交互式虚拟实验（精选10篇）
交互式虚拟实验 第1篇
虚拟现实, 早已不再是一个陌生的名词, 随着计算机图形学的进一步发展, 虚拟现实技术的应用变得更加广泛。其应用领域覆盖了军事、教育、医疗、城市规划、远程实验等众多领域。虚拟现实技术通过硬件设备和软件资源, 为用户提供一种身临其境的真实感觉, 增强用户的体验深度和记忆层次, 进而达到辅助行业的作用。其硬件设备主要包括立体头盔、数据手套及各种传感器, 软件资源包括图形处理系统、建模软件及各种交互软件。
虚拟现实技术的发展与成熟, 为教育行业的实验教学带来了新的手段和机遇。传统的实验教学一直存在着一些无法逾越的障碍, 主要体现在三个方面, 其一, 学校硬件设备资源有限, 对于部分贵重的设备无法做到一人一份, 学生无法自由地进行实践性尝试;其二, 设备管理与维护的成本较高, 很多学校的教师承担了上课与管理设备的双重压力;其三, 实验过程中, 学生的人身安全及设备的安全问题都很难得到控制, 这也导致了部分实验的搁浅;通过采用虚拟现实技术, 打造一个虚拟的三维空间, 将现实世界中的实验设备, 完全地、完整地迁移到虚拟空间, 学生在虚拟的仿真空间中, 通过鼠标和键盘的操作, 进行完全逼真的实验, 基本达到教育实践的目的。
2 虚拟现实技术分析
2.1 虚拟现实的特征
虚拟现实 (Virtual-Reality, 简称VR;又译作灵境、幻真) 。它是利用计算机系统模拟产生一个三维空间的仿真世界, 提供使用者关于不同维度的感官的模拟, 让使用者仿佛置身其中, 可以实时、没有限制地查看三维空间中的事物。
概括地说, 虚拟现实是人们借助计算机对三维数据进行可视化操作与互动的一种崭新方式。它的主要
特征有三点, 可以用一个三角形来表示。如图1所示。
1) 沉浸感 (Immersion)
又称临场感, 指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度[2]。理想的三维仿真环境应该使用户难以区别真假, 使用户完全地投入到计算机产生的仿真环境中, 该环境中的全部在视觉上、听觉上、触觉上都是真的, 更进一步的话闻起来、尝起来等感觉也都是真的, 就像在真实世界中的感觉。
2) 交互性 (Interactivity)
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) 。例如用户通过手或数据手套去抓取虚拟环境中三维的模型, 感觉东西真的在手里, 甚至可以感受到虚拟物体的重量, 随着手的移动, 手中的三维模型也能同步移动。
3) 构想性 (Imagination)
强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间, 可拓宽人类认知范围, 不仅可再现真实存在的环境, 也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
2.2 虚拟现实系统的构成
一个典型的虚拟现实系统主要包括5大组成部分[2]:虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备 (如图2所示) 。其中, 虚拟世界是可以跟用户产生互动的虚拟环境, 涉及三维建模、流体力学、灯光模仿、摄像机及碰撞检测;计算机硬件环境及系统软件配置、输入输出通道及实时OS等;虚拟现实软件环境提供实时搭建和设置虚拟世界的能力, 涉及模型绘制、物理模仿等;IO设备则用于架设用户和虚拟世界之间的桥梁, 涉及传感器系统、视频显示、音频交互、力学反馈等。
构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软硬件及各类先进的传感器[3], 去创建一个使参与者处于一个身临其境的沉浸感, 具有完美交互能力和启发构思的信息环境。
2.3 虚拟现实建模语言
1) VRML开发环境
VRML是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的简称[5]。他是创建虚拟实验常用的技术手段。利用他可以在网络上建立分布式的三维的仿真环境。VRML的基本特征包括分布, 交互, 平台无关性, 多维, 集成等, 被称为“第二代Web”, 其应用范围相当广泛, 涉及科研, 教育, 工程, 建筑, 商业, 娱乐, 广告, 电子商务等, 不已经受到人们的极大重视, 国际标准化组织1998年1月正式将其批准为国际标准。
VRML文件是用ASCⅡ编码的文本文件, 可以方便地使用计算机中的文本编辑器进行编辑, 在需要保存文件时, 对文件的扩展名有特别的限制, 必需是.wrl, 不然的话VRML浏览器会无法读取。如今, VrmlPad是我们常用的编辑器。它的功能相对完善, 根据提示可以选择VRML语言的关键词, 这样毅力啊, 大大减轻了开发人员的负担, 他们无需记忆大量的关键词;此外, VRML还可以对模型和场景进行快速预览。本人采用VrmlPad2.1开发环境, 如图3所示。
2) VRML文件传输机制
VRML用文本来描述3D场景, VRML文件在网络传输过程中被客户端从服务器下载, 通过本地浏览器来解析VRML文件的格式, 以达到实现独立于不同平台的目的。VRML文件的走向过程如图4:
3) VRML虚拟环境的创建
节点是VRML文件中最基本的组成要素[5], 是VRML的精髓与核心。而VRML文件就是由许多节点层层嵌套而构成的[15]。每个节点都包含不同类型的域, 在节点内部, 域名必须是独一无二的, 每个域都有自己的数值, 这些数值确定了域中的每个个造型的特点, 每一个域值都有自己的初始值。域值默认可以分成两种类型, 即单值和多值, 单值的类型符用“SF”开头, 多值的类型符用“MF”开头。有五种节点是属于VRML核心部分, 如图5所示。
几何造型节点 (shape) :shape节点定义了立体图形的色彩、材质、纹理、尺寸、形状等外观特征。主要有外观特征节点 (appearance) 和几何形状节点 (geometry) 。
交互节点:交互节点可以用来强调虚拟环境的真实程度。从侧面反映出现实世界中的事物相互之间存在联系。
插补器节点:该节点的使用是用来操纵动画的, 原理很简单, 通过引入一组跟时间对应的关键点, 让每个关键点跟其中一组动态的动画产生联系, 当场景中的时间发生变化的时候, 场景中的与之关联的对象会同步地对位移、造型做出变化。
传感器节点:传感器节点 (Senser) 类似人的神经系统, 可以一定程度上提前感知某些外界的状态的变化, 用户可以借此做出合理的判断。通过传感器节点的合理应用, 可以方便地感知用户的操作状态和目的, 让互动场景更加具有真实性。
脚本节点:脚本节点 (Script) 指包含程序设计的节点, 通过使用编程语言, 引入不同的脚本, 可以为开发人员提供更强大的用户接口, 可以使编程更加灵活, 设计出更加有趣的场景。
3 三维建模与系统设计
3.1 系统总体框架
3.1.1 系统需求分析
虚实结合的虚拟现实系统的主要目的在于:使学生不受时间、地点、网络带宽的限制, 通过访问接入网络的VRML服务器, 利用虚拟实验设备进行实验, 通过鼠标或键盘对虚拟三维模型进行合理地操作, 增强趣味型。通过观看虚拟设备动画, 加深对理论知识的理解。
虚拟现实系统在设计时考虑的角度有:
1) 为学生搭建一个自由、开放的学习环境
虚拟现实技术能够为学生搭建一个自由、开放的学习环境, 学生的学习时间可以不再局限于有限的课堂教学, 空间上也有了更大的选择余地, 比如在家里、在寝室等环境, 通过虚拟现实提供的“虚拟仿真环境", 学生在可以接入网络的任何地方都可以自由地借助计算机进行学习, 通过与共同学习者合作、交流, 讨论获取知识或技能。
2) 为学生提供真实感较强的学习情境
虚拟现实能够提供真实或接近真实的学习情境, 虚拟现实的出发点就是要用虚拟的真实来代替现实, 因此, 通过创建真实仿真的情景, 学生在该情境下自然地会产生学习合作的投入感, 可以提高学习的注意力, 从而充分调动学习积极主动性。另外, 虚拟现实技术还可以安排真实的学习任务, 使学生对知识的认知不再停留于表面的想象或观察, 而是通过亲身实践和参与解决问题, 从而完成学习任务, 进而获得一定的满足感,
3) 为学生提供丰富的学习资源
虚拟现实技术可以创建一些在现实生活中无法测试的环境, 比如在计算机拆卸实验过程中, CPU的针脚没有正确安装导致的设备损坏。在设计该平台时, 要考虑到能利用该平台为学生提供这些特殊的案例。通过教师前期的设计, 来避免在真实实验中的事故发生。
3.1.2 系统总体构成
从学生的实际需求出发, 系统需要具备三大模块的功能:
1) 建筑漫游:学生在虚拟的三维空间里面, 可以进行自由地走动, 没有角度的限制, 感觉就跟在真实的实验环境里面一样;
2) 模型认知:众多的三维模型, 学生可以通过360度任意角度来对模型进行浏览和查看, 大大丰富了对设备的认知程度;
3) 模型装配:通过交互技术, 学生可以对模型进行放大、移动、旋转等操作, 学生也可以对设备进行参数设置、完成对实验设备的控制;
如图6所示:
3.1.3 系统设计流程
教学媒体作为教学内容的载体, 是教学内容的表现形式, 日常使用的教学媒体有文本、图形、图像、模型、动画短片、投影仪、视音频、PC、网络等。在虚拟现实环境下进行教学设计时, 必须提前对学习者和教学目标进行分析, 根据学生的认知水平和不同兴趣, 选取合理的教学形式媒体设备。虚拟现实系统可以通过硬件系统和软件系统为教学创建不同的媒体模型, 也可将虚拟现实与传统媒体结合在一起, 在虚拟中感受真实, 在真实中体验虚拟, 提高学生的学习的兴趣。
设计一个虚拟现实系统的基本流程如图7所示。
4 虚拟现实系统实现
4.1 场景建模
要搭建一个虚拟仿真的三维实验环境, 很重要的一步是前期模型及场景的绘制。而模型的细节、真实程度都会对系统性能的好坏产生影响。因此, 建模的过程需要考虑两个方面的问题:一是场景在虚拟环境中真实感是否强烈;二是虚拟三维模型最终在网络上发布时文件的大小。为了有效地解决这两个问题, 将Maya和VRML结合起来进行模型的绘制和场景的搭建是一种不错的方法。对于面数相对较少的简单模型完全可以通过VRML环境来建模实现, 而对于非规则的多边形复杂物体则利用Maya软件来进行建模。Maya2008对VRML开发环境提供了便利的插件辅助工具, 通过插件可以在Maya中直接输出最终的场景, 包括三维模型、材质、动画等, 输出的时候需要把模型文件直接保存成.wrl文件格式。
1) 在VRMLPad环境建模
利用VRML构建的设备三维模型, 关键在于要能反映出设备的外观属性和部件之间的相对位置属性。所有VRML造型的形状尺寸、外观属性等均在Shape节点中进行完成, 在Shape节点的geometry中VRML定义了四种原始的几何结构:Box (长方体) 、Cone (圆锥体) 、Cylinder (圆柱体) 、Sphere (球体) , 利用这四种简单结合结构的组合就可以完成很多设备的简化模型。如果需要构造更复杂的造型, 可以通过对Extrusion (挤出造型) 、IndexedFaceSet (面片造型) 的应用来实现。
下面的代码是用VRNL语言实现的一个三维盒子造型。
}
geometry Box{//定义几何节点对象
size 6.0 3.0 2.0//定义了三维造型的长、宽、高
}
}
编译后运行, 效果如图8所示。
2) 在Maya环境建模
场景建模得遵循两个原则, 一是使用尽量少的面, 减少没有必要的面;而是将许多个次要物体合为一体, 减少模型输出量。下面我们来制作一个投影仪的模型。
首先我们打开MAYA 2008建立一个矩形。打开修改器, 设置合适的参数。切换到“顶视图”, 通过对样条线的顶点进行“选择”、“移动"和“旋转"操作, 修改造型的布局。再通过“挤出”命令, 获得恰当的三维外观。最终效果如图9所示。
3) 赋予模型一定的材质
模型绘制好以后, 根据不同场景的需要, 会为模型添加合适的材质或贴图, 在VRML环境下, 通过简洁的代码, 能够很方便地为模型链接上纹理或贴图。如图11所示。
{texture ImageTexture//定义贴图对象{url"tietu.JPG"//定义贴图的名称和路径
geometry Box
这段代码绘制了一个正方体, 并在表面添加了材质贴图。
4.2 三维模型交互实现1) 模型输出
(a) 选择“文件"菜单下的“导出”命令, 在弹出栏目的保存类型中选择VRML的导出格式。
(b) 输入好所要导出的场景或模型的文件名后, 注意添加文件的扩展名, 若要导出可在VRMLPad中随意添加的模型, 扩展名为“vrml2"。如图12所示。
2) 交互行为添加
通过在VRML开发环境中, 为模型添加交互节点, 添加传感器节点, 可以实现对模型基本的控制。下面列举了部分交互的代码。
DEF dorTimer TimeSensor{loop FALSE cycleInterval 3.33333}, //定义时间传感器DEF dorPos PositionInterpolator{……}//定义位置插补器
DEF clickDor TouchSensor{enabled TRUE}//定义接触传感器
ROUTE dorTimer.fraction_changed TO dorPos.set_fraction//设置路由关系
}
交互效果如图13和图14所示。
3) 漫游效果
在VRML开发环境中, 通过添加不同的视点来增加不同位置的控制。
实现的建筑漫游效果如图15所示。
5 结论
随着虚拟现实技术的飞速发展, VR的应用已是受普遍关注的话题, 如何实现这种具有巨大应用潜力的新型媒体设计方式是非常值得我们去研究的。该文将虚拟现实技术应用于高校的实验教学, 探讨了场景建模的设计方法, 在虚拟场景建模的基础上完成了建筑的漫游系统。为实验教学营造了一种轻松活跃的环境, 使学生与设备产生零距离的接触、任意角度的认知和漫游。因此, 从认知角度来说, 将虚拟现实技术应用于实验环境具有现实意义。 (下转第1986页)
参考文献
[1]Steve Cunningham.计算机图形学[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[2]Mel Slater.计算机图形学与虚拟环境[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[3]Grigore C, Burdea, Philippe Coiffet.虚拟现实技术[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[4]奥利弗.格劳.虚拟艺术[M].北京:清华大学出版社, 2007.
