【毕业学位论文】（Word原稿）虚拟现场导播系统的设计与开发-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 公开 硕 士 专 业 学 位 论 文 虚拟现场导播系统的设计与开发 of 要 I 摘要 现场导播系统是电视节目制作过程中使用到的关键核心设备 ， 它 集视频子系统、 音频子系统 和通话子系统 于一身 ， 结构复杂 。该设备 在学生实训教学过程中需要频繁操作 ， 使其维护成本较高 。 学生也不能课下随时练习 ， 影响操作熟练度 。 本文在研究了 虚拟现实 技术的基础上 ， 以辅助课堂实验教学 、 降低设备运行成本和丰富学生课下操作练习载体为目的 ， 设计并开发了一套虚拟现场导播系统 。 本文 通过对虚拟现场导播系统的 需求分析 ， 将系统分为漫游 、 设备 3D 展示 、设备仿真操作和 互 四 大功能模块 。 在开发工具上， 使用 3场景中的建筑 、 设备 、 人物进行建模 ， 使用 为虚拟现实开发引擎 ， 使用 C#脚本对复杂交互进行开发 。 通过对建模过程中单位的统一 、 面数的控制 、 材质与贴图的制作等多方面的阐述 、 提出了虚拟现场导播系统中几何建模所遵循的原则 ； 通过对场景的分割 、 二次建模 、 纹理烘焙等技术的应用分析 ， 对模型建立与场景的优化提出了可行性实施方案 ； 通过对动画控制 、 碰撞检测技术 、 鼠标键盘交互控制技术等方面的研究 ， 实现了第 一人称视角自动漫游与交互式漫游功能 ；通过对 使用，将设备照片 制作 成 2D 贴图按钮 ， 丰富了交互的方式 ， 增强了用户对设备功能的认知程度 ； 通过对 的多 式 的应用 ， 解决了多种虚拟现实开发引擎不能进行多 容 同时显示的情况 ； 通过对键盘按键， 鼠标 左、中、右键， 界面功能按钮和 2D 贴图 按钮等交互方式的综合应用，设计并实现了虚拟摄像机和虚拟现场导播系统的仿真操作。 经过对系统的操作效果 测试，结果表明： 本系统运行流畅，具有较好的实时性、交互性。用户不仅可以 通过交互 浏览校园，而且可以在浏览过程中 选择仪器设备的展示和仿真操作，效果良好，达到了节约成本、熟练操作的目的。 关键词： 虚拟现实；导播系统；漫游 ；交互 I is V it is in of is at In a in to of is 3D AX to as a c# to on of it in of to of of of in D of it of a no at to of in in D is II it to It to of in 录 录 摘要 . I . 录 . 一章 绪论 . 1 第一节 虚拟现实技术概述 1 虚拟现实技术简介 1 虚拟现实技术的应用 2 第二节 虚拟现场导播系统概述 6 虚拟现场导播系统 6 虚拟现场导播系统的国内外研究现状 6 第三节 研究目的与意义 8 第四节 研究内容及论文组织形式 9 研究内容 9 论文的组织形式 10 第二章 虚拟现场导播系统与开发工具的选择 . 11 第一节 现场导播系统的组成 11 视频系统 12 音频系统 12 通话系统 13 第二节 虚拟现场导播系统 13 拟现实技术 13 拟现实系统的 组成 15 拟现场导播系统 16 第三节 虚拟现场导播系统开发工具的选择 16 虚拟现实系统开发工 具的选择 16 的碰撞检测 18 虚拟现场导播系统中几何建模工具的选择 21 本语言和脚本编辑工具的选择 23 目录 V 第三章 虚拟现场导播系统的需求分析 . 24 第一节 设备现状分析 24 第二节 系统 功能分析 24 漫游功能 25 设备 3D 展示功能 27 仿真操作功能 28 互功能 31 第三节 系统的性能需求 32 第四节 系统的可行性 33 第四章 虚拟现场导播系统的设计与开发流程 . 