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如何搭建线上虚拟展厅?网上展厅应该应用哪些技术?

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  • 时间:2022-01-06 10:44:04
  • 苏州市

VRML语言已经流行了很长时间,但是网上成功的案例并不多。过去受到网络软硬件环境的限制。现在各种技术方面都有了很大的提高,为虚拟现实的发展提供了良好的发展条件。本文结合实际需求,从实际需求出发,对线上虚拟展厅进行相关技术探索,希望能为丰富我们的互联网体验提供帮助。

如何搭建线上虚拟展厅?网上展厅应该应用哪些技术?

21世纪是知识爆炸和信息革命的时代。中国面临着前所未有的挑战和机遇,信息网络技术广泛应用于社会的各个方面。想象一下,祖国南大门的一座城市,是经济文化的中心,这里经济发达,头脑活跃,高科技技术充满活力。展望未来,这座城市希望继续站在改革发展的最前沿,努力构建和谐社会和充满活力的信息时代。因此,我们想利用互联网新技术————虚拟现实技术,在原有改革开放成果、经验和新思路的基础上,打造一个“虚拟展厅”,让全省乃至全国的干部群众更加了解这座城市,让这座城市保持在全国前列,为中国领先的现代化城市提供丰富的人文和技术条件。

假设展厅本身已经建成,面积约200平方米,里面有很多图文、奖杯、雕塑、书籍等物品,还有等离子电视、触摸屏等现代化设备。要求建立交互式、虚拟化、现代化的虚拟展厅,将现有的实体展厅放到网络上进行异地观看和浏览;用户可以使用远程电脑通过互联网在虚拟展厅内自由行走,用鼠标点击展厅内的图片、奖杯、雕塑,弹出窗口仔细查看,可以看到文字、图片等配套介绍信息,同时观看相关视频,聆听美妙音乐。

1 虚拟展馆需求

当前信息社会的三大特征是:多媒体、互联网和虚拟现实。本项目将采用VRML(虚拟现实建模语言)作为其技术解决路线,以用户的行为作为浏览主体,展现一个立体、逼真的多媒体世界。

2.1虚拟现实入门。

虚拟现实是计算机和电子技术创造的新世界,是一个看似真实的仿真环境。通过各种传感设备,用户可以利用人的自然技能来检查或操作虚拟世界中的物体并参与事件。同时提供视觉、听觉、触觉等多通道信息,让用户通过看、听、摸等方式实时直观、自然地感知,让参与者沉浸在模拟环境中。虚拟现实最突出的三个特征是它的三个“我”特征:交互性、沉浸幻觉和想象力。

虚拟现实技术是在计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、传感器技术和人工智能等众多相关技术的基础上发展起来的。虚拟现实技术近十年来取得了长足的进步,这主要归功于计算机软硬件条件的快速发展,以及虚拟现实专用设备价格的下降和性能的提高。目前,虚拟现实技术已经得到了广泛的应用,并且越来越普及,不仅在NASA这样的大型项目中,在一些游戏中也是如此。在一些高端电脑上,你甚至可以建立自己的个人虚拟现实系统。

设计一个VRML系统,首先要解决的问题是创建一个虚拟环境,这个虚拟环境包括三维模型和三维声音。在这些要素中,由于人的感受中信息量最大、反应最灵敏,因此创建一个能够实时动态显示的现实合理的模型是最重要的。虚拟现实系统的构建很大一部分是为了构建逼真、合适的三维模型。

2.2 VRML的工作原理。

VRML的访问模式基于客户端/服务器模式(见图1),其中服务器提供VRML文件(后缀:wRL)并支持资源客户端通过网络下载自己想要访问的文件,通过本地平台上的浏览器和专用的VRML Web插件(Player)交互访问文件描述的虚拟世界,因为浏览器是本地平台提供的,从而实现了与硬件平台的独立性。