[5]刘光然.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社, 2011.
[6]吕建德.游戏程序设计概论[M].北京:中国铁道出版社, 2006.
[7]耿卫东, 陈凯, 李鑫, 徐明亮.三维游戏引擎设计与实现[M].杭州:浙江大学出版社, 2008.
交互式3D虚拟电子宠物 第2篇
该产品的设计师为四个华裔年轻人，他们的设计灵感来源于儿时的电子宠物玩具。电子宠物是由电子元件构成的电子玩具，现在也指使用电脑 或因特网服务器上运行的特定程序。电子宠物具有和真实宠物同样的生命特性。由于具有喂养简单、便携、干净等特性，受到人们的欢迎。
但是他们认为旧式的电子宠物只能从片面的模仿宠物的部分特征，因此无法取代真实宠物，所以设计师们利用罐式的交互3D虚拟概念来制作了 这款神奇的产品Jarpet，力求让电子宠物变得更加真实。这款产品实际上由内部的3D投影机装置来工作，能够在罐式设备中建造一个虚拟的动 物王国供儿童探索、学习。
使用时需要先将它连接到用户的计算机，下载官方提供的动物资料和应用程序。然后开启该设备就可以为用户营造出一片野外动物王国的氛围 ，是孩子们的理想玩乐选择。官方可以为家长和孩子提供各种动物的图像数据，让孩子自己选择喜欢的动物，在其中学习动物的习性、了解动 物的生命周期、甚至是学习动物的精神枢纽构造。孩子们可以尽情地通过多感官技术在Jarpet中享受生动的互动感受。
此款交互式3D虚拟电子宠物，是2012年红点设计奖（Red dot Award）的获奖作品。
交互式虚拟实验 第3篇
1 高等艺术实践教学中虚拟实验平台的创新
虚拟实验以现代教育理论为基础, 运用计算机仿真技术、虚拟现实多媒体技术来模拟真实的实验环境与过程, 以达到实验目的的教学平台, 这是一种新型的网络化计算机实践教学模式。虚拟实验平台的教学环境能提供学生自由配置、连接、调节和使用实验仪器没备来进行实验, 它具有网络教学建没速度快、更新率高的优势, 并有使用方便、成本低、易于拓展等特点。现阶段, 虚拟实验教学推广有限, 大都集中运用在在理工类学科领域, 如数字电路实验、机械传动类实验、物理化工实验等。
我国2000余所高等院校有70%设置艺术设计专业, 在校生达150万, 每年约15万人毕业, 中国的艺术设计教育规模占全球第一。但艺术设计还是新兴学科, 存在院校之间学科体系雷同、课件保守陈旧、实践教学模式、内容雷同, 课程整合联动性差、教学资源管理粗放等问题。以虚拟实验教学软件的研发与使用为切入点, 探索高等艺术教育实践教学模式的改革和创新, 并利用计算机、多媒体及网络技术来实现艺术教学虚拟实验情景, 不仅可以有效地改善艺术类高校实验教学资源严重短缺和分布不均的现状, 而且可以激发学生学习的动机、增强学习兴趣。针对虚拟实验软件研发多学科交叉的特点, 结合艺术设计的图形表达、用户界面设计和人机交互技术, 研究虚拟实验软件的对象建模和表现技术, 开发艺术设计虚拟实验教学资源信息的安装平台, 建立开放式、网络化的艺术虚拟实验教学平台, 支持多用户多虚拟实验环境的交叉反馈与协同。从根本上解决网络远程教育中艺术实验教学无法实施的关键问题。
2 “虚拟建筑构造实验”教学软件的设计思路
2.1软件介绍及制作目的
以环境艺术设计专业课程《建筑构造》为主题研发“虚拟建筑构造实验”教学软件为例, 展开虚拟实验系统在艺术学实践教学改革的构成与实现。“虚拟建构实验”教学软件是2011年第十届浙江省大学生多媒体作品设计竞赛的参赛作品, 并获得了优异成绩。
建筑构造是环境艺术专业学生接触的第一门专业课程, 是专业学习的入门课。针对建筑构造课传统理论教学手法单一、知识枯燥、抽象的三维空间难以理解、理论与实际脱节等教学弊端, 尤其重点解决学生对真实的建筑物结构施工过程了解的不足和传统实践教学中学生对施工现场认知的匮乏, 通过“虚拟建构实验”教学软件可以使学生们足不出户即可身临其境地感知各种建筑物的实际施工过程与其结构关系。并且学生必须能灵活运用所学知识进行虚拟搭建实验, 在虚拟实验环境中进行自由构思和设计, 这种全新的实践教学模式将激发学生学习的兴趣, 提高学生的动手能力和创新能力。
虚拟建筑构造实验教学软件采用了Flash、SketchUp、3D max、Photoshop等软件技术进行研发制作, 使用了大量的动画影片和交互元素, 发挥了虚拟实验任务的可操作性和可控制性。软件研发的核心技术应用了Action Script程序语言技术和3D max三维建模技术, 提高虚拟实验的逼真度, 形成多维交互的教学平台。
2.2软件研发的重点和亮点
(1) 基于三维图形的虚拟实验对象建模与表现技术
①通过虚拟平台实现文字教学、视频认知、全景漫游、实验搭建等强大的功能集成化。
②智能一键导航的创作灵感来自汽车导航仪, 方便快捷的操作减少了很多选择菜单的麻烦。软件中强大的智能导航键能根据场景的不同转换功能, 能够在任何界面下满足各类需求。用户可以使用键盘方向键切换教学内容、转换虚拟漫游视角、切换分类界面等。相比PowerPoint课件, 虽然也能使用方向键进行页面切换, 但是没有其他功能性。本课件中一直使用右方向键可以按照预定教学顺序浏览界面。现有的虚拟实验教学软件中, 应用导航键设计的案例几乎处于空白。
③全景平台背景。全景模式能够较好的满足视觉需求。平台背景与全景体验教学使用的是同一种技术, 动态的背景比普通的单一背景更显生动。
④智能助手模式。小助手实时出现在虚拟实验场景中提供学生实验所需的提示, 软件使用感觉交互性强、亲近感良好。现有的虚拟实验中应用助手的案例也极少。
⑤优美视觉感受。软件所有控件都进行了美化, 符合现代审美需求。外观风格紧紧围绕建筑设计中主流的现代风格, 在给人以大气感受的同时还能激发创新灵感。
⑥典雅背景音乐。背景音乐采用了门德尔松的小提琴协奏曲, 在不同功能场景下自动切换乐章。典雅的音乐体现建筑的内涵与精神, 令人回味无穷。
(2) 虚拟环境的漫游教学和人机交互技术
①虚拟漫游教学模式是通过学生能自由切换视角及点击知识点学习来实现的。学生能在全景漫游中真实感知虚拟场景中的建筑结构、构造细部等知识, 是虚拟实验的主流模式。学生可以根据需要随意选择视角来观察虚拟环境并点击场景中的预备知识点。只需点击就能直接链接相关知识, 有效地解决了学生集体外出考察时间、天气、地点等限制的弊端。虚拟漫游教学模式的技术是重点和难点, 必须解决用户能够舒适的漫游体验虚拟场景这个关键问题。所以, 利用360o全景技术取景摄制场景照片, 容易出现照片高度不齐或透视角度变形等情况, 必须反复拍摄并后期处理。另一难点是如何让用户掌控视角?只有在反复研究尝试之后才实现了合理的视角和即时互动的设计, 最后结合导航键功能使即时互动变得操作简便。
②虚拟搭建实验是该虚拟实验软件的核心。用户可以在虚拟实验的功能平台上自由搭建或按照实验规定操作。该模块的开发应用了较多的软件技术, 从3DMAX建模到Photoshop照片修整, 以及FLASH中Action Script语言的应用, 每一项都包含着巨大的技术知识量。在3DMAX建模中, 必须根据开发的背景贴好材质, 并且要保证建模渲染图的视角在正交模式下一致。Photoshop对渲染图做细节修整, 确保所有组件的三维效果基本一致。FLASH中Action Script代码编写技术实现构件的正常拖拽和复制, 用户可以根据需要建立新构件, 并且在Action Script技术支持下, 建筑构造虚拟实验软件的组件面板、辅助网格、坐标提示等经过长期设计制作而成, 饱含了人机工程学的原理。
(3) 3D影片制作
3D影片的制作主要依托Autodesk 3D MAX 2011。制作影片的难点在于如何简化模块让用户看得更加简洁明了, 在制作每一段影片之前都需查阅大量书籍仔细构思, 精简内容。在3D MAX中建三维模块并且赋予材质, 然后根据需要设定好时间轴, 以出现动画搭建效果。在渲染之前还需要对速度进行调整, 确保用户观看的舒适性并满足教学需要。在渲染生成AVI影片后, 需要使用Win MPG、Video Convert等软件进行格式转化, 然后在FLASH中使用播放组件链接影片播放。
2.3虚拟实验模块分类
“虚拟建筑构造实验”教学平台基于由浅至深的梯度化教学, 包括基础知识概念、全景漫游认知、虚拟建构实验、创新搭建平台四大模块。
①基础知识概念。
根据建筑构造教学大纲以及知识链逻辑关系, 分为八部分内容:建筑基本构造、地基基础。墙体砌筑、楼板地面等, 其中每一级知识链都有下一层的细分内容, 层次分明, 节点完整。
②全景漫游认知。
以虚拟全景认知代替传统的现场课, 在真实场景的选择上坚持原创、持续更新和贴近生活的准则, 拍摄建筑物各阶段各部分的全景照片, 帮助学生在虚拟实验漫游环境中进一步认知。
③虚拟实验实验。
实验搭建平台是该软件的主体部分, 是学生自主完成题库中实验题的过程。学生首先根据题目要求进行实验分析, 然后从界面右侧的构件栏中选择构件进行搭建实验, 完成后点击[ 检查]按钮, 平台最后会根据学生的虚拟搭建过程与结果给出评价和提示。
④创新搭建平台。
创新搭建平台是将是该虚拟实验平台的无限拓展, 是艺术设计实践教学自由创新的要求。该平台提供正交视角, 用户可以自主选取构件进行搭建。构件无需像3D MAX或Sketch Up软件般输入数据。用户只需将预制的构件从面板中拖出即可使用。
3 软件制作核心技术的研究与开发
①界面设计与组件制作