35 第一节 系统设计原则 35 第二节 虚拟现场导播系统的体系结构设计 36 第三节 虚拟现场导播系统的功能模块设计 37 漫游模块 38 设备 3D 展示模块 41 仿真操作模块 43 互模块 44 第四节 系统开发流程 48 素材的搜集 49 图像素材的处理 49 三维模型的建立 51 三维模型的优化处理 56 系统交互的开发 58 第五章 虚拟现场导播系统的实现 . 62 第一节 虚拟现场导播系统中虚拟场景的建立 62 虚拟现场导播系统中几何模型的建立 62 虚拟现场导播系统中的材质与贴图的优化处理 65 第二节 虚拟场景的组织与优化 66 虚拟场景的分割 66 虚拟场景内的组织 67 目录 虚拟场景内的优化 69 第三节 场景漫游功能的实现 71 自动漫游功能的实现 71 交互式漫游功能的实现 72 互的实现 76 第四节 设备 3D 展示功能的实现 80 第五节 设备仿真操作功能的实现 82 虚拟摄像机的操作 82 虚拟现场导播系统的操作 87 第六节 虚拟现场导播系统的发布与测试 93 虚拟现场导播系统的发布 93 虚拟现场导播系统的测试 94 第六章 总结与展望 . 102 参考文献 . 104 致谢 . 106 个人简历 . 107 第一章 绪论 1 第一章 绪论 自上世纪 90 年代以来，计算机技术逐渐应用到学校的教育教学过程中来，作为课堂授课的辅助手段，起到了良好的效果。随着 综合了 计算机技术 等多种技术手段的虚拟现实技术在教学过程中的应用， 辅助实训教学的 虚拟现实系统不断涌现 。本章 先对虚拟现实技术和此技术的应用领域进行了简要的介绍，然后提出了以辅助音视频设备技术实训课程为目的的虚拟现场导播系统，并介绍了虚拟现场导播系统 的国内外研究现状以及本文研究的目的与意义等。 第一节 虚拟现实技术 概述 虚拟现实技术 简介 虚 拟现实 （ 简称 利用计算机 、数据手套 等 高科技手段构造出 的 一个虚拟的世界， 通过 对 计算机图形图像技术、人机交互技术、传感器技术、多媒体技术、网络技术等多种技术手段 的 综合应用， 使参与者获得与现实 世界中一样的感受 。 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 1。 这种 技术的特点在于 人为的 使用计算机产生一种虚拟环境 ， 这种虚拟环境是 利用 计算机图形构成的三维数字模型 通过计算机的 编制生成一个以视觉感受为主，也包括听觉 、 触觉 等多种感受 的 综合 的 可感知 的人工环境，从而 在使用过程中 产生一种沉浸于这个环境的感觉 2。 同时， 虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持 3。 虚拟现实系统的使用者（后称为“用户”） 可以直接 在虚拟的三维环境中进行 观察 ，并能够 操作、检测 环境 及事物的内在变化，与之发生交互作用， 给人一种身临其境的感觉。 可以及时、没有限制地观察 三维 空 间内的事物 4。 这里 主要强调了两个方面的内容： 第一，虚拟现实中的虚拟世界（ 即 虚拟环境）是由计算机产生的，并能够给 人以视觉、听觉等多感官的刺激； 第二，虚拟现实系统是一种具有多通道信息交互的高级人机交互系统， 对沉浸式虚拟现实系统应采用自然交互方式（如声音、力、触觉等）并对周围环第一章 绪论 2 境进行有效屏蔽。 由此可见，无论是虚拟 环境 给 用户视觉 、 听觉 或其他感官的刺激，还是用户对虚拟现实系统的操作，都是一种交互的过程。因此， 虚拟现实的核心是强调 虚拟环境与用户二者 之间的交互操作，即反映出 用户 在虚拟环境 中 的 体验 5。 虚拟现实的概念模型如图 示。 图 拟现实概念模型 虚拟现实技术 的应用 在应用领域 中 ， 虚拟现实技术使众多传统行业和产业发生 了 革命性的改变6。 经过多年的不断发展，虚拟现实技术 涉及 的应用领域也越来越广泛，从最初的军事仿真，到近年来的城市规划、交通模拟、文物保护、 工业设计、 室内设计、虚拟现实游戏和教育 教学 等方面都取得了巨大的发展 。 （一） 军事 仿真 虚拟现实 系统 是一种可以创建 并 体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机 设计并 生成一种模拟环境， 使用户沉浸到该环境中去 ，与环境产生交互、参与事件的发展，因此虚拟现实系统又 是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真 7。 战争具有很强的实践性特点，指战员的指挥艺术和作战能力，都需要在一定的战争环境中得到锻炼和提高。和平时期，军事演习是一种普遍的训练方法，它模拟了战争的环境和作战过程，体验并创新作战的样式，通过各种作战样式的实验来积累和提高驾驭战争 的能力。 作战仿真是 对包括战争规律和战争指导规律两个方面在内的战争本质规律的模拟。计算机作战仿真是把对抗全过程 的 结构组成和大部分 规则 事先编入计算机程序，然后运用计算机语言来描述战斗过程，并用计算机处理的一种新型模拟方法。它不仅可以在严谨的科学基础上 对新的作战理论原则、作战行动规则进行多方面的论证，挑选出最佳作战方案 ； 而且可以使指挥员置于陆、海、用户 多通道交互信息 虚拟环境 第一章 绪论 3 空、天、电五维全方位的作战空间，而 摆脱 二位空间的思维枷锁，充分发挥其指挥艺术。 虚拟现实模拟训练，综合运用了虚拟现实技术，在视觉、听觉和触觉等方面为受训者生成一个极为逼真的未来战争虚拟环境，使受训者最大限度地得到近似实战化的训练。这是 20 世纪 90 年代开始兴起并逐步推广的一种新的现代模拟训练方式。 如图 示。 图 拟现实技术在 军事仿真 中的应用 （二） 城市规划 城市规划是一个复杂的系统工程 ,尤其是对 于城市重点地区的规划 ， 其重要性不言而喻 ， 好坏直接关系到城市的整体布局和形象 8。 在城市规划中使用虚拟现实技术，不仅能够直观地表现城市环境，而且能够模拟各种天气条件下城市的环境变化，了解其 供电 、供水 排水 、道路交通、沟渠湖泊等 在不同天气情况下的状态 ，在城市规划中起到举足轻重的作用。 同时虚拟现实技术带来的沉浸感和互动性在给用户带来身临其境的体验的同时还可以随时获取 工程 项目的各项数据资料，为大型复杂工程项目的规划、设计、投标、管理等方案的审批提供帮助。 由于虚拟现实系统中虚拟环境是根据真实数据进行建立的，可以对 规划项目进行真实的 虚拟 再现 。用户在三维环境中通过漫游、交互等方式能够轻易发现设计图纸中不易察觉的设计缺陷，减少由于事先规划不周全而造成的不可挽回的损失，大大提高项目评估质量。如通过防汛仿真系统，可以模拟水位到达第一章 绪论 4 警戒线时哪些堤段会出现险情，万一出现决口会淹没哪些地区，这对于制定应急预案有很大的帮助。 如图 示。 图 拟现实技术在 城市规划 中的应用 （三） 文化 虚拟现实技术所具有的沉浸感和交互能力可以将静态的艺术作品转化为动态展示的方式，使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。同时把珍贵的文物使用虚拟现 实技术进行展示、供人参观，有利于保护真实的历史文物。例如山东曲阜孔子博物院，就将大殿制成三维模型，然后通过虚拟现实技术，让观众通过计算机就可以浏览观赏大殿整体面貌和其独具特色的镂空雕刻盘龙大石柱，同时还可以绕道大殿后面进行游览。 如图 示。 图 拟现实技术在 文化建设 中的应用 第一章 绪论 5 （四） 教育 虚拟现实技术在教育领域的应用主要包括虚拟校园和虚拟培训等。 虚拟校园 是 使用虚拟现实技术将校园的整体 环境 进行三维建模处理制作成虚拟三维环境，并通过 算法的设计开发 ， 实现场景的渲染 、 漫游和交互等功能 。它 以学生为中心 ，提供教学、教务、校园生活环境 等内容，供 游客浏览。 同时虚拟校园 还 为师生们提供了 诸如留言板、即时通信等 非常便利和快捷的交流 方式 ，一个完善的虚拟校园系统集学习、工作和生活为一体，增添了师生之间交流的趣味性，有利于教师、学生之间的良好沟通 9。 虚拟培训 是 将培训过程中使用到的设备与部件通过虚拟现实的方式制作出来，学员能够通过虚拟现实系统对这些设备与部件进行操作。