《基于VR技术的模拟校园导航系统》设计文档Word下载.docx

1、可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。2002年中视典科技与中国科学院遥感应用研究所合作，成功开发出国内第一个真正意义上的虚拟现实系统-数字地球原型系统，使地球上的地理资源、生态环境、人口统计、军事信息、社会经济活动、灾情灾害预测、等复杂系统数字化、网络化并虚拟仿真，不仅可以重现地球的过去，模拟和预测地球的未来，而且可以让人们在有准确坐标，时间和对象属性的多维虚拟地球环境中，进行规划、科学研

2、究、决策管理。该系统为数字地球的各项研究工作提供了一个可操作的虚拟平台，已经开始在能源、灾害、数字奥运、数字城市、数字战场等各个方面的研究提供服务。中视典科技运用世界领先的仿真系统、图形、图象技术，对数字城市的核心技术-虚拟现实技术整体解决方案进行研究，成功开发出拥有自主知识产权的虚拟场景浏览器软件VR-Platform。1.3 项目的创新点虚拟现实是计算机生成的、给人多种感官刺激的虚拟世界（环境），是一种高级的人机交互系统。理想的虚拟现实系统应当让使用者在与虚拟环境产生交互行为时的感受与真实环境中的感受完全一样。而现有的漫游系统大多采用二维交互界面，即采用鼠标（二维输入）和键盘（线性输入）作

3、为交互设备，遵循着“窗口-图标-菜单-指定”（windows-icon-menu-pointer,简称wimp）操作范式，交互方式不合谐，不自然。该系统以计算机为人机交互的工具，综合运用虚拟现实、人工智能开发、多媒体应用等技术，并通过显示器实现了人在虚拟校园中的漫游，使用户在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境体验参观校园以及相关的教学设施（多媒体教室）。系统配备具人工智能的虚拟导游，帮助用户了解关于校园的更多资讯；由VIRTOOLS公司开发的Virtools 的强大网络应用功能，通过在客户端安装Virtools Web Player后，可以在浏览器直接使用本系统，是把虚拟现实技术应用

4、于实际的一个有益尝试，应用前景十分广阔。1.4 定义关键词 多感知性，临场感，自主性，虚拟现实（Virtual Reality），VRML，Virtools，Maya，W3D。多感知性 所谓多感知性就是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的感知功能。存在感 又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。交互性 交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取环境

5、中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。自主性 自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、或从桌面落到地面等。虚拟现实技术（Virtual Reality） 又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“

6、虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。Maya 一个集合建模（modeling）、渲染（rendering）、动力学（dynamic）、动画（animation）的巨大的软件程序。Maya的工作流程非常得直截了当，与其它的三维程序也没有太大的区别。在电影和视觉特效领域、动画片的制作以及游戏工业，Maya被广泛地应用。它还被应用到了医学、军事用途以及建筑领域。Virtools 全球交互三维开发解决方案公司Virtools推

7、出的实时三维互动媒介创建工具，能够让用户可以创作出完美的交互三维画面。 Virtools Dev 具备强大的功能，其中包括20多种新增的“行为模块（Behavioural Module）”，以及全新的DirectX 8.1引擎。在其行为引擎（Behavioural Engine）及各管理系统上添加了新功能，Virtools SDK及Virtools Web Player允许用户随意操控，享受全新的体验。Dev 无论在图形用户接口（GUI）、行为引擎、管理系统与渲染引擎方面均达到了前所未有的水平。Virtools具有灵活、易操作的特点，其“行为模块”可以重复使用，因此，不但加速了生产过程，降低生

8、产成本，并使投资回报更大。开发人员可以使用“行为数据库”或在C+中，借助于Virtools的软件研发套件（SDK）进行创作。W3D 它的出现为3D图形技术的发展注入了活力，在X3D（Extensible 3D）之前市场上出现了为数众多的互联网3D图形软件，这些图形软件遵循各自的技术规格，让用户感到无所适从和难以忍受。Web3D联盟发布的新一代国际标准X3D有望结束这种混乱的局面，X3D所具有的高度可扩展性可使开发人员根据自己的需求来扩展其功能，同时X3D整合了Java 3D、流媒体、XML等先进技术使其具备了技术优势，可以断言X3D必将为互联网3D图形的发展提供一个广阔的发展前景。VRML（V