良好的操作界面能给用户更深刻和舒适的体验, 虚拟建构实验的操作界面主要分为三大块:搭建界面、构件面板、导航按钮。搭建用户界面设计选用Photoshop和Coreldraw软件技术, 用户能根据二维的图形体验到三维的虚拟效果。构建面板中主要内容为各建筑构造的构件和材料放置区。构件使用3DS MAX进行制作然后导成平面图形后插入FLASH中的构件板中。构件面板色调采用深浅相间的形式, 能使构建更清晰展示和用户的更便捷选取。材料放置区主要为用户提供一个临时放置构件或放置废弃构建的场所, 该区域中用户可随心所欲的将构件拖入或拖出拼搭界面。不同大小的构件可通过基本构件多次拼接实现, 视觉感官体验感强, 用户点击场景中构件即可使其置顶。构建面板是建筑构造的构件和材料放置区。导航栏主要与建筑构造虚拟实验教学平台主模块相衔接, 功能与使用方法都与主模块中相同。导航栏主要起到返回主模块的作用, 用户在任意一题情况下, 点击“返回”即可进入主模块中。
②AS代码编写
虚拟建构实验教学软件主要使用AS代码编写, 虚拟搭建场景需编写复制命令, 如下:
loadLv = this.getNextHighestDepth () ;
duplicateMovieClip (tarObj, "aa" + loadLv, loadLv) ;
编写构件代码可复制命令, 主要利用新建影片剪辑的技术, 当点击构件后, 可激活在拼搭场景内的复制命令, 复制新影片剪辑:
on (press) {
_parent.doPress (this) ; }
on (release, releaseOutside) {
_parent.doRelease () ;
removeMovieClip (this) ; }
导航代码, 即导航按钮与主模块之间的链接:
on (release, keyPress "<Space>") {
gotoAndStop ("主控制台", 100) ;}
③辅助功能制作
辅助功能是提示板和小助手。提示板功能是显示实验题和实验结果的评价, 该功能通过制作影片剪辑构件实现。小助手实时提示使用方法, 拖动小助手可使其移动位置。
4 结语
随着多媒体网络技术的发展, 虚拟实验教学已成为加强艺术类实践教学、提高教学质量的重要手段, 它在一定程度上代替传统的实验教学, 克服传统实验的各种制约和弊端, 有效地解决目前艺术教育实验教学中存在的诸多问题, 达到教育资源的优化、教学质量的提高。通过艺术设计及技术研发, 制作了建筑构造虚拟实验教学软件, 并以基于真实场景的虚拟全景漫游为载体, 进行了网络虚拟建构实验平台的架构, 推动了我校艺术设计各专业实验教学网络化、信息化的进程。但该软件建设还处于探索和实践阶段, 引用拓展方面仍有局限性, 交互体验式建筑构造虚拟实验教学软件是艺术设计实践教学改革的一次全新探索。
摘要：随着多媒体技术的发展, 虚拟实验教学已成为加强艺术类实践教学、提高教学质量的重要手段。本文通过介绍2011年第十届浙江省大学生多媒体作品设计竞赛的参赛作品“虚拟建构实验”教学软件的研发与制作过程, 尝试探索虚拟实验教学与高等艺术教育、艺术实践教学结合的全新模式。
交互式虚拟实验 第4篇
关键词：数字传媒语境；交互式虚拟；视觉艺术
0 引言
当今的社会是一个数字化的时代，传播方式的改变促进了媒体的发展。但是随着社会的进步和发展，媒体在发展的过程中也存在着许多的问题，交互式虚拟视觉艺术在媒体中的发挥作用越来越受到各方面的重视。随着社会的进步，人们已经不再满足于传统的数字媒体，对于数字媒体提出了更高的要求。这就需要不断对视觉艺术的表现进行创新，才能够充分的满足人们对于媒体的需求，同时促进媒体的进一步发展。目前在数字媒体语境的大时代下，交互式虚拟视觉艺术向虚拟化、交互化、网络化的多元方向发展。本文通过探讨数字传媒语境下的交互式虚拟视觉艺术的含义和特点，深入的研究关于交互式虚拟视觉艺术的创新发展。
1 数字传媒语境下的交互式虚拟视觉艺术的基本理念
1.1 数字媒体语境的含义
数字媒体主要是指用数字化的形式来进行信息产生和传播的载体，一般情况下这些载体都包括数字化的文字、图片、图像、声音、视觉等。数字传媒语境主要是人际交往和大众传播的一体表现，主要的特点就是全民都是传播参与者，人与人之间的互动性很强，同时还具有时效性。这一传播的平台具有开放性和传播方式多样化的特点。数字化的媒体朝着多样化的方向发展，让传播的内容也加丰富，传播手段多元化、受众的范围也得到扩大。数字媒体语境实现了数字化的设计、制作、管理、传播、运营的文化内容，也是国家传播技术、信息服务方面创新发展的重要体现。
1.2 数字媒体语境下的交互式虚拟视觉艺术理念
艺术的发展和视觉的呈现要以媒介为根本，这就证明了媒介与艺术之间紧密的联系和发展。媒介是能够把新媒体中的艺术，真正的运用到新媒体发展的艺术实践当中的重要载体。经过不断的发展和完善，让新媒体的艺术能够得到具体的展现。在数字媒体语境下的视觉艺术，就是把设计师的思维产生理性和感性相结合的效果，然后利用新媒体技术和数字化技术形成新的艺术表现手法。主要的含义就是在艺术创作的过程中有多媒体技术和数字化技术的全面或者部分的应用，具体也是说在艺术作品的创作中具有数字化的特点。在数字传媒语境下的视觉艺术，就是指在创造、传播、发展、欣赏的过程中要依托数字化技术和多媒体技术的条件保证，在不断的批判和发展过程中，产生新的艺术形态。同时在对于艺术作品的欣赏过程中，欣赏的方式和体验的方式也发生了改变，设计者可以利用数字化的设备，对于作品进行创造，最终利用数字化技术产生艺术作品。数字传媒语境下的交互虚拟视觉艺术就是依托于多媒体技术和网络技术的传播媒介，来向受众展示艺术作品，同时让受众能够有一个参与互动的平台。
2 数字媒体语境下的交互式虚拟视觉艺术的特点
2.1 交互性的特征
交互性的特征主要有三个方面的体现，首先就是虚拟空间，可以利用计算机的输入功能、输出设备等和计算机用户来进行互动。其次就是现实空间的表现，利用由传感设备、激发起设备等联合组成的计算机系统，对于人体的位置、触感和声音等方面进行检测。最后，就是信息的传播以及扩散的功能，计算机网络的终端移动设备能够同时具有信息的发送和接受功能，这些功能的作用主要体现在人机互动方面，以此来进行信息的传播和扩散。数字媒体的技术发展为信息的传播和扩散提供了更加便利的途径，让信息的传播速度和扩散的范围得到发展。数字化技术的发展不仅具有信息量大的特点，也为人际交流和互动提供了空间体验。
2.2 现实虚拟的特点
现实虚拟的含义就是指通过计算机对于显示世界进行模拟体验，构建出一个可以让人们感受到视觉、听觉、触觉体验的三维立体空间。让受众的体验犹如身处在现实世界当中，同时对于虚拟空间能够进行及时有效的观察。虚拟的现实是真实世界的一部分特殊的体现方式，但是虚拟的现实和真实的世界是处于平衡的状态下，虚拟的世界和现实的世界有相互重叠的部分。现实虚拟的最大特点是满足了受众的参与性和身体感官的体验。
3 数字传媒语境下的交互式虚拟视觉艺术创新
3.1 让信息技术、多媒体技术和交互式虚拟视觉艺术相结合
要想让交互式虚拟视觉艺术能够得到发展和创新，就要以互联网技术发展为基本的载体。科学技术和交互式虚拟视觉艺术是相互发展的关系，科学技术的发展为视觉艺术提供好的展现平台和创作空间，同时交互式虚拟视觉艺术的发展能够为科学技术提供活力和生机。数字传媒语境发展的时代，要求把交互式虚拟视觉艺术和科学技术的发展紧密结合，这样才能够为数字传媒语境下的交互式虚拟视觉艺术提供创新的发展空间。利用高科技的手段来体现交互式虚拟视觉艺术，这样的方式在生活中具有很多的应用，比如说电影、电视行业等。在带给观众带来视觉艺术享受的同时，观众可以通过现实真实的感受来理解设计师的理念。高科技的发展给交互式虚拟视觉艺术带来了新的表现形式，促进了交互式虚拟视觉艺术的创新发展，为新的艺术创作提供了技术上的支持。
3.2 进行交互式虚拟艺术的创新
传统的艺术表现形式只停留在二维空间，要打破传统的表现方式，加强对于艺术的应用方面的创新。要依托互联网技术的发展，让数字传媒语境下的艺术展现形式为三维立体空间。这样能够在很大程度上提高设计师的艺术理念，通过艺术的想象、虚拟事物的联想利用三维立体的表现方式提供新的艺术形态。运用虚拟的技术改变现实的艺术创作时间，让受众能够同时对各种各样的事物进行体验，从而实现交互式虚拟视觉艺术在数字传媒语境下的创新发展。
3.3 数字媒体语境下的交互虚拟视觉体验需要进行观念的创新
交互式虚拟视觉体验在数字媒体语境的发展中已经取得了很好的成果，但是存在创作人员的观念落后的问题。要加强相关技术人员的艺术理念，这样才能够让技术人员在研究的过程中可以产生于艺术相符的设备，为视觉艺术的创新提供技术上的支持。加强对于观众体验艺术形式的创新，要改变观众心中传统的艺术体验形式，解放受众的思维方式。加强人们对于交互式虚拟视觉艺术的了解与思考。为视觉艺术的创新发展提供一个创新的思想保障。
4 结语
通过本文对于数字传媒语境下的交互式虚拟视觉艺术的创新研究，可以看出视觉艺术创新的发展需要科学技术的保障。随着科学技术的飞速发展，为视觉艺术的发展带来了机遇和挑战，要想满足社会的发展需求，就需要不断地创新和改革视觉艺术的形式。利用和把握好信息技术的发展，实现交互式虚拟视觉艺术的创新应用。
参考文献：
[1]谢晓彤.城市数字媒体语境下如何看待视觉艺术的创新[J].美与时代（城市版），2015（11）：123-124.
[2]高楠.数字媒体语境下的交互式虚拟视觉艺术创新[J].设计，2016（05）：136-137.