VRML和HTML一样,是一种ASCII描述语言,它是一组指令,告诉浏览器如何创建一个三维世界并在其中导航。这些指令由渲染程序解释和执行,渲染程序是内置在浏览器中或浏览器外的程序。VRML文件描述的基于时间的三维空间称为虚拟世界,虚拟世界由对象组成,对象及其属性由节点描述,节点是VRML的基本单位。每个节点由类型、域、事件、实现和名称组成,节点按照一定的规则形成场景图。

由于VRML是用于3D建模和渲染的图形描述语言,所以它是将复杂的3D术语转换为动态虚拟世界的高速硬件和浏览器。虚拟现实因其强大的交互性和跨平台性,在互联网上得到了广泛的应用。

2.3 VRML播放器。

虽然VRML是国际标准化的编程语言,但是我们日常使用的浏览器(IE、Netcaptore等。)不能直接浏览和解释这些文件,我们必须像通常浏览这些文件之前使用Flash一样安装一个特殊的VRML Player。VRML可以不受限制地使用,就像HTML一样,但是它的播放器必须是专用的。VRML97

发布后,互联网上的3D图形几乎都使用了VRML。由于技术的局限性,如带宽不够,需要下栽插件浏览,文件量大,真实感、交互性需要进一步加强等原因,最近一二年,许多制作Web3D图形的软件公司的产品,并没有完全遵循VRML97标准,而是使用了专用的文件格式和浏览器插件,开发了比较实用的VR软件。这些软件有些比VRML有了进步,在渲染速度、图像质量、造型技术、交互性以及数据的压缩与优化上,都有胜过VRML之处。目前全球的VRML播放器有不少,但真正设计得好的却很少,其中德国的Bitmanagement Software 公司开发的“BS_Contact_VRML-X3D_62.exe”是属于比较优良的一款。

2.4 BS Contact 6.2 特性

1) 支持 DirectX 9 FX 特效文件和 HLSL(高级着色语言.DirectX 9 图形驱动下支持 TGA、HDR 图像格式);

2) 支持高级程序化着色引擎(Shader)节点,支持提议中的 X3D 程序化着色标准;

3) 支持 OpenGL 图形驱动下的红蓝立体显示,另外还提供支持 OpenGL 四方立体显示加速的特别版本的 BS Contact Stereo;

4) 支持专门的组节点调节 Z-buffer 顺序;

5) 支持 X3D 事件工具节点;

6) 支持由场景来指定浏览器的设置;

7) 截图和视频截取工具。

3 虚拟展馆的实现

3.1 开发运行环境

VRML,从用户的角度来说,基本上是HTML加上三维数字模型,但从开发者角度来说,VRML环境的产生提供了一套完全的新标准,新过程以及新的Web 技术。

交叉平台和浏览器的兼容性是首先要解决的问题。设计之前,必须明确指定目标平台(PC、Mac、SGI的新O2等等),CPU速度、可以运行的带宽以及最适合使用的VRML浏览器。

本项目的开发环境为PC的WindowX操作平台,服务器操作系统是WindowXP ,Unix或linux,CPU速度要求为奔三800Hz以上,网络带宽为56K以上,最适合使用浏览器为IE5.0以上,插件是BS Contact VRML X3D 6.2。

3.2 虚拟展馆系统结构图

图3为虚拟展馆系统结构图。

3.3 前期资料的采集

为了设计出优良的作品,必须对现实展馆的方方面面进行仔细的资料搜集,如地理位置,楼层结构,建筑布局,面积,装修设计,图文资料,藏品等等,该登记的登记,该画草图的画草图,把要展示的资料录入电脑中。

3.4 展馆场景设计

VRML世界的建造概念和其他工程建模概念相似,必须解决交流的问题,虚拟展馆要画出草图并研究材质的处理,生成模型(models)、空间(spaces)、化身(avatars),但必须考虑一些技术的限制,如,考虑到目标平台,决定在VRML文件中放入多少多边图形;预先考虑到VRML世界的运动和执行的动作,把相应的目标归类,用于设定三维物体之间的相互联系,建模与动画相互配合,如果归类正确合适,就会缩小生成动画效果之后文件的体积。