由于虚拟的设备与部件都是由计算机生成的，所以可以根据教学内容的需要随时更新。同时学员也可以在虚拟环境中扮演一个角色，全身心投入到学习环境中，不厌其烦地反 复练习，直到熟练掌握该项技能。例如，在虚拟的飞行训练系统中，学员可以反复操作控制 设备 ，学习在各种条件下驾驶飞机起飞、飞行、降落的过程，达到熟练掌握驾驶技术的目的 10。 如图 示。 图 拟现实技术在 教学 中的应用 第一章 绪论 6 第二节 虚拟现场导播系统概述 虚拟现场导播系统 虚拟 现场 导播系统是在虚拟 现实 技术的基础上，将现实世界中的现场导播系统通过数字化的形式进行再现 ，提供给用户操作 。 它 是影视节目制作教学领域 在虚拟现实技术的基础 上 进一步开发的产物 ， 与当前影视制作领域中的虚拟演播室技术有本质 的区别。虚拟演播室是在计算机图形和视频色键基础上发展起来的演播室技术。它主要强调的是通过视频合成的方式将 摄像机拍摄到的 真实世界中的画面与计算机制作的三维虚拟场景的相互叠加结合 ，是 在 真实世界中对 设备的操作与应用。 本文所阐述的虚拟现场导播系统是将真实世界中的现场导播系统所使用的设备、 功能、以及 所处的环境空间 等 通过三维建模等手段进行数字化 ，再利用虚拟 现实 技术实现对虚拟设备的交互与操作。该系统以教育教学理论为指导，以真实的设备使用为蓝本，通过创建一种虚拟操作情景，提高现场导播系统学习者对该部分内容学习的积极性、主 动性，对 开设 相关课程的院校以及该类系统的生产、经营企业的教学与培训工作提供了一种新的模式。同时也在一定程度上解决了在反复操作练习过程中的设备损耗问题。 虚拟现场导播系统的国内外研究现状 目前，虚拟现实技术越来越受到世界各国的重视，许多科技发达国家都专门 为 虚拟现实技术 的发展 及其 在 应用 领域 的研究 设立 专项 基金来 进行 资助， 经过多年的发展，它 不仅在科学、技术、工程等领域 得到 了长足的发展，还 渗透到了 教育 、文化和娱乐等各个领域，受到各个领域人们的极大关注。 （一） 虚拟现实技术 的 国外研究现状 上世纪 60 年， 虚 拟现实技术的概念 首次 被提出， 随着研究的深入，这项技术在 上世纪 80 年代逐步兴起， 90 年代 便 有产品问世。虚拟现实技术的发展 历程基本上可以 归纳 为三个阶段： 第一阶段为 虚拟现实技术思想产生的阶段，从上世纪 50 年代至 70 年代 ，典型事件为 计算机图形学的奠基者 1965 年发表 的 题为“ 极显示）”的论文 中 首次提出了感觉真实、交互真实的人机协作新理论 11，从此开始了对虚拟现实技术研究的新历程 。 第二阶段为 虚拟现实技术的初步发展阶段，从 上世纪 80 年代初到 80 年第一章 绪论 7 代中期，此阶段出现了 个比较典型的虚拟现实系统，虚拟现实技术的基本概念开始形成 。 第三阶段 为虚拟现实技术的日趋完善的阶段， 从上世纪 80 年代末期至今，此阶段正式提出了 建模语言 7。 进入上世纪 90 年代，基于大型数据集合的声音和图像 的实时动画得益于计算机软硬件的不断发展，被迅速应用于虚拟现实系统中。 不断创新的 硬件设备、越来越多的实用、新颖的 人机交互系统，为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础 12。 在美国， 波音 公司采用全无纸化设计的 波音 777 宽体客机 ，是一件近年 来引起科技界瞩目的 科技 成果。它 充分 利用 了 虚拟现实 技术的特点与优势， 将虚拟环境叠加于真实环境之上， 将虚拟的模板显示在待加工的工件 之 上，以此来控制工件的加工尺寸 13。 在 欧洲 ， 英国 在虚拟现实技术的 分布并行处理、辅助设备设计和应用研究方面 处于领先地位： 司主要研究虚拟现实的整体综合应用技术，而司 主要研究虚拟现实的重构问题。瑞典的 一个基于 分布式虚拟交互环境，可支持不同节点上的多个进程在同一个世界中工作。德国的虚拟现实技术在改造传统产业方面起到了举足轻重的作用 ，主要应用于 产品设计、产品演示和员工培训等领域。 