9、irtual Reality Markup Language） 一个规范，一个标准,也是一个语言，可以使用文本编辑器编辑，他给出的是三维形体和事件的描述。它把虚拟世界作为场景，而场景中的一切都被看作对象（VRML语言叫做“节点”），对每一个对像的描述就构成了wrl文件，浏览器解释这些语句并实时生成虚拟场景。VRML索造的场景具有的实时性和互动性。2 任务概述2.1 目标虚拟现实世界，最重要的特点就是“逼真”感与“互交”性。用户置身于虚拟世界中，环境、人像都犹如在真实环境中，其中的各种物体及现象都在相互作用着。环境中的物体合特性，按照自然规律发展和变化，而人在其中有视觉、听觉、触觉、运动觉、味觉

10、和臭觉等感观。虚拟现实技术可以传造形形色色的、神话般的人造现实环境，其形象逼真，令人有身临其境的感觉，并且与虚拟的环境可进行交互作用，达到以假乱真的程度。 本系统的开发目的在于让用户通过计算机就可以随时随地参观模拟校园。目前系统具有独立的浏览功能，内设有人工智能的虚拟人，用户可以进行一定的人机交流，虚拟人会给用户提供导航信息，同时模拟校园内设有多媒体教室，可以提供授课的体验。配合用户管理系统（用于管理用户信息，积分、浏览权限等）、信息发布系统（用于发布模拟社区的最新消息以及用户反馈的信息过滤等）、安全防范系统（保护社区活动的正常进行，不受恶意攻击），即可组成一个比较完善的虚拟社区，2.2 运行

11、环境系统需求基本配备处 理 器 : Pentium II 以上操作系统 : Microsoft Windows （95, 98, 98SE, ME, 2000, XP or NT 4.0（Service Pack6以上）记 忆 体 :32MB RAM以上 建议配备图形加速卡 : 至少16MB内存以上与Direct3D或OpenGL兼容的3D加速卡网络播放器 网络播放器（Virtools Web Player）支持麦金塔系统建议配备 Mac G3以上 Mac OS X 256MB RAM以上 至少32MB 内存以上与Direct3D或OpenGL兼容的3D加速卡3 需求3.1 功能需求【用列表或

12、用例的方式，逐项定量和定性地叙述对软件所提出的功能要求。】 系统功能参数表窗口分辨率800600实时场景语音导航用户界面键盘操作鼠标操作视觉切换窗口分辨率：屏幕的分辨率锁定在800600。实时场景：通过VIRTOOLS创造实时的场景（场景中生成像树木、天空、阳光等）。语音导航：通过语音指示，带领用户浏览模拟场景。系统中的语音通过专业录音软件Adobe Audition进行录音和后期处理。用户界面：面向用户的人性化操作界面，可以使用户简单的完成整个系统操作。键盘操作：系统设置的特定按键，通过键盘可以实现场景浏览。鼠标操作：通过VIRTOOLS创造实时的场景（场景中生成像树木、天空、阳光等）视觉切

13、换：允许用户随时随地切换“第一人称视觉”或“第三人称视觉”。3.2 性能需求3.2.1 时间特性要求系统强调实时性，所以对响应时间的要求比较高，系统的响应时间为12秒，对于用户来属于正常，不会觉得有滞后感。4 总体设计4.1 基本设计概念和处理流程设计理念如图示：设计理念描述：用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它 反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（如遥操作等）。处理流程：1、 在项目正式开始之前，需要对模拟的场景进行全面的分析，通过拍摄可以收集详细的数据。2、 除

14、了把收集的数据进行分析以外，还要根据所拍摄的真实场景的照片，制作3D模拟场景的贴图（贴图的作用在于建模后，把它贴到模型上，一方面可以减少建模的复杂度，同时减低利用多边形的次数，如此以来可以有效控制最后生成文件的大小；另一方面还可以使所模拟的场景更接近我们的真实场景，达到虚拟现实的效果）。3、 制作贴图与基本建模同时进行，建模的时候以场景中的每一个单元为基础进行建模，同时尽量避免在确保效果的同时，使用太多的多边形，这样除了之前提到的影响生成文件大小以外，还会降低项目的进度，因为计算机在处理太多的多边形的时候往往速度会有所降低。4、通过Adobe Audition进行录音,由于条件的限制因素，不能

15、在专业录音棚进行录音，但通过电脑上的一般语音mic,进行后期的去噪音、混响以后，可以出现不错的效果。5、 Maya导出场景元件，进入Virtools进行整合，渲染，最后生成建立独立播放的VT文件。由于Virtools功能强大，以及功能模块繁多，在实际运用的时候需要比较巧妙地避开对本项目用处不大的模块，这样可以避免对开发产生恐惧感。日后在二期开发的时候才考虑进行必要的运用新的模块，或其他插件等。另外，在Virtools平台上的场景整合过程，是本项目的主体和难点。主体因为贴图、建模都是为了整合场景服务的，最后能够表现项目本身的意义也就是体现在用户看到的虚拟场景中。难点在于需要用到各种互交技术，处理