交互式虚拟校园场景设计过程 第5篇
桌面虚拟现实系统使用个人计算机和低级工作站实现仿真, 计算机的屏幕作为参与者观察虚拟环境的一个窗口[1], 通过外部输入设备与虚拟现实场景及场景中的各种物体进行交互, 是视觉和听觉上的模拟仿真。虚拟场景设计主要用于商品的展示、小区展示、模拟演示等领域, 与传统的图片和视频展示相对比, 具有更逼真的效果和更强的交互性, 它可以让用户对商品进行三维六度的浏览, 可以让用户在小区内自由行走, 可以模仿演示现实场景。
VRML, 虚拟现实建模语言 (Virtual Reality Modeling Language) , 是一种与互联网结合, 用来编写三维交互式网页的程序语言[2], 用户只需要在IE上完装VRML浏览插件即可浏览VRML文件, VRML浏览插件如Cosmo Player等, VRML可以使用文本文档进行编辑, 也可以使用专用的编辑器, 如VRML Pad。在VRML虚拟校园场景中用户可以通过鼠标和键盘来实现行走、触碰、点击、三维六度视角等方式的交互, 无需购置其他虚拟交互设备, 目前主流的个人计算机能够满足设计要求。
2、设计思路
本文以虚拟校园场景设计为例, 阐述虚拟校园设计的思路。虚拟校园场景的设计可以借鉴现实校园建设思路进行开发, 主要思路有:数据收集、平面图绘制、虚拟场景建模、虚拟场景组建、虚拟场景交互。
3、实现方案
3.1 数据收集
数据的收集作为本设计的前期工作, 有着极其重要的决定作用, 它能确保往后环节设计的精确度, 保证虚拟校园环境的仿真效果。这一环节需要完成实地考察、数据采集、数据分析、整体规划四个步骤。
(1) 实地考察
了解校园的每个角落, 包括校园的各个楼群、校门、校道、花草树木等。这一阶段可以进行照片收集, 以减少在建模阶段重复本步骤。
(2) 数据采集
实地考察后, 下一步收集校园每个角落的数据信息, 收集的数据应包括方位、尺寸、特征、相关资料。其中, 特征是对所收集对象的其他信息描述, 如"教学楼前左右各有5棵松树";相关资料是在实地考察步骤所采集的照片依据, 便于在建模环节参考, 避免重复实地考察的步骤。
(3) 数据分析
根据所收集的数据进行分析, 减少数据重复, 对可以复用的数据进行标明, 保证数据最大限度的简洁。
(4) 整体规划
结合校园实际, 对校园虚拟校园环境进行整体规划, 划分功能区域, 如教学区、生活区、活动区等, 并附上相关的数据, 使于在建模环节的设计需要。
3.2 平面图绘制
数据收集是虚拟校园设计的数据支持, 平面图的绘制的虚拟校园设计的蓝本, 涉及到建模环节的比例规范和场景组建环节的模型定位, 影响整个虚拟场景的仿真程度。AutoCAD是计算机辅助设计中必不可以的设计软件, 利用AutoCAD绘制平面图能保证尺寸比例的最佳效果。
3.3 虚拟场景建模
虚拟场景建模是整个设计中关键的环节, 模型的比例直接影响到虚拟场景的仿真程度。在建模的过程中, 必需严格按照所提供的数据进行设计, 以保证所建立模型的合理比例。3ds MAX是一款优秀的三维造型设计软件, 它提供的基本体建模、复合建模、网络建模、面片建模、多边形建模和NURBS建模等建模方法, 能够满足建模的需要;另外提供的材质贴图、灯光效果、摄像头等效果, 能够保证场景的仿真性。
这一环节需要完成校园地势基座、主要建筑群体 (如校门、教学楼、实训楼、办公楼、活动中心、宿舍、食堂等) 、校园装饰物 (结构简单的模型也可以使用VRML进行建模) 。最后, 需要把每一个模型文件导出成.wrl格式文件, 以便于下一环节的场景组建。
3.4 虚拟场景组建
VRML是以节点式管理的建模语言, 每个.wrl文件代码结构如图1所示。主编组节点是整个文件节点的根, 它可以包含一个或多个成员节点, 成员节点的坐标、角度、缩放等属性可以通过域节点进行设置。成员节点用Transform节点进行坐标系变换, 用Inline节点内联和复用外部.wrl文件。以组建"教学楼.wrl"文件为例, 成员节点的VRML代码如下所示:
整个虚拟校园场景可以看成由一个主编组节点和多个成员节点组成, 代码的结构示意图如图2所示。
3.5 虚拟场景交互
在安装VRML浏览插件的浏览器中打开.wrl文件, 浏览器提供对应的操作按钮便于用户的操作, 用户可以通过选择对应的浏览模式在虚拟场景中自由走动。为了使用用户在场景中能有更多的交互和提高场景浏览的便捷性, 需要在虚拟场景中添加功能节点, 实现如场景间的跳转、路牌展示、浏览者基本信息、场景视觉角度的变换、场景中对象的添加删除等功能。
(1) 链接物节点
在HTML中, 网页文件间利用超级链接进行页面间的跳转, 与HTML网页类似, VRML文件间的跳转则可以利用链接物节点 (Anchor节点, 又称锚节点) 。网页文件跳转到VRML文件则可以使用A标记来实现:<a href="VRML文件名">链接文字。用大规模虚拟场景, 可以根据建筑群的功能进行小区划分, 每个小区组建成一个场景文件, 在对应的路口添加上链接物节点, 方便用户浏览。
(2) 朝向节点
在Billboard节点中设定旋转轴, 能保证对象能始终以正面面对用户, 在场景中用来设定路牌, 为用户指明方向。
(3) 浏览者信息节点
在场景中利用NavigationInfo浏览者信息节点为用户设定如体宽、身高、步高等信息, 使用户在虚拟场景中有一定的实体感。
(4) 视点变换
Viewpoint节点能实现视点变换功能, 让用户更快捷地通过不同的角度在场景中进行浏览。
(5) 利用EAI实现交互
VRML在虚拟场景实现交互有两种方法, SAI和EAI。SAI (Script Authoring Interface) 是节点创建接口, 通过创建Script节点并编写相应的脚本文件可以实现场景内部的控制。EAI (External Authoring Interface) 是VRML与JAVA进行消息传递的接口, 通过EAI可以实现Java-applet与VRML的通信, EAI可以实现虚拟校园场景和外部程序的交互。EAI在VRML的事件模型的基础上, 实现了三种类型的VRML场景的访问: (1) 访问VRML场景的节点。 (2) 发送eventIn事件给场景中的某一节点。 (3) 读取场景中某一节点的eventOut事件。利用EIA能够在虚拟场景中很灵活地实现视点变换、对象的添加与删除、信息查询等功能。
4、结语
本文在原有的虚拟校园设计思路上进行改进, 增强虚拟校园设计的交互性。虚拟校园场景是虚拟场景设计中最为广泛应用的, 它是学校在网络上向外界展示趋于真实的校园环境最为方便的窗口, 也能为商品虚拟展示平台、虚拟小区、虚拟实验室提供参考。
摘要：虚拟场景是利用计算机多媒体技术和虚拟现实建模语言 (Virtual Reality Modeling Lan-guage) 通过模拟现实场景而虚拟出来的三维仿真场景, 是桌面虚拟现实系统最典型的应用, 具有开发周期短、成本低、实用性强等特点, 主要用于商品虚拟展示平台、虚拟小区、虚拟实验室等领域。本文主要以交互式虚拟校园场景的设计为例, 介绍虚拟场景设计的完整过程。
关键词：虚拟场景,AutoCAD,3ds Max,VRML,EAI
参考文献
[1]虚拟现实技术.曾芬芳著.上海交通大学出版社.1997
[2]VRML虚拟现实网页设计.汪志达, 叶伟著.清华大学出版社.2006
虚拟场景动态交互式可视化的研究 第6篇
虚拟现实技术的应用日益深入,和其他计算机技术的结合也越来越密切。分布式虚拟环境、三维地理信息系统(GIS:Geographic Information System),是虚拟现实技术分别和网络技术、GIS技术相融合的典型。
但是,目前虚拟现实技术的相关研究侧重于虚拟场景的逼真表现和高度的沉浸感,对场景内空间实体的数据模型及动态交互关注相对较少。虚拟场景中的大量空间信息,不能够有效地被用户利用;基本的空间操作仅仅局限于漫游控制,且交互性不高,难以反映操作对象和其他实体间的联系。解决这些问题,首先需要采用合适的空间数据模型和数据结构,对海量的空间数据进行组织、存储;其次,强化对空间实体行为动作的定义,在空间操作时附加实体间的关联进行约束。
1 相关研究
1.1 空间数据模型和数据结构
三维空间数据模型包括几何数据模型和拓扑数据模型,前者关注于空间单个对象的表达,而后者处理的是空间对象集合中各个对象之间的空间关系。目前对空间几何数据模型的研究主要有:基于镶嵌的数据模型,如三角网与格网模型、三维体元模型、八叉树模型;基于矢量的数据模型,如边界表示模型、线框模型;混合数据模型,以面向对象的数据模型为代表;函数型数据模型等等[1]。
空间数据模型是对客观世界的抽象,是空间数据的组织方式,空间数据结构则是空间数据在计算机中的物理存储方法。三维空间数据结构可分为矢量和栅格两种。矢量数据结构适合于不规则几何对象的数据存储,空间实体被表示成带有属性的点、线、面和体对象,实体间的拓扑关系比较清晰。栅格数据结构把空间实体看作由相同的细小单元块组成,结合使用空间索引系统存储实体的相关数据,主要用于数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)两类数据。
面向对象的空间数据模型中,分析现实世界中同一类型或者相似类型的空间实体,并将它们抽象为点、线、面、体四个基本数据类型。抽象出的数据类型是这一类型和与该类型有关操作的封装。利用四个基本的数据类型,可以表示大多数的空间实体,对于复杂的实体,需要重新进行抽象,得到符合它的数据类型,然后对其进行描述。例如:在描述地形地貌时,用基本的数据类型无法实现,只有对地形地貌进行抽象,引入DEM对象的抽象数据类型,才能够表达多尺度三维真实地形状况。龚健雅在对矿山空间对象进行分析抽象时,定义了20种空间地物,抽象归并为13类数据类型,较好地处理了复杂、特殊的三维对象问题[2]。
1.2 基于语义的动态交互技术
虚拟场景中的对象,不仅具有几何特征、属性特征,还包含和其他对象间的关联特征,对象自身的约束规则等等。纪连恩等提出了基于语义的三维交互技术[3],给出了语义对象的多组件体系结构。在体系结构中,一个语义对象除了包含基本的几何、属性特征外,还包含交互上下文的语义信息,由图形构件、行为构件、规则构件、交互构件和应用构件组成一个较为完整的语义对象。图形构件描述对象的基本特征,行为构件表达对象的行为,规则构件表达对象的交互规则和所受约束,交互构件和应用构件分别表示对象可响应的事件和与对象相关联的任务。
2 基于VRML的指令处理框架
利用VRML(Virtual Reality Model Language)来可视化虚拟场景,是因为VRML基于对象、结构化强的特点,另外,VRML提供的节点、原型重用,感知与检测,脚本程序控制等机制,适用于场景的动态生成和操作控制。
虚拟场景中的空间操作整体上分为三个步骤:用户操作(manipulation),事件处理(response and execute),结果反馈(represent)。采用封装技术能够实现事件处理过程的高度沉浸感和完全透明性,即用户无须了解事件处理的流程,直接获得相应的反馈结果。结合VRML的技术特点和相关应用,设计了如图1的框架。
框架中,对指令的处理流程进行了详细设计。输入(Input)是用户的具体操作,将被发送到解释器(Translator)中进行指令的分解、翻译。用户一个动作的输入,往往是多个处理过程的集合:例如一个开灯的动作,计算机在接收到指令后,需要将开关转到“可关闭”状态,房间状态为“明亮”,房间内的其他物体可见等等。因此,良好的指令分解和翻译,可以提高事件处理的效率和整个交互任务的完成质量。
在执行模块(Executor)中,传感器(Sensor)负责监听,将解释器传来的指令流传递到路由(Route)。路由在传感器的事件出口和指定节点的事件入口间起到跳转作用,如果遇到复杂的过程,则需要跳转到脚本(Script)节点的事件入口,利用节点内的程序代码完成相关的操作。执行模块还需要结合规则(Rule),对程序的执行进行约束和限制。
