虚拟展示系统的设计与实现

虚拟展示系统的设计与实现
摘要：该系统利用虚拟现实技术，在计算机中模拟再现展览的真实场景，系统基于osg开发，并集三维场景漫游、语音讲解于一体的虚拟场景展示系统。

文中分析了该系统的实现过程及整体结构。

为了保证交互系统的实时性，利用osg中感知器进行区域划分，提高了系统运行的速度。

关键词：虚拟现实虚拟展示感知器区域划分
中图分类号：tp391.9 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2012）11-0161-02
三维虚拟展示利用虚拟现实技术（virtual reality）再现展览的场景，虚拟现实强调沉浸感（immersion）、交互性（interaction）、构想力（imagination）这个三个基本特征[1]，vr是由计算机生成的、模拟人类感官的世界的实时表示，vr又称为“灵境技术”，它能够创建出逼真的三维虚拟环境，并使浏览者在视觉上产生身临其境的感觉。

目前，国内各种展销会和展览会举办的非常频繁，大到上海的世博会，小到一个公司的小型展销会，在这些展览会上各种新创意、新技术也都运用其中。

但是也出现了一些很棘手的问题，譬如上海世博会期间，人山人海，一个场馆单单排队就要好几个小时，这对参观者来说是一件非常糟糕的事情。

因为面对几十上百个场馆，人们并不知道该场馆中是否有自己感兴趣的内容。

这时如果在场馆外
建造一些虚拟交互设备，人们可以在设备上简单的浏览三维场馆以及展出的内容。

这就给参观者节省了时间，使人们能利用有限的时间来参观更多感兴趣的展览，通过三维虚拟展示也可以给用户留下深刻印象。

1、虚拟展示与漫游系统总体分析
1.1 需求分析
场馆展览商需要建立一个虚拟的场景展示系统，该系统能够仿真真实场馆的展览情况，再现展览的场景。

操作者可以在展馆中自由的观看各个展位的产品，当走到某个展位时会弹出小窗口播放该展位的图文信息，能够自动为操作者导航。

1.2 功能分析
通过展商的需求分析，本系统包含具体模块计划分如图一。

图一虚拟展示中的设计原理和主要实现环节
2、虚拟展示相关技术
2.1 基于三维建模的虚拟现实展示设计（geometry-based vr）基于三维建模的虚拟现实展示设计是指以三维场景和三维物体
模型为基础，譬如展览会中场景和产品都是借助专业建模软件（如solidworks、3dmax等）来完成，建成的模型是三维的，这样在搭建的场景中就能够方便、真实地表达现实世界，譬如打开立体显示也很容易，只需要自己加个立体显示或者从osg（openscene graph）库中调用此功能即可。

本系统就是利用3dmax建立三维模
型，并通过xml文件读取模型的位置信息。

2.2 采用分层次的场景图组织形式
在展位的放置上要求场景的组织要有一定的层次结构，如用树或者图来组织场景。

本系统采用osg图结构来管理场景，优点是：对于三维场景的组织管理非常高效，并且osg库中提供了很多常见的三维交互功能。

2.2.1 osg技术介绍
osg是一个基于c++语言的跨平台应用程序接口，它能够让程序员快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序[2]。

该技术主要有两部分组成，一是组织、管理场景以及遍历技术；另一部分是对场景渲染以及实现场景模型的连续层次细节。

对于场景的组织与管理，osg采用了场景图（scene graph）这种数据结构，通过场景图把各场景及其属性组织成图。

osg利用层次结构来表示场景，场景中的结点是构成场景图的基本单元[3]。

2.2.2 osg的特点
从性能上来说，osg场景图所用的树状数据结构直观，底层具有非常优秀的框架；从效率上讲，对于程序员来说是一个解脱，如果与opengl相比，osg对场景的管理让人们使用起来更为便利；最后是osg的可移植性，也就是说不管是windows平台还是linux平台，同一基于osg的程序只需在新平台上重新编译即可使用。

3、系统实现及结果
3.1 模型文件设置
在系统中，通过xml文件，向系统中输入模型文件的位置信息[4]，通过osg来解析3ds文件。

对于osg中模型的管理设置如图二。

图二osg中模型设置
3.2 虚拟漫游及区域划分
本系统可以以第一视角自由在不同的场馆中漫游，可以看到展示的产品。

可以用osg提供的操纵器控制人物漫游，也就是照像机的移动。

对场景中的每一帧，计算照相机的水平位置，映射到平面图坐标上，然后检查是否处于该区域内，如果处于该区域位置内，则触发图文解说，如果不处于则系统无响应，该功能用感知器实现。

3.2.1 漫游与操纵器
漫游功能指人物的漫游规则，包括是否开启碰撞检测。

是否开启攀爬功能（本软件主要是指楼梯的攀爬），本系统在实现漫游上采用操纵器来负责。

操纵器实现具体过程：
//系统自动调用操纵器，操纵器调用摄像机运动函数。

calcmovement（）；
calcmovement（）函数负责摄像机的位置变换，其实现如下：
//计算摄像机将要移动到的新位置。

_velocity人目前的行走速度，dt为行走时间。

distancetomove=_velocity*dt；
//如果行走后，摄像机的高度低于海平面高度，则将摄像机放回海平面，防止摄像机钻入地下
if （_eye.z（）//检查人物前往的位置是否会发生碰撞。

bool b=intersect（_eye，distancetomove）；
if（没有碰撞）
computeposition；//计算新位置。

_eye+=新高度；//将摄像机增加新的高度，如果前进的地方是楼梯等，则此高度就是台阶的高度。

3.2.2 区域划分与感知器
感知器实现原理如下（x0y平面，z为离海面高度）：区域检查指判断人物是否处于某个展览区域内，本系统主要采用感知器来管理，感知器每一帧都会去感知人物是否进入某个展览区域。

如果人进入这一区域就会激活相应的操作，播放图文解说，使展示的三维场景与某些展商需要强调的细节结合在一起。

感知器实现具体过程：
3.3 系统仿真结果
该系统以vc++，开发了基于osg的虚拟展示漫游系统，其中界面是用mfc来完成。

实验硬件环境：cpu是intel酷睿i5，内存为4g ddr3，gpu：英伟达gt540m。

系统界面如图三。

其中（a）图是展馆的整体场景，（b）图是攀爬楼梯和小窗口解说的场景。

4、结语
本文介绍了以osg为渲染引擎开发的三维虚拟展示系统，再现了展览中的的场景，使用漫游及区域划分技术，让观察者形象、直观的看到展览，听到解说。

文中主要利用了基于三维建模的虚拟现实技术，采用分层次的场景图来组织数据，利用osg中的操纵器和感知器分别实现场景的漫游与区域划分功能。

虚拟展示给展览商提供了一种新的展示模式，对展览商来说是一个很好的选择。

参考文献
[1]潘志庚，姜晓红，张明敏等.分布式虚拟环境综述[j].软件学报，2000，11（4）：461-467.
[2]rui wang，xuelei qian.openscenegraph 3 cookbook.[m].published by packt publishing ltd.2012：7-12.
[3]叶乐晓，王明，王毅刚.家具虚拟展示和漫游系统设计与实现[j].系统仿真学报，2008，20（3）：669-672.
[4]张晓琳，丁红，谭跃生，王国仁.基于面向对象xml的集中式和分布式存储模型.[j].计算机工程，2007，33（15）：58-60.。