16、场景的逼真度（包括位置，光影效果，操作性等），令场景运行得流畅，给用户亲切感，让用户好像置身于真实场景当中。6、 建立独立播放的VT可执行文件，封装VT到EXE中。7、需要提醒的约束是，为什么现在的W3D还没有大面积的普及，主要一个因素是W3D涉及网络多媒体的综合应用，所以文件相对比较大，在我们大多数网民用拨号上窄带网时的几K的传输速率下，浏览者将花费几倍到几十倍于普通网页的时间用于等待下载。这样，假如贴图分辨率过高，虽然显示效果不错，但常常使我们把大部分时间花在下载的等待上面，从而导致部分浏览者的离开；假如分辨率过低，那么浏览者将会不甘于视觉的折磨而离开。所以，为你的作品选择一个合适的纹理贴

17、图是一个重要的工作。良好的贴图不但能得到好的视觉效果，还可以简化模型，减少多边形的数目，提高场景的W3D硬软件渲染速度。处理流程如图示：4.2 总体结构总体结构如图视：总体结构描述：需要了解所模拟的真实场景属性的用户，通过计算机平台上的浏览器，非常直观地点击所要索取的场景资料。于VR技术可以为用户提供逼真的感觉，包括三维视觉，立体听觉及触觉、嗅觉等，用户可以通过自然技能，如手摸、头转、身体姿势的调整等与计算机提供的虚拟世界进行交互作用，从而使人成为系统中集成的一部分，进入了沉浸、交互、构想（即著名的三个“I”：Immersion Interaction Imagination）的信息环境。5

18、接口设计5.1 外部接口当启动系统的时候，首先会看到Virtools Web Player的欢迎界面，原因在于系统本质上是由Virtools生成的一个VT文件，而执行VT文件的是Virtools Web Player,所以在打开系统的同时需要加载Virtools Web Player。5.2 内部接口DirectX是游戏制作者的API（Application Development Interface）。它是一组允许你直接控制计算机硬件设备的软件。如果你的硬件支持DirectX，并且你用硬件加速你的程序，这就意味着一个字快。不用担心你的硬件知识，你不会真正的接触到它们。我们是通过硬件抽象层（H

19、AL）和硬件仿真层（HEL）来保证设备无关性和让程序正常运行。DirectX由很多组件构成，每一个都有特定的用途。组件DirectDraw是最为重要的一个，因为所有的图形都要用到它，它是2D图形的引擎，3D图形也同样离不开它。DirectDraw是我们今天就要说的。其它的组件是： DirectSound：提供硬件和软件的声音混合与回放。 DirectMusic：处理基于消息的音乐数据。它支持乐器数字接口（MIDI）并为创建交互式音乐提供创作工具。 DirectPlay：使得通过调制解调器链接或通过网络来与应用程序相连成为可能。 Direct3D：是一个三维图形包，它提供一个高级的保留模式（Re

20、tained Mode）接口，这使得你能够实现一个完整的三维图形系统。它还包含一个低级的即时模式（Immediate Mode）接口，使得应用程序获得对渲染管线的完全控制。 DirectInput：为包括游戏杆、鼠标、键盘和游戏控制器在内的输入设备提供支持。它还为反馈游戏设备提供支持。 DirectSetup：为DirectX提供了一个简单的安装过程。它简化了更新显示和音频驱动程序的过程，并且确保没有硬件或软件冲突的存在。 AutoPlay：让你能够制作一张一旦插入驱动器就能自动安装的光盘。AutoPlay并非DirectX所独有，因为它是Microsoft Win32 API的一部分。组件对

21、象模型（COM）是DirectX的基础，有一些技巧建立COM对象别问我怎么做但你知道一点点还是有好处的。我只是简单说一下，如果你有兴趣，具体的细节就自己查资料吧！可能下一节你有些困惑，但不要紧，我所说的你不用太明白，毕竟我们的目的是使用COM对象，这可比创建容易多了。COM接口是DirectX技术的基础，没有COM就没有DirectX。（不用担心，你只需要对COM技术有一个粗浅的了解就可以使用DirectX只要你在编写DirectX应用程序时遵循一定的步骤，甚至都可以在不了解COM的情况下使用DirectX。DirectX的大多数API都是基于COM结构的。COM为软件模块化和软件重用提供了最