VRML中除了节点构成的体系外,还有事件体系,它由相互通讯的节点组成。事件有事件入口(event In)和事件出口(event Out)两种接口类型,事件入口负责监听和接收外界事件,事件出口则负责向外界发送节点产生的事件,出口和入口利用路由相连[4]。整个指令处理的过程就是一系列相关的事件链,事件链的头由传感器或脚本来产生,事件链的结束以对VRML文件中属性节点(Attribute Node)的修改完成为标志,最后将新的场景输出渲染。
3 虚拟场景动态交互的分层设计
虚拟场景中进行动态交互时,对某个实体进行相关的操作,首先要改变该实体的几何和属性状态,然后根据关联特征,改变和其有关联的实体的几何、属性状态,最后完成整个场景的状态改变和更新。利用面向对象的空间数据模型,对特定场景中的实体进行抽象,将抽象出来的数据类型存储于空间数据库中[5]。对场景进行可视化时,从空间数据库里读取空间信息,动态生成场景。另外,结合基于语义的思想,对场景中的单个实体进行封装,将它的几何特征、属性特征、关联特征、相关动作封装在一个模块内,整个三维虚拟场景可看成多个实体封装模块的集合。当对一个模块进行操作时,只需要改变该模块以及和它相关的模块状态即可。根据上述的思想,对虚拟场景进行层次划分:实体模块层,指令解释、执行层,显示层。在动态交互中,用户在显示层中的操作被送到指令解释、执行层,解释、执行层和实体模块层进行通信,结果由实体模块层返回显示层。具体的结构见图2。
底层为实体模块层,是虚拟场景中实体对象的集合,包含个体状态、执行部件和内部规则三个部分。个体状态是个体的几何特征、属性特征的空间显示。在个体几何特征的存储上,可以借用矢量数据结构,按点、线、面、体、复杂对象进行存储。属性特征是空间状态中的另一重要方面,在对属性特征进行处理时,同样可以借助面向对象的思想,对属性特征进行抽象,如抽象出颜色、材质、纹理等基本数据类型。但是目前常见的处理方法是将属性特征放到专题文件中进行存放。内部规则是实体自身受到的约束,比如起重机最大起重量的限制,在虚拟场景中就不能执行超过最大起重量的任务。执行部件,是程序控制部分,利用代码实现空间数据库的读取、VRML文件的生成、修改和内部规则的比照。
指令解释、执行层负责监听虚拟场景的操作,并将操作进行翻译、分解,结合虚拟场景当前的整体状态,将指令分发到不同的实体模块。在指令分发的同时,需要参照外部规则,即场景中各个实体之间存在的显性的或者隐性的关联,确保将指令传递到正确的实体模块。显示层对VRML文件进行渲染显示,对用户的操作能够及时准确地捕捉并发送至解释、实行模块。当处理结果完成返回时,接收新的场景,完成场景的更新。在VRML文件的相关操作中,借用基于VRML指令处理的框架,完成监听、控制、修改等任务。
4 用例
根据分层设计的思想,在起重作业模拟操作训练软件中进行实现。起重机在进行起重作业时,其每一节起重臂可以看作个体,其几何特征近似于规则的柱状体,所以在数据库中存储较为方便。系统的结构图见图3。解释器对受训者的操作指令进行解释分解,查看当前起重机的状态,读取起重机各部件之间的牵制和联系,将指令发送到对应的部件模块执行。部件模块收到指令以后,如果该部件的VRML文件已经存在且无需重新生成,则直接进行相关数据的修改,使其状态变化到执行后的效果,并反馈到场景中进行更新。如果需要重新生成VRML文件,则从存储空间信息的数据库中读取信息,生成VRML文件。
如图4所示,在起重作业模拟训练软件中,比如需要将起重臂的第二节臂伸长5米。首先,读取场景的整体状态,倘若起重机没有处于工作状态,则显示“不可操作”。当起重机处于工作状态,解释执行部件查看和第二节臂相关的部件,有第一节、第三节臂,操作盘的指示灯,挂钩和挂绳。分别将指令传到这几个部分,由其模块内部自行计算状态的改变。则各部件反馈回的结果是第一节臂无变化,第三节臂位置相应上升5米,控制台指示灯显示第二节臂伸展状态,挂钩和挂绳的相对位置,在和起重臂所成角度的方向上,移动5米的距离,完成状态改变。
5 结论
本文结合面向对象的空间数据模型,对虚拟场景中的实体进行抽象,依据不同的数据类型进行存储。参考基于语义的交互技术,对实体及其相关操作进行封装。利用VRML相关技术,对虚拟场景进行显示,利用对VRML文件的操作,完成动态的交互式的可视化任务。
在起重作业模拟操作训练软件中,贯穿了文中的设计思想,效果明显,能够准确地完成训练操作中的各种任务。但是在空间信息显示方面,做得还很不足,这也是以后进一步研究和实践的重点。争取能够更好地利用空间数据库中的信息,在空间信息的展示、空间分析、空间决策等方面,有进一步的突破和提高。
摘要：文章介绍了虚拟场景动态交互式可视化的研究现状和面向对象空间数据模型,基于语义的动态交互技术,描述了VRML中动作响应的架构,提出了基于面向对象空间数据模型的虚拟场景的动态建立和可视化,以及空间操作分层处理的观点,结合项目实例加以验证和实现,最后对已做工作进行总结并展望下一步的工作。
关键词：虚拟场景,面向对象,VRML,分层模型
参考文献
[1]符海芳,朱建军,崔伟宏.3D GIS数据模型的研究[J].地球信息科学,2002,4(2):45-49.
[2]龚健雅,夏宗国.矢量与栅格集成的三维数据模型[J].武汉测绘科技大学学报,1997,22(1):7-15.
[3]纪连恩,张凤军,付永刚,等.虚拟环境下基于语义的三维交互技术[J].软件学报,2006,17(7):1535-1543.
[4]申蔚,夏立文.虚拟现实技术[M].北京:北京希望电子出版社,2002.
交互式虚拟实验 第7篇
1 全媒体交互式演播的概念
“全媒体交互式演播室”顾名思义, 可以理解为, 现今所有的视音频信息, 包括广播、电视、纸媒、网络等信息通过一种艺术性的创作播出平台, 实现综合信息发布过程中, 形成了一个庞大的互动群体, 这个群体的所有互动信息, 能够经过实时采集, 内容审核, 输入到一个演播环境当中, 在这个演播环境内由主持人表演和演绎, 将这些信息有效地传达给观众, 并且在主持人的表演过程中可以与电视观众、现场嘉宾、屏幕背景等其它设备进行实时互动, 这样就形成了一个整体的全媒体交互式演播室的概念。
我们可以以近两年浙江卫视最火爆的电视节目《中国好声音》为例, 在这档节目中, 其录制的演播室空间就实现了一个“全媒体交互式演播室”的环境, 从现场主持人华少的全场走位, 四位嘉宾导师的转身, 到参与表演的选手, 全场互动的观众, 媒体评委的投票、再到电视机前观看节目的观众, 就形成了一个庞大复杂的互动群体, 这个群体中任何一个人都可以通过电视节目播出的平台进行互动, 即便是录播形式, 也是可以看到各种虚拟技术的植入, 屏幕背景的融入。电视节目制作过程中, 每个环节都是一个艺术与技术融合的交互平台。“全媒体交互”的演播环境, 无疑使节目内容形式更加丰富, 更加新颖, 使观众耳目一新。
对比以往电视节目直播或录播的演播环境, 我们从各大卫视新闻、综艺或娱乐等节目的播出形式上可以看到当今电视节目的转型, 传统节目不再被推崇。看过2015 年的春节联欢晚会的人大都会赞叹舞台的壮美华丽, 各种屏幕背景的流光溢彩, 艺术画面的唯美, 花开花落的诗情画意, 灯光绚烂下的丰富多彩, 连观众席都布满了节目的氛围, 场内固然是云里雾里极为华丽, 但是参与春晚制作的技术人员, 或是去观摩过大型演播节目录制的导播间的人都知道幕后团队人员的庞大性, 技术岗位的要求人员越来越多, 分工也是越来越明确、细化, 以前重要工种导播的职位, 或许是1 个人就可以搞定节目的整个切换流程, 而如今, 导播除了要有总导播顾全整个节目画面的流程及切换, 下面还要细化分为技术导播:专门负责摄像机机位的切换, 另外还要多增加一个或者几个的在线包装的工位, 负责节目的字幕条、虚拟物件的播出与停止, 摄像机工位也会多出一个场外云台控制的虚拟摄像师等等, 节目元素越是华丽丰富, 效果极具吸人的眼球, 则工程量, 人均量、技术量就越是浩大。春晚的舞台作为一个复合多元化的“全媒体交互式演播室”互动平台, 令人耳目一新的不单单是舞台的华丽, 更重要的是它实现了一个大型的交互平台, 实现了全国13 亿人的全体互动, 这个互动是介于腾讯公司推出的App软件平台——“微信抢红包”, 节目中虚拟卡通动画人物“羊羊”与主持人撒贝宁现场发红包, 与全国观众进行现场互动, 这就是一种演播现场信息与场外观众互动的一个“全媒体交互式演播”技术的实现过程。
2 电视节目制作的艺术化
由于媒体技术的发展, 电视节目不光在技术的播出上发生了变化, 在内容制作上也有了一定的创新。电视节目内容由最初的静态的图文信息变成动态内容。我们现在看到的电视节目不再是大篇幅文字或静态图片内容, 而是由图片、动画效果、声音混响等结合起来的“全动态信息”。主持人也由单一静止的坐播播报信息的形式, 变为走下坐播台, 在一个演播室的环境里, 灵活走动的站播播报信息的形式。同时, 主持人在走位播报过程中, 可以与摄像机、大屏幕以及节目内容进行互动, 实现了一种生动、实时虚拟现场的艺术化效果。
当然, 电视节目的艺术化效果也对电视节目制作技术本身提出了一定的需求, 比如:大屏幕内容的运动效果会要求在技术岗位多增加一个前期虚拟内容制作的工位;主持人与信息内容互动要求对摄像机技术以及摄像师的云台控制技术有一定的要求;灯光的运动要求灯光设计师了解节目流程的变化及主持人的走位等。要使电视节目内容形式更加生动化、多样化、实时化、互动化, 就要对技术人员, 包括主持人、摄像师、灯光师、媒体包装人员等整个节目团队每个工作人员都要从一个静态环境转变到一个动态环境的过渡过程, 这种过渡的转变是现今电视观众对电视传媒领域的一个基本需求。
当然, 对于一个节目制作的本身来讲, 各种节目内容视觉化传达的实现, 最主要的目的还是为了让观众充分的理解节目所要传递的信息。在过去的电视节目中, 主持人表演、镜头运动以及节目形式是通过连线或者是画面切换来达到信息传播逐渐递进的关系, 这种递进关系固定而老套的思维已经难以驾驭观众对信息的价值需求了, 从各大电视台新闻、娱乐、综艺节目的改版趋势可以看出, 电视节目制作的艺术化必定成为电视行业发展局势, 要艺术化, 就要从电视节目内容本身的创新形式改变, 来增加节目内容传达的丰富性与视觉上的互动。
3 电视节目传达的多维化可视化
作为观众来讲, 每位观众都有自己独特的方式来选择自己接受信息的途径, 网络也好, 电视报刊也好, 在各种各样的信息充斥在我们生活周围的同时, 信息变得越来越过于抽象, 人们接受信息的思维也会有所选择, 再加上社会信息量越来越多, 信息的抽象性就变得越来越复杂, 于是, 大众群体的想法开始倾向于看到简洁、愉快、具象的信息, 这就需要电视节目制作人员将实实在在的信息经过艺术性的可视化处理变为简单明了的信息。比如电视上正在播出两辆车相撞的交通事故, 如果主持人一味的在口播当时的现场情况, 以及产生的碰撞的详细情况, 或许只在播报的中间插入一张图片来描述当时的情景, 这张图片是事后拍摄的图片, 这样会使观众觉得抽象, 要费脑力去想象当时事故的现场的情况, 即便这样, 每个人的想象空间也是不一样的, 再加上事故现场的实时性, 如果不在交通摄像的监控范围内, 是不可能有直接的影像资料可以看到整个事故的发生的过程, 这就需要虚拟图文内容的制作人员进行一个艺术化的处理, 用三维软件的虚拟动画效果, 还原事故现场的过程, 这样观众就可以直观具象的看到事故现场, 直接地接收节目所要传达的信息, 从而达到了电视节目内容的播出效果。所以, 电视节目信息的设计、总结、概括以及演播的过程, 是需要一个可视化的艺术处理的, 这样的电视节目, 观众才会主动去选择观看, 这也是电视行业未来的发展趋势。