虚拟现实的设计中还要考虑加入重力(gravity)和碰撞(collision)的效果,以使虚拟现实的场景和生活中的相似。需要生成代理几何模块(一系列的调用指令),其作用在于是浏览器在虚拟现实场景中只需监测一个很小的子目标,而无须计算虚拟场景中所有目标的重力和碰撞效果,最大限度的减少浏览器的工作量,并改善VRML的演示效果。

还必须考虑VRML文件的体积。VRML文件对自由曲面描述方式一直是基于ploygon,文件中描述了曲面上各个点在场景中的位置,故而文件中产生了大量的数字,致使文件体积庞大,NURBS(非均匀有理B样条,Non-Uniform B-Splines)是一种在3D模型空间中,用曲线和曲面表示物体轮廓和形状的方法,简化了对复杂曲面的描述,VRML97(VRML的最新国际标准)的扩展标准里已经加入了NURBS的描述语句,NURBS在VRML上的广泛应用使得三维模型文件变得很小,效果也要比ploygon的描述方式好的多。

加入虚拟颜色、材质和灯光能够产生层次感和现场效果,增加真实性,但也必须质感与实际运行效果之间权衡,因为使文件体积增大,占用CPU执行时间。

视角选定。设想出最能表现出场景效果的某一区域,因此视角人员最好能有较好的技术背景以便分析出制作工具在实际应用上述特色时可能会遇到的问题及在不同浏览器上显示效果及该浏览器是否支持这些特色。

VR系统要求实时动态逼真地模拟环境,考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求,VR系统的建模与以造型为主的动画建模方法有着显著的不同,VR的建模大都采用模型分割、纹理映射等技术。目前VR中的虚拟场景的构造主要通过第三方3D建模软件的途径来实现,如3D Max,Maya等。

这里简单介绍一下3D Max:3D Studio MAX是Aoutodesk公司推出的一套强大的三维建模软件,由于它是基于Windows平台的,方便易用,功能强大;3DS MAX的几何建模方法主要有多边形(Polygon)建模、非均匀有理B样条曲线建模(NURBS)、细分曲面技术建模(Subdivision Surface),我们可以在为虚拟现实系统制作相应模型前,根据虚拟现实系统的要求选取合适的建模途径,多快好省地完成虚拟现实的作品的制作。3DS MAX有着出色的纹理贴图能力和强大的灯光布置、控制能力,为VRML提供更真实的虚拟效果。

3.5 生成VRML文件并设定虚拟现实中可以实现的功能

VRML97的交互性很强,用户可以通过化身(用户在虚拟空间的代表)与其他的用户化身“面对面”交流和沟通,真正实现WWW上的多人环境,而它的实现需要编制复杂的行为。

VRML制作的内容应当能在所有的浏览器上运行。一种方法是使用动画,动画可以使VRML世界更加逼真,许多制作程序都需要用大量的时间检测节点(TimeSensors)来驱动动画,但同时也占用大量的CPU工作时间,减少TimeSensors的数量并在其不执行实时工作时关闭是提高VRML文件运行性能的通用方法。

另一种方法是通过语言编制复杂的行为,如图4,VRML97互动性很强,除了包括内部的属性,更支持Java、JavaScript、VRMLScript,甚至CGI等的接口,以便建立真3D虚拟社区,目前VRML主流编程是基于Java、JavaScript,特别是Java语言日益成熟,成为VRML的实时动态交互提供良好的程序环境。无论那一种都必须使用Script节点。

虚拟场景里面使用的贴图像素并不太高,还有考虑到浏览的方便,所以要建立与普通html页面的链接,让具体展览内容在弹出的html页面里显示。所有这些功能都要使用程序来进一步实现和沟通。

4 总结

随着计算机技术的飞速发展,CPU速度越来越快,网络带宽也越来越大,网上虚拟现实将突破瓶颈,迎来飞速的发展,为我们提供更丰富更好的内容和互联网体验。

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