22、坚实的基础，它的最重要的概念就是接口（interface），接口是软件重用的最基本方法。更专业的说，接口是一系列操作的规范描述，即接口规范。所有的COM接口都是从Iunknown接口继承而来的，IUnknown接口是所有COM接口的根。IUnknown接口具有3个方法：QueryInterface（）：此方法查询新接口，并在新接口存在时返回之。 AddRef（）：此方法在接口或其它应用程序连编到此COM对象上时将引用计数值递加1。Release（）：此方法将COM对象的引用计数递减1。当引用计数递减到0时，该COM对象自动释放。6 使用说明6.1 安装与初始化安装步骤：1、双击“Setup.e

23、xe”后，看到“东软模拟导航系统”欢迎使用界面。点解“下一步”2、看到“软件最终用户许可协议”，选择“同意”，然后点击“下一步”。3、选择安装文件的路径，点击“下一步”。4、进入安装过程，加载文件。5、安装完成，点击“关闭”。6、首次启动系统，出现“FLEXLm License Finder”对话框，点击“Specify the License File”,点击“Next”后，在“Bowser”中选择“License.lic”以后，完成注册。6.2 软件主要功能的使用说明1、系统用户界面如图示：界面描述：系统用户界面由三维实时模拟校园场景、用户角色和工具栏组成。三维实时模拟校园场景：通过May

24、a建模，附予材质后，导入Virtools进行整合而成，具有实时性，给真实的体验感觉。用户能看到的场景是我们南海东软信息学院的第二期教学楼的真实模拟。用户角色：同Maya建模，附予材质，最后建立“骨架动画”（骨架动画是构成角色在场景中所有动作，包括行走、站立、观看等动作的基础），导入Virtools进行整合而成。角色身穿的是我们南海东软信息学院的校服，体现我们学院的特色工具栏：以南海东软信息学院VI色系设计的工具栏，上面有三个独立按钮，分别是：“back”、“Music”、“Reset”。1）“back”按钮的作用是：起到视觉切换的作用。“back”是指“第三人称视觉”即当鼠标点击“back”后

25、，用户以第三人称视觉进行浏览，如左图示：按下“back”后的同时，此按钮就变成“front”。当再次按钮时，又会切换到“back”，此时用户以第一人称视觉进行浏览，如右图示：2）“Music”按钮的作用是：背景音乐开关，点击第一次把背景音乐激活，点击第二次把其关闭。背景音乐在激活的状态下随运行的过程中不断回放，而语音导航则不受影响。语音导航是在用户浏览模拟校园的过程中，起到提示作用，比方说当用户来到教学楼正门，系统会提示用户“现在看到的是我们的二期教学楼”。3）“Reset”按钮的作用是：当按下此按钮后，系统会恢复到开始状态，即刚打开软件是状态，用户可以重新浏览场景。或者当用户在浏览构成中发现

26、迷路的时候，通过此按钮可以回到开始位置，重新浏览，具有人性化。2、系统的基本操作：1）键盘上的“W”、“A”、“D”、“S”、分别控制角色的前进、向左转、向右转和后退；此外鼠标用于点击工具栏上的按钮，和把门打开，如下图示：2）当用户在经过模拟校园的楼梯的时候，会出现整个画面颤抖现象，造成此问题的原因在于角色动画中缺少了上楼梯的动画，由于时间有限的问题。3）当用户处于停止使用的状态的时候，系统也会出现画面颤抖现象，因为系统是实时的缘故，角色会在晃动，而用于视觉的摄影机会随角色的晃动而晃动，所以有颤抖现象。4）在进入多媒体教室的时候，由于时间限制的问题，多媒体教室没有做碰撞处理，所以人会出现在“桌子”中穿过的现象。例如如果把一个教室进行碰撞处理需要23天的工作量。5）当在经过树林的时候，会听到鸟的叫声，这是三维互交的结果，体现实时性。6）由于技术限制，Virtools引擎有限制每一个场景的多边形的面数，所以导致系统的精细度有限制，同时也不同显示卡的之间的性能限制，本系统只能照顾大部分的用户，所以系统限制了场景中的大部分场景。以上提到的问题在日后时间充裕、技术进一步积累以后，可以是系统更加的完善。7）点击系统右上角的关闭按钮，即可推出系统，同时按键盘“Alt+F4”同时可以推出。