以节目《绝对忠诚》为例, 内容上的关键字是“正”和“忠”, 其中“正”和“忠”二字的意义是现今社会上最缺失, 也是人们最想要的东西, 这档节目是湖南卫视继“最美县委大院”后弘扬主旋律、传播正能量的新闻宣传精品力作, 这档节目是介绍我们身边一些科学家的故事, 他们是一些普通人, 默默无闻辛劳的工作者们。节目一经播出就受到了很大的欢迎, 各个年龄段的观众都喜欢这个节目。《绝对忠诚》节目组把每一个事件做成一个专题, 一边播放做好的宣传片, 另一边派出了一个转播车对播放的这个科学家进行连线, 做成现场的形式, 这是电视手法上的一个创新形式, 这样的播出形式, 观众不仅了解了科学家们的事迹, 也了解了他们的背后的家庭故事。这种节目制作形式还有浙江卫视主打节目《中国好声音》, 湖南卫视的《我是歌手》等。《绝对忠诚》在节目先期都用了60 台摄像机来录制选手背后的故事, 录制完成后进行剪辑, 然后融入到播出节目里面, 第一时间传达更多的信息给观众, 不仅仅现场了解到了采访者本人及他们一些背后的故事, 还向电视机前的观众传递了在场观众和采访者的互动, 这样的节目形式从广度、深度上都能够体现出电视节目传达多维化的元素。
4 创新节目形态与视觉艺术的管理
电视节目形态是节目内容与节目形式的一种复杂综合性的表现, 电视节目形态上的创新是电视观念化, 手段综合化的体现。新的技术能够让节目形态能够更多的创新, 包括多媒体技术、虚拟现实技术、数字交互技术、全媒体汇聚整合技术等都是内容汇聚的技术, 而电视行业需要做的是如何把广泛海量的内容整合、审核、处理, 为电视节目的内容本身服务, 从而实现更多新的节目形态。电视节目的包装技术与节目主持人同样也是为节目形态的创新而服务的, 现今新型的节目主持人不光要有基本的主持技术能力, 还要具有很好的表演能力, 包括主持人语气的变化、节奏的控制, 情绪的表现都会对节目的形态有一定的影响或推动, 因为主持人是观众的代表, 代表电视机前的观众对新闻观点的评论。
在电视节目烦人视觉艺术体系上, 可以将电视工程分为两部分:视音频集成与艺术集成。同时影响电视画面艺术的有6 个方面:舞美、灯光、摄像、主持人造型、视频、包装, 这6 个元素恰好构成了一个“艺术集成”。而现在大多电视台都会把这个6 个方面孤立起来, 做舞台美术设计的就是独立的舞台美术设计, 灯光师就是独立的灯光师, 栏目包装同样也是独立起来的单独包装。电视节目制作应该是一个统一的整体, 就像要制作一个产品, 要有一个产品的制作的统一的流程, 有创意、设计方案、制作过程、最终成品等, 所有的集合元素都要有一个统一的原则和规划, 就像一部电影的制作过程一样, 只有经过统一的管理融合才能够达到节目所要的形式效果和传播意义。
5 电视节目制作人才“融合跨界”
现在电视台、电视媒体行业都普遍最缺的是一种新型人才——“跨界人才”, 这也是各大电视台的技术人员以及将要从事电视行业参加各种交流培训的原因之一, 新型的设备技术一旦从国外引进国内, 就会掀起一股培训的风潮, 这领域的工作人员不光要了解电视节目制作的整个流程, 还有能精通一个以上工种岗位上的专业知识, 这就是我们所说的“复合型人才”。甘肃卫视火热播出的一档军事话题栏目《决胜海陆空》, 节目中的组持人芦强, 他既是节目主持人又是编辑、同时也是导演, 一人兼多职, 另外, 凤凰卫视大多数的节目中, 主持人也是编辑。
“跨界人才”已成为电视行业的一种需求, 主持人、灯光师、摄像师等电视节目制作的各个岗位, 都要相对性的学习了解相连的专业知识, 如灯光师是为摄像服务的, 摄像是为导演服务的, 导演的需求与主持人的表现又息息相关, 而主持人的表现正是节目所需要的形式效果, 当然灯光师也是主持人的造型师, 如果一个摄像对灯光、造型知识都能够融合跨界了解, 这样电视节目最终会实现更加完美的效果。
总之, 任何交互性媒介的融入及虚拟演播技术的进步, 都将为电视节目内容本质而服务, 电视节目的创新关键在于电视节目制作之初衷, 以传播“信息”为主, 要将什么样的信息以怎样有效的方式传递给观众, 最后要得到怎样的反馈, 这是关键。不论现代科技媒体如何进步, 电视制作技术手段如何革新发展, 都将会为电视节目的制作带来更多的可能性、丰富性、多元性、生动性与实现性。
摘要：本文主要探讨“全媒体交互式虚拟演播技术”在电视节目中的艺术形态及其技术实现形式, 通过现今传统电视节目的发展变化, 分析电视节目制作中虚拟技术交互性的应用及存在的问题, 以期推动我国电视产业更好的发展。
关键词：全媒体的交互性,虚拟演播技术,全媒体交互式演播室技术
参考文献
[1]李晋林.电视节目制作技艺[M].北京:中国广播电视出版社, 2008.
交互式虚拟实验 第8篇
近几年,虚拟维修[1]已经成为大型设备进行维修性分析、核查、辅助维修操作训练非常有效的技术手段。为了验证产品的维修性,沉浸式虚拟维修系统提供了非常逼真的维修环境,它能让工人感觉像处在真实的维修操作过程中。而模拟仿真工人的动作是至关重要的一步。很多知名的虚拟人物实验室[2]为虚拟人物模型开发了他们自己的实验系统,比如著名的仿真软件JACK、3D显示系统CAVE、达索公司开发的DELMIA等。近两年光学运动捕捉技术得到应用,通过捕获运动数据驱动虚拟人模型,使得虚拟人物动作控制变得高效和精确,但该方法所使用的运动捕捉设备成本偏高,难以推广和广泛应用。针对此情况笔者通过KINECT和UNITY的交互来实现对虚拟人的运动控制,在此基础上提出了基于UNITY的交互式虚拟维修仿真系统,在此系统中人只要通过身体动作就能控制虚拟人的运动,既方便又提高了仿真效率,同时降低了开发成本。
1 虚拟维修仿真系统总体方案设计
整个虚拟仿真维修系统的开发研究大体分为两个部分:①基于UNITY结合KINECT实现对虚拟人的运动控制;② 基于维修过程分解并引用标准维修动素[3]概念,设计维修动素类的时间方法进行维修时间仿真。图1为虚拟仿真维修系统总体结构框图。
2 虚拟人的运动控制
虚拟人模型的运动控制是通过控制模型的各个骨骼实现的。虚拟人在虚拟环境中的位置和方位是靠它的根节点决定的。模型的每个骨骼都有一个局部坐标系,对应每个骨骼的坐标方向是有定义的,并且保持不变。所以控制虚拟人的方法就是通过旋转模型指定骨骼的局部坐标系以改变它在虚拟环境中的方位。每个节点下都至少有一个骨骼,每个骨骼只对应有一个父节点。骨骼随父节点而变化,节点随着上级骨骼而变化,这样在同一坐标系下所有骨骼和节点都会随着更新变化,从而达到了虚拟人运动的效果。
结合KINECT和UNITY的虚拟交互,KINECT可获得人体骨架关节点[4]信息,分为24个关节,对应地选择总共24个主要身体关节点来建立虚拟人模型,各相邻关节相互连接,其中腰关节为根节点,它控制虚拟人的位置和方位。图2为虚拟人骨骼框架图。
结合KINECT和UNITY的交互来实现虚拟人动作仿真,进行接口设计来保证数据的传输和信息匹配。接口的功能主要有:① 进行运动数据重定向,把KINECT获得的运动数据经过一系列运算重新定向到虚拟角色模型而使动作保持原有特性;②实现虚拟角色骨骼模型与运动数据节点的绑定,其中KinectModelController是一个非常关键的程序,它依附在想要应用KINECT控制的虚拟角色模型上,为了让模型能够跟上人的节奏,需要将模型上控制模型动作的各个关键骨骼依附到这个脚本程序对应的公有变量中,也就是将模型中的骨骼与KINECT识别到的人的骨骼绑定起来。KinectModelController部分程序代码如下所示:
在Update方法中除了调用RotateJoint()方法旋转虚拟人模型骨骼来控制躯干运动,还需定义一个方法驱动虚拟人模型走动。最后人需要站在KINECT摄像头可视范围内,通过身体动作就能实现对虚拟人的运动控制。控制虚拟人运动的效果如图3所示。
3 维修时间仿真
3.1 维修动素库的建立
装备维修是一个复杂的过程,需针对某个维修活动作层次化分解,分解为维修活动层、维修任务层、基本维修任务层和标准维修动素层。在虚拟环境中,虚拟人维修动作的速度是可以人为操控的,所以不能按照传统的记录维修时间的方法来统计虚拟维修作业时间,需要建立一套装备基本维修动素库,且每个维修动素都有一个对应的标准时间值(各动素时间是根据实际维修操作采集的数据,具有较高的可靠性)。标准维修动素持续时间短、相对变化小、具有相对独立性和固定的作业流程。对于各种装备的各种故障所对应的维修动作,归纳出经典的装备维修事件[5],将其全部分解到不可再分解的基本维系动素,如走一步、伸手、抓取工具、移动工具到维修部位、旋转一圈螺钉等。通过统计、整理,分析出足够多的动素,建立装备维修动素库。按照维修过程分解的步骤,对“拆卸航空发动机放气活门”这一维修事件进行分解,可分为6 个基本维修任务,然后将各基本维修任务分解为标准维修动素。“拆卸放气活门”分解情况如图4所示。
3.2 维修时间模型设计
传统维修时间验证主要依托装备实物样机进行,然而在装备设计阶段一般缺乏物理样机。目前装备的设计阶段数字样机已成为装备维修性设计协调的主要手段,这就导致维修时间验证工作难以进行,因此可通过设计维修动素类的时间方法来对维修时间进行仿真估计。
基于维修动素库进行分析,并结合实际维修操作情况,将类型相近或者在维修过程中某些连续的动素进行归类,每个动素类可包含多个动素。这些基本的动素类包括抓取动素类、定位动素类、放置动素类、旋转动素类、运送动素类、控制动素类、走动素类、调整姿势类等。
设计动素类的时间方法[6]需考虑各种因素,动素类时间方法输出值会随各因素的变化而发生变化。例如定位操作的目的是确定维修操作的具体部位,影响定位操作的因素有视角的大小、光线的强弱、空间可达度等。
为确定的各个维修动素类设计动素类的时间方法,以实现在虚拟维修仿真系统中的调用。现以定义“旋转动素类”时间方法为例进行分析,具体步骤如下:①判断旋转对象的尺寸规格;②判断是否使用工具;③分析操作空间的影响。部分代码如下:
实际维修操作过程中,人的因素是非常重要的,它决定了工作的效率。随着人操作姿势的舒适度、疲劳度、操作的熟练度不一样,人工作的效率就会不同,因此需要定义一个修正方法来返回一个修正系数对仿真数据进行修正。
4 虚拟维修仿真效果
在虚拟维修环境中,为实现虚拟人和各数字模型之间的交互,还需在各动素类中定义一个对应的交互方法,并将各维修动素类程序集成到虚拟仿真系统中。由KINECT控制虚拟人走动到操作部位并调整好操作姿势,在操作过程中,虚拟人每一个动作都实时触发对应动素类的交互方法和调用时间函数,从而既达到了虚拟人运动仿真的目的,也实现了对维修时间的估计。
以“拆卸航空发动机放气活门”这一维修任务进行仿真,统计得出仿真时间为553.3s,再根据修正方法输出的修正系数对仿真数据进行修正,得到最终的维修作业时间,通过验证该方法与实际维修操作情况基本相符。“拆卸航空发动机放气活门”仿真效果如图5、图6所示。
5 结语
本文提出了一种基于UNITY仿真平台并结合了KINECT关键技术的虚拟维修仿真系统。该系统通过人用身体控制虚拟人模型进行维修过程的仿真,根据维修过程分解的思想设计维修动素类时间方法,在仿真过程中通过调用时间方法以实现维修时间的模拟计算。通过实例验证,表明该方法基本符合实际维修操作情况,为实现产品设计阶段并行开展产品维修时间的验证工作提供了方法和思路。
摘要：基于UNITY强大的虚拟仿真功能和便捷的交互性,在UNITY虚拟仿真平台下,通过与KINECT的交互接口设计,实现在虚拟维修环境下对虚拟人的运动控制,以虚拟人来进行相关部件维修操作。结合维修过程分解的思想并引用维修动素概念,通过设计维修动素类的时间方法来实现在虚拟维修系统中对航空设备维修性时间参数的分析与估计,为产品研制阶段并行开展维修性定量分析提供了方法和思路。
关键词：UNITY,虚拟维修,仿真
参考文献
[1]于海全,彭高亮,刘文剑.基于虚拟环境的维修性信息模型的建立[J].兵工学报,2010,31(7):97-100.
