(kuò)展表來滿足特殊需求。這些細(xì)節(jié)上的優(yōu)化使得系統(tǒng)具備更高的可靠性和穩(wěn)定性，更能適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求。

四、基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互技術(shù)

在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮用戶與虛擬環(huán)境之間的互動(dòng)方式。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶只能通過手柄或者頭部運(yùn)動(dòng)來控制視角和位置，這種單一的交互方式會(huì)讓體驗(yàn)者感到枯燥乏味，難以保持長(zhǎng)時(shí)間的注意力集中。因此，為了提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的趣味性和可玩性，增強(qiáng)用戶對(duì)虛擬世界的感知能力，采用了多種多樣的交互手段，如自然語(yǔ)言交互、語(yǔ)音識(shí)別交互等。 其中，自然語(yǔ)言交互是一種非常重要且易于實(shí)現(xiàn)的交互方式。它可以使用戶更加方便地參與到虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中去，例如在游戲中，玩家可以通過簡(jiǎn)單的指令“抓”或“逃”來完成任務(wù)，而這些指令都能夠被實(shí)時(shí)翻譯成中文并顯示出來，從而使玩家更加快捷有效地理解游戲規(guī)則[5]。此外，還有一些其他的自然語(yǔ)言交互方法，比如手勢(shì)識(shí)別、眼動(dòng)追蹤等等，這些方法不僅可以用于提升虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的易用性和可操作性，同時(shí)也可以增加用戶的參與感和成就感。 除了自然語(yǔ)言交互以外，語(yǔ)音識(shí)別交互也是非常實(shí)用的一項(xiàng)技術(shù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，如果用戶需要向周圍環(huán)境表達(dá)自己的需求或者查看某些信息，只需發(fā)出聲音即可觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)機(jī)制，例如點(diǎn)擊桌子上的物品或者詢問工作人員某個(gè)區(qū)域是否存在等等。這樣一來，用戶就不需要再花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去手動(dòng)操作，大幅降低了誤操作率，提高了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性?？傊岢龅幕诖髷?shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)充分融合了自然語(yǔ)言交互、語(yǔ)音識(shí)別交互以及體感反饋等多種交互手段，旨在打造一個(gè)全新的、高效的、有趣的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三維建模技術(shù)

在進(jìn)行VR場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，需要對(duì)真實(shí)世界中的物體進(jìn)行數(shù)字化處理。其中最為重要的是獲取物體表面的紋理信息和形狀信息，并將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別與運(yùn)算的數(shù)字模型。目前常用的三維建模方法包括點(diǎn)云法、三角網(wǎng)格法以及激光掃描法等。1.點(diǎn)云法：該方法通過采集大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來生成三維模型。首先，利用傳感器或攝像頭等設(shè)備采集目標(biāo)物體表面的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后，采用濾波算法去除噪聲和平滑處理后，得到高精度的連續(xù)曲面片集合；最后，使用三角剖分算法將這些曲面片劃分成若干個(gè)三角形面元，從而獲得完整的三維模型。由于點(diǎn)云法不需要對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)都進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，因此可以直接輸出CAD格式文件，但同時(shí)也存在計(jì)算量較大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題。2.三角網(wǎng)格法：該方法以三角網(wǎng)格作為基本單位來描述三維空間對(duì)象。具體來說，就是將一個(gè)不規(guī)則物體外圍包裹一層平面三角網(wǎng)，再將這層三角網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)律排列形成一個(gè)多邊形，最終構(gòu)成整個(gè)三維模型。相比于點(diǎn)云法，三角網(wǎng)格法具有更好的數(shù)學(xué)性質(zhì)和更高的計(jì)算效率，適用于大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的快速建模。3.激光掃描法：該方法主要應(yīng)用于逆向工程領(lǐng)域，通過對(duì)物體表面進(jìn)行密集的激光掃描測(cè)量，提取出物體內(nèi)部的幾何特征，進(jìn)而重建出三維模型[6]。相較于傳統(tǒng)的手工建模方式，激光掃描法不僅能夠提高建模速度，還能夠避免因人為因素產(chǎn)生的誤差，因此被廣泛用于文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)利用VRML語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，通過對(duì)用戶行為、環(huán)境等多維度信息的采集和處理，實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中各類對(duì)象的動(dòng)態(tài)交互以及空間位置關(guān)系的實(shí)時(shí)更新。同時(shí)，結(jié)合HTC Vive設(shè)備所提供的體感反饋功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了用戶在虛擬世界中的真實(shí)感受。此外，本系統(tǒng)還具備良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，能夠滿足不同領(lǐng)域、不同規(guī)模應(yīng)用的需求?？傊?，在未來隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信這種基于森林公安“一標(biāo)三實(shí)”大數(shù)據(jù)技術(shù)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示系統(tǒng)將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用和推廣。

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基金項(xiàng)目：2023年甘肅省教育科技創(chuàng)新項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)在森林公安‘一標(biāo)三實(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：2023B-455）

作者單位：蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院