《基于VR技术的模拟校园导航系统》设计文档.doc

1 基于基于 VRVR 技术的模拟校园导航系统技术的模拟校园导航系统 设计文档设计文档 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 1 目录目录 基于基于 VR 技术的模拟校园导航系统技术的模拟校园导航系统 1 设计文档设计文档 1 目录目录 1 1引言引言 1 1 1项目简要介绍 1 1 2项目背景 1 1 3项目的创新点 2 1 4定义 2 2任务概述任务概述 3 2 1目标 3 2 2运行环境 4 3需求需求 4 3 1功能需求 4 3 2性能需求 5 3 2 1时间特性要求 5 4总体设计总体设计 5 4 1基本设计概念和处理流程 5 4 2总体结构 7 5接口设计接口设计 8 5 1外部接口 8 5 2内部接口 8 6使用说明使用说明 9 6 1安装与初始化 9 6 2软件主要功能的使用说明 12 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 1 1 引言引言 1 1 项目简要介绍项目简要介绍 一种实时校园模拟系统 Virtual Campus Navigation System 该系统以计算机为 人机交互的工具 综合运用虚拟现实 多媒体应用等技术 并通过计算机实现了人在虚拟 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体验参观校园以及相关的教学 设施 多媒体教室 的真实感觉 系统配备具有虚拟导游 帮助用户了解关于校园的更多 资讯 1 2 项目背景项目背景 1965 年 Sutherland 在篇名为 的论文中首次提出了包括具有交互图 形显示 力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想 从此 人们正式开始了对 虚拟现实系统的研究探索历程 随后的 1966 年 美国 MIT 的林肯实验室正式开始了头盔 式显示器的研制工作 在这第一个 HMD 的样机完成不久 研制者又把能模拟力量和触觉 的力反馈装置加入到这个系统中 1970 年 出现了第一个功能较齐全的 HMD 系统 基于 从 60 年代以来所取得的一系列成就 美国的 Jaron Lanier 在 80 年代初正式提出了 Virtual Reality 一词 80 年代 美国宇航局 NASA 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究 并取得了令人瞩目的研究成果 从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注 1984 年 NASA Ames 研究中心虚拟行星探测实验室的 M McGreevy 和 J Humphries 博士组织开发了 用于火星探测的虚拟环境视觉显示器 将火星探测器发回的数据输入计算机 为地面研究 人员构造了火星表面的三维虚拟环境 在随后的虚拟交互环境工作站 VIEW 项目中 他们又开发了通用多传感个人仿真器和遥现设备 进入 90 年代 迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配 使得 基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能 人机交互系统的设计不断创新 新颖 实用的输入输出设备不断地进入市场 而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好 的基础 例如 1993 年的 11 月 宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输 舱内取出新的望远镜面板的工作 而用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功 是近年来引 起科技界瞩目的又一件工作 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 2 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 作为交互设备 遵循着 窗口 图标 菜单 指定 windows ic on 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 现实技术应用于实际的一个有益尝试 应用前景十分广阔 1 4 定义定义 关键词关键词 多感知性 临场感 自主性 虚拟现实多感知性 临场感 自主性 虚拟现实 Virtual Reality VRML Virtools Maya W3D 多感知性多感知性 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 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 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 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 3 计算机中去产生逼真的 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 Virtual 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 任务概述任务概述 2 1 目标目标 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 4 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 运行环境运行环境 系统需求 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 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 Virtools Web Player 支持麦金塔系统 建议配备 处 理 器 Mac G3 以上 操作系统 Mac OS X 记 忆 体 256MB RAM 以上 图形加速卡 至少 32MB 内存以上与 Direct3D 或 OpenGL 兼容的 3D 加速卡 3 需求需求 3 1 功能功能需求需求 用列表或用例的方式 逐项定量和定性地叙述对软件所提出的功能要求 系统功能参数表系统功能参数表 窗口分辨率 800 6000 600 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 窗口分辨率 屏幕的分辨率锁定在800 600 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 5 实时场景 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 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 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 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 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 视觉切换 视觉切换 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 性能性能需求需求 3 2 1 时间特性要求时间特性要求 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 1 2 秒 对于用 户来属于正常 不会觉得有滞后感 4 总体设计总体设计 4 1 基本设计概念和处理流程基本设计概念和处理流程 设计理念如图示 设计理念如图示 设计理念描述 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 处理流程 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 6 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 处理流程如图示 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 7 4 2 总体结构总体结构 总体结构如图视 总体结构如图视 总体结构描述 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 8 5 接口设计接口设计 5 1 外部接口外部接口 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 HAL 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 Retained 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 9 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 使用说明使用说明 6 1 安装与初始化安装与初始化 安装步骤 安装步骤 1 双击 Setup exe 后 看到 东软模拟导航系统 欢迎使用界面 点解 下一步 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 10 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 11 4 进入安装过程 加载文件 5 安装完成 点击 关闭 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 12 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软件主要功能的使用说明 1 系统用户界面如图示 系统用户界面如图示 界面描述 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 三维实时模拟校园场景 通过 Maya 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 基于 VR 技术的模拟校园导航系统 13 用户角色 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