[2]Chen Shanmin,Ning Tao,Wang Ke.Motion control of virtual human based on optical motion capture in immersive virtual maintenance system[C]//2011International Conference on Virtual Reality and Visualization.[s.l.]:[s.n.],2011:52-56.
[3]李星新,郝建平,柳辉.虚拟维修仿真中维修动素的设计与实现[J].中国机械工程,2005,16(2):155-160.
[4]尚华强.基于Kinect的虚拟人物动作仿真研究[D].杭州:杭州电子科技大学,2012:21-43.
[5]徐达,王宝琦,吴溪.基于虚拟仿真的维修性定量指标验证方法[J].航天控制,2013(1):86-90.
交互式虚拟实验 第9篇
【关键词】第五媒体 虚拟现实与交互技术 数字化校园 应用
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2016）03C-0186-03
信息技术的发展体现为既快速又宽泛，如何为信息技术进行归类，以便探讨数字化校园建设对信息技术的应用呢？本文在梳理现有新技术的基础上，从虚拟现实与交互技术角度探讨其在数字化校园中的应用。
信息接收终端建设问题是数字化校园建设要着力解决的问题之一，因此探索创新型数字化校园中虚拟现实与交互技术的应用，就要考察现有的信息接收终端并深入研究最新的信息接收终端。随着移动通信网络的快速发展，特别是以3G移动通信技术为代表的新移动通信网络的发展，“第五媒体”作为最具代表性与最具创新性的信息接收终端受到世人瞩目。“第五媒体”主要是以移动网络为运行平台，以手机媒体为典型代表，有别于传统媒体形式的新的信息接收终端。本文主要以“第五媒体”为信息接收终端，以虚拟现实与交互技术为手段，以创新为标准，探索虚拟现实技术与交互技术在数字化校园建设中的应用。
一、虚拟现实与交互技术在数字化校园环境中的应用
数字化校园环境主要是指校园虚拟环境，因此本文探讨的是虚拟现实与交互技术在校园虚拟环境中的应用。
（一）在虚拟学习环境中的应用
以3G移动通信技术为网络应用平台，结合Internet互联网，搭建校园网络平台，以校园网络平台为基础形成校园虚拟社区，以虚拟社区为单位，创设虚拟学习环境。
AR（Augmented Reality）增强现实技术是计算机生成的一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使用户融入到该环境中，实现用户与环境的自然交互。通过增强现实技术，以手机为信息接收终端，可以在校园实体环境周围形成一个个社区，从而形成虚拟学习环境。例如，在校园公告牌旁（可作为一个社区）设置增强现实技术接入点，学习者可以通过虚拟投影、即时互动、校园信息无线接收、专属账户管理等方式获得互动性学习信息。当学习者需要查阅相关领域的书籍文献时，可以不必进入现实的图书馆查阅，而是通过API（Application Programming Interface）应用程序编程接口的文件传输功能进入到虚拟图书馆查阅资料。在资料的呈现方式方面，借助于AR增强现实技术，将查阅到的资料以虚拟投影的方式呈现，可以是图片形式，也可以是视频形式。甚至可以通过AR增强现实技术在现场模拟图书馆的空间结构，结合LBS（Location Based Service）基于位置服务的技术，将对现实图书馆书籍摆设位置的定位模拟呈现在现场的虚拟图书馆空间结构中，从而形成可感知的，集视觉、听觉、触觉、动感于一体的虚拟图书馆资料查阅过程。在虚拟校园社区中，基于AR增强现实技术、API应用程序编程接口技术、LBS基于位置服务的技术创设虚拟的学习环境，将学习的过程由现实环境拓展到虚拟环境中，学习过程将充满乐趣。
（二）在虚拟地理环境中的应用
现今大学校园的建设规模越来越大，校园的地理空间越来越宽阔，随之而来的是与地理位置定位相关的校园寻呼、校园定位、校园位置服务等需求的出现。在这样的情况下，就可以应用LBS技术。LBS（Location Based Service）是指基于位置服务的技术，主要包含两层含义：首先是确定用户所在的地理位置，其次是提供与位置相关的各类信息服务。
在校园寻呼方面，以举办校园大型活动为例，在活动的准备阶段，需要进行人员的组织与召集。通过LBS技术，可以确定各人员的位置，一是可以确定校园内参与人员的具体地理位置，以便提高活动组织的效率，明确参与人员的分布情况。二是可以在活动现场确定各参与人员的具体现场位置，从而进行合理布局，掌握活动现场实况，便于现场组织与指挥。
在校园定位应用方面，校园管理者可以通过LBS技术，对校园的空间资源进行科学直观的分配。将原有的对照校园地图进行分配的传统方式转化为对照实景建筑进行分配的数字方式，比如学校内的校舍分配工作，通过LBS技术对校内建筑进行精准定位，通过互联网络传输到校园管理者的移动通信终端，再通过AR技术进行呈现，从而帮助学校管理者完成对校舍的分配。
在校园位置服务方面，校园文化建设与之关系密切。以学校主页为例，作为学校对外宣传的主要途径，现在的校园风光介绍大多以图片展示的形式出现，即使是少数以视频方式呈现，也是校园风光的片段式展示，校园网的浏览者无法获得对整个校园的全景式、立体化的感知。LBS技术就很好地解决了这一问题。通过LBS技术的校园位置服务，结合AR技术的3D定位、即时互动，浏览者可以根据自己的需要，实时浏览校园的任一位置，而且是立体化的真实场景呈现。
二、虚拟现实与交互技术在数字化校园资源建设中的应用
（一）在数字化校园资源应用平台建设中的应用
随着3G技术与互联网技术的深入融合，以智能手机为信息接收终端的第三方智能手机应用程序越来越受到关注。例如，诺基亚手机中的ovi store、黑莓手机中的BlackBerry App World、安卓的Google Play Store、Apple的App Store等，这些都是以“应用”为目的通过第三方智能手机应用程序与互联网进行连接而进行的商业赢利模式。这里提到的“第三方智能手机应用程序”统称为“APP”，也就是英文Application的简称。综合该平台建设的经济成本、普及程度、现有的技术水平以及应用的便利性等因素，数字化校园资源应用平台建设的较优方案应该是以智能手机为信息接收终端，以3G移动通信技术与互联网为网络平台，包含众多APP技术的资源应用平台。APP技术的特点，决定了数字化校园资源应用平台充满着虚拟现实与交互技术的应用。
（二）在校园公开课资源建设中的应用
通过建成的数字化校园资源应用平台，在校园公开课资源建设方面可以改变传统的授课方式。现今，有很多大学或网络开设公开课，主要的方式就是将课程进行视频录像，然后通过互联网播放，学习者可以通过网络播放器学习课程内容，但无法互动。随着校园内部数字化校园资源应用平台的建立，学习的主要途径是以智能手机为学习终端，学习的内容不是冗长的系统讲述，而是由知识点构成的短暂的趣味学习，将学习的过程融入到简短的游戏过程中。而学习趣味性的广度，则是由平台所包含的APP技术的种类决定的。APP技术在公开课资源的建设中，通过趣味性学习中的虚拟游戏的设计，可以提高学生学习的兴趣。而且，有别于现有的公开课的授课方式，APP技术可以提供学者与授者的充分互动，加强学习的效果。
（三）在数字化课件资源建设中的应用
交互是对数字化课件资源建设的一个基本要求，那么虚拟现实在数字化课件资源建设中是如何应用的呢？其实，虚拟现实技术的应用过程也是数字化课件资源的信息再包装过程。从人接收信息的各个器官来看，有资料显示，人类接收信息的80%通过眼睛获得，因此视觉信息的接收无疑是最重要的。当前所处的读图时代的特点，学习者越来越注重视觉学习资源的接收，今后视觉课件资源的制作也将是未来的一大趋势，这就为课件资源中大量虚拟现实技术的应用提供了可能。例如，通过虚拟现实技术演示机械运动，从而学习机械方面的课程；再比如通过演示某个文学故事中的场景，学习相关的文学知识，或许以后的文学课程会集合成“地图文学之旅”等。
LAYAR（用手机浏览器连接现实世界）技术是由荷兰的软件公司Sprx mobil研发设计的一款增强现实的手机浏览器，通过该技术可以将现实世界与虚拟数字内容结合在一起，从而深入了解现实世界中的信息。若将该技术应用在数字化课件资源建设中，就可以方便地实现理论应用于实践的教学目的。例如，通过这一技术可以将所有课件资源储存于校园资源应用平台，当学习者在生活中遇见学习时提到的现实事物时，可以通过LAYAR技术获得关于该事物的详细学术信息。因此，这里的数字化课件资源就不仅仅是指理论知识，还包括实践应用，而且通过LAYAR技术将理论与实践紧密地结合在一起。
三、虚拟现实与交互技术在数字化校园学习行为中的应用
（一）在数字化校园签到服务中的应用
签到的本意是指报到，用某种记录方式确认自己出席或参加某个活动。这里的校园签到服务首先包括签到的本来含义，具体则是指学校的考勤、资料的递交确认、校园活动的参与状况等方面。现今互联网络上应用较多的网络签到程序，其基本模式是以网页为展示形式，通过参与者的适时网络点击，获得签到确认。
以校园特有的3G移动通信技术与互联网相结合的网络平台，基于虚拟现实与交互技术双重应用的考虑，校园签到服务有自己特殊的形式。例如，在学校教师的上班考勤与学生的上课考勤两个方面，为了更加直观地展示考勤的视觉效果，可以应用虚拟现实技术创设考勤的虚拟环境，通过交互技术的应用，在考勤单位与被考勤者之间形成信息的交流。与现今的网络签到相比，校园签到服务可以不拘泥于互联网上的签到行为，可以延伸至“第五媒体”上的签到行为，例如通过手机进行校园签到。同样，校园内资料的递交确认、校园活动的参与状况确认等都可以如此应用。例如，校园管理层方面的文件传递和校园教育方面的学生作业递交等，都可以通过在手机签到的形式获得资料递交的确认。
（二）在学习方式方面的应用
通过虚拟现实与交互技术的应用，在学习方面可以实现远程学习、搜索学习、分享学习、进阶学习、虚拟实训等。通过虚拟现实技术与交互技术，在信息接收终端创设学习情景，脱离教室场地的限制，实现远程学习的目的，虚拟实训同样可以如此。通过互动技术的充分应用，学习者可以根据自身学习情况，主动搜索数字化校园资源应用平台中的学习资源，达到搜索学习的目的。前文提到，LAYER技术将现实世界与虚拟数字内容结合在一起，浏览者可以根据自身知识现状分层了解不同信息。因此，在进阶学习方面，通过以3G移动网络为网络平台，利用LAYER技术将每一科目的知识点形成层级，学习者可以在不同层级进行学习，形成分阶段、层层深入的学习过程。同时，可以利用LAYER技术的浏览器应用，在“第五媒体”间相互分享学习知识。例如，以班级为单位，在班级成员手机移动网络内分享电子笔记，也可以超越班级的范围，在校园内形成虚拟学习团队，团队内分享共同感兴趣的电子笔记等。
综上所述，本文探讨了信息技术中的虚拟现实与交互技术在数字化校园中的应用，而且将主要的研究重点置于以“第五媒体”为信息接收终端，以3G移动通信技术与互联网技术为网络平台的研究上。信息技术的发展既快速又宽泛，数字化校园的建设任重道远，本文的研究难免会存在一定的局限性，无法触及数字化校园建设中信息技术应用的全貌，但这样的探索研究是必要的，本文的不足也必将成为后续研究的重点所在。
【参考文献】
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交互式虚拟实验 第10篇
一、建筑漫游动画的艺术风格分析
风格是由艺术品的独特内容与形式相统一, 作为创作主体的艺术家的个性特征, 与作品的题材、体裁以及社会、时代等历史条件决定的客观特征相统一而形成的。建筑漫游动画的艺术风格主要是指作品的艺术特点和反映的内在风貌, 离不开相应艺术形式的支撑, 特别是具有不同风格特征的艺术形式。
(一) 写实风格
一切艺术均来源于现实, 又高于现实, 建筑动画是艺术作品的一种, 它的设计元素有一些是源于生活中的真实, 如造型、光影、色彩。但建筑动画中的写实是相对的, 完全意义上的真实则失去了艺术的特点。写实风格的建筑漫游动画设计的显著特征表现在结构的准确、真实空间感的营造、体积的塑造和透视规律的运用, 建筑动画作品里面出现的场景或虚拟物体的制作效果尽量给人以“真实自然”之感, 但它并不是照相式的忠实还原, 而是要在虚拟的环境里给观者以逼真的视觉感受。真实自然的视觉效果主要针对观者的心理感受而言, 要让观者具有“身临其境”的感觉。
(二) 装饰风格
装饰风格起源于民族风格的装饰绘画。建筑动画作品中的装饰主要是指对作品里面出现的造型设计进行适当的装饰性加工, 如概括、删减、夸张、变形等, 以丰富艺术形象、扩大艺术表现力, 增强艺术效果。具有装饰风格的建筑漫游动画应用在动画艺术片中居多, 作品中出现的建筑场景具有很强的概括美、形式美和秩序美, 色彩运用大胆夸张, 不过分追求“写实”, 强调意境的表达。
二、建筑漫游动画中的各种艺术形式分析
建筑是凝固的音乐, 是艺术与技术的统一, 建筑漫游动画同样融技术与艺术于一体。一直以来, 人们过于追求计算机技术, 忽略了对镜头艺术、造型艺术等的探索, 一部建筑漫游动画片包含了各类艺术形式, 在实际制作中, 要重视对各类艺术形式的研究。
(一) 光影艺术
光影作为一种艺术手段, 一直被广泛应用在摄影、动画、建筑中。光是造型和色彩的根基, 我们看到的色彩是由光线产生而又随光线进行变化的, 造型的层次体现的是不同的色彩, 根本上是受到光线的影响。建筑漫游动画中光影的表现要受到艺术和技术两方面的影响。从艺术上来说, 建筑模型的灯光设置与艺术家的眼光、经验分不开, 好的光影运用不仅能增强环境的真实性, 而且能给人一种美的感受。从技术上来说, 软件中各种工具的运用为实现光影、增加空间及造型的层次, 增强质感、烘托气氛起着重要的作用, 尤其是灯光参数设置的不同, 会给人带来不同的视觉感受。现实中的光是变化万千、复杂微妙的, 而虚拟空间中的光影是可以根据设计的要求进行设置调节的, 若要在建筑漫游动画中表达好光影, 不仅需要设计师具备光学设计理论, 更需要大量的经验积累。
(二) 模型艺术
模型是建筑动画中的重要组成部分, 优秀的模型作品本身就是一件造型艺术作品, 建筑动画中要先有模型才有后面的材质、镜头及交互。建筑动画中出现的模型并非是真实的记录再现, 而是经过艺术加工后的相对“真实”。电脑及技术软件可以机械地生产模型, 但艺术家的艺术素养、制作经验等可以赋予平淡的模型以生命力。三维建模作为一种数字化造型手段, 建模过程中不仅要把握建筑场景中对象的外形特征, 还要经过思考、提炼和取舍表现建筑的细节, 类似于雕刻模型, 只不过与雕塑艺术在工具、材质上有区别而已, 两者的共同点是都要讲究造型、结构及细节处理。需要注意的是, 建筑漫游动画尤其是复原古建文化遗产时建立的模型, 不能任意对其进行修饰和美化, 进行艺术处理要适度。
(三) 镜头艺术
建筑动画中镜头艺术的运用包括镜头的运动方式、景别的运用以及转场方式等, 是通过利用软件中的摄像机工具进行调节来模拟真实摄像机的实拍。与真实的拍摄相比, 模拟拍摄具有成本低、时间短、呈现效果快等优点。建筑动画中镜头的运动主要有推镜头、拉镜头、移镜头、摇镜头、跟镜头等方式, 景别主要包括大全景、全景、中景、近景、特写等, 转场方式又分为技巧转场 (淡出淡入、划像等) 和无技巧转场 (相似体转场、空镜头转场、运动镜头转场等) 。这些镜头语言来自于电影, 建筑动画设计中合理运用镜头艺术能增添作品的表现力和艺术魅力。若表现建筑动画的宏大, 可远距离拍摄以取大全景;若描述建筑的细节可慢慢推近镜头, 给观众心理准备, 用特写景别来展现建筑的局部细节;若表现建筑的高大, 可采用仰视角度低视点拍摄。需要注意的是在建筑动画制作中, 镜头的运用不是随心所欲的, 要参照预先设计好的分镜规划。
(四) 交互艺术
交互艺术也称为“互动艺术”, 建筑动画中的交互改变了传统艺术的主客体关系, 观众在观看时不是被动地接收, 而是主动地参与。传统的建筑艺术表现基本停留在二维世界, 即使再好的平面设计, 也无法令人直观地领略建筑的个性、环境的优越、大量的信息。在建筑漫游动画作品中, 设计者不仅可以创造逼真的视觉效果, 还可以加入多种交互动作。建筑漫游动画中的交互技术实现非常简单, 但建筑动画中的交互不是为了“交互”而“交互”, 也不仅仅是为了达到给观者新奇感觉的目的, 一部虚拟作品品质的高低不是由交互功能的多少来衡量的。具体来说, 虚拟现实建筑动画中交互的艺术性, 包含了虚拟空间与用户之间自然、简洁、流畅、合理的互动交流方式, 注重的是交互功能是否符合作品本身的要求, 建筑漫游动画中的交互也是一种思想、意境的表达。
三、建筑漫游动画中的艺术与技术关系分析
(一) 艺术表现手法的多样性及人们艺术审美水平的提高促进技术的发展
虚拟技术在建筑动画艺术领域的应用, 本质是作为一种技术工具, 是为设计师开发的辅助设计工具。随着社会的不断发展和进步, 艺术表现手法越来越多样, 当一种技术手段不能满足艺术创作的需要时, 会促使人们在技术方面进行提高。就拿建筑设计来说, 最初是黑白手绘设计图, 继而彩色图纸、三维模型, 到现在已经发展为交互式建筑动画、数字沙盘, 表现形式由静态到动态、由无声到有声、由单一的视觉欣赏到现在的视、听、触觉三维立体全方位体验, 无形中促进了技术的发展。建筑漫游动画的发展过程在客观上促进了虚拟现实技术的不断改进和完善。
(二) 虚拟技术为艺术创作提供了技术支持
建筑本身就是艺术, 历史上出现的建筑风格如古希腊建筑、哥特式建筑等虽然已经不适合当前的社会需要, 但仍有一种艺术力量感染着我们, 即使是现代社会的房产、园林、城市规划等, 也首先以艺术美吸引人们, 从而引起人们对它的关注。
建筑动画是利用计算机技术加上动画视听语言、光影、造型等完成的艺术作品, 不可否认, 数字技术的引入, 丰富和完善了建筑等艺术的保护手段, 虚拟现实技术的发展为建筑规划、建筑遗产等的表现提供了有力的支持与保障。制作一部建筑漫游动画, 越是先进的技术对于艺术创作来说就越有利, 先进的电脑设备和计算机软件, 可以有力地保证作品的成功, 所以说, 计算机虚拟现实技术为建筑动画艺术创作提供了技术支持。
总之, 对于基于虚拟技术的建筑漫游动画制作来说, 技术是实现的基础, 技术的不断发展和进步, 让我们把更多的时间用于艺术作品的创作。而艺术性的把握和追求则是更高的要求, 设计者不能走入“技术至上”的误区, 在实际项目制作中要合理运用技术来实现作品的艺术表达。
四、结语
建筑动画的快速发展与市场需求密不可分, 建筑动画、虚拟技术等新技术表现手段的出现, 促使设计师不断更新视角, 重新审视其创作。基于虚拟技术的建筑漫游动画需要技术与艺术的整体统一, 随着技术的不断创新和升级, 作品在艺术审美价值上也须寻求质的飞跃。无论是艺术风格的把握还是作品中的艺术表达, 都离不开艺术层面的加工创作, 设计者必须具备创新能力和审美眼光。伴随着建筑动画设计行业的发展和人们审美要求的提高, 在以后的作品创作中, 技术与艺术的结合将更加完善。
参考文献
[1]董岳.虚拟建筑文化遗产的技术性与艺术性研究[D].东华大学, 2006.