在日本， 虚拟现实技术 已被广泛应用于游戏和大规模虚拟现实知识库等领域 ，取得了很大成就 。 东京技术学院精密和智能实验室开发了一个称为 司开发了一种 操作者通过数据手套的动作形态处理 三维形体模型的虚拟现实系统 14；任天堂公司推出的台游戏机，取代了通过手柄按键来控制游戏人物的传统输入方式，是虚拟现实技术在游戏领域的革命性应用。 （二） 虚拟现实技术 的 国 内 研究现状 在我国， 最早开展虚拟现实技术研究的单位 是西安虚拟现实研究 中心 ； 国内 与它同时期开展 虚拟现实技术研究 的 北京航空航天大学计算机系， 主要在 虚拟环境中物体物理特性的表示与处理、视觉接口硬件的开发与算法实现等方面进行了研究并取得了很大 进展 ，获得了一部分研究成果 。同时， 还实现 了用于飞行员训练的虚拟现实系统 和 分布式虚拟环境网络设计等虚拟现实技术的应用开发 ； 清华大学对虚拟现实的 临场感等方面进行了研究 ， 由清华大学国家光盘第一章 绪论 8 工程中心采用“ 术 制作的“布达拉宫”，实现了大全景虚拟现实制作； 哈尔滨工业大学在人的高级行为虚拟方面进行了广泛的研究，已成功解决了虚拟现实过程中 人脸图像合成、表情合成和唇动合成等 关键 技术问题 ； 浙江大学的 家重点实验室不但开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了一种能够在虚拟环境中实现快速漫游的算法 1516。 近些年来， 国家对虚拟现实技术的发展应用 高度重视， 虚拟现实已作为关键技术被加入到 863 高 科技计划 中 展开研究，已形成完善 与 发展虚拟现实技术本身和将虚拟现实技术应用于 一些特殊 专业领域两个大的分支。 在技术上， 更加 专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件 系统的 研发与推广，已具备了国际上比较先进的虚拟现实技术解决方案和相关服务产品 ，能够满足不同领域 不同层次的客户对虚拟现实的需求。 2002和 2007年 虚拟现实技术在“ 数字奥运仿真 ” 这一 国家级重点项目中发挥了重要作用， 并 为 2008 年 奥运虚拟现实 应用 提供了技术支持 。 本 文 所指 虚拟现场导播 系统是 虚拟 现实技术在教学领域中的应用研究 ， 是对电视节目制作领域核心设备的虚拟化再现， 国内相关内容的研究文献很少。 第三节 研究目的与意义 研究表明，人的动作记忆效率远远高于语言文字记忆的效率，所以 实际 动手操作的过程会给人留下更深刻的印象。但对于电视节目制作领域所需的设备来说价格昂贵、且维护成本高，尤其 不适于教育教学过程中长时间、多人次的频繁练习操作 。虚拟现实技术的出现与发展，可以解决这一问题。通过虚拟现实技术的应用可以将电视节目制作领域所需的设备制作成虚拟的三维 实验 环境，用户可以在这个虚拟的三维环境中对设备进行操作，并得到相应的结果反馈，以达到熟练 掌握 操作 要领、验证理论知识 的目的。 本文的研究目的是 为电视节目制作领域教育教学过程中对于设备操作练习的方式方法提供一个新的研究方向，将电视节目制作领域中的核心设备 现场导播系统 通过虚拟现实技术的设计，开发一套辅助教育教学过程和学生实际操作练习的虚拟现场导 播系统。通过本课题的研究可以为进一步开发电视制作领域其他设备的虚拟 现实系统 提供 蓝本、技术手段和开发经验。 此外，现场导播系统比较庞大，设备数量较多，虚拟场景中设备操作效果第一章 绪论 9 的真实性实现起来也是一个系统而复杂的工程，其效果的真实程度与计算机图形学的发展、计算机运算速度、以及开发引擎的执行效率等密切相关，需要长期不断研究。 本文涉及的虚拟现实系统的开发，使用了 最新的游戏引擎 7， 其成品 可 发布至 平台， 这 也为进一步进行多平台虚拟现实技术的应用开发提 供一定借鉴。 本文研究的意义主要有 以下 几点： 第一， 通过对现场导播系统的虚拟化，拓展了虚拟现实技术在电视节目制作领域的应用与研究范围，具有一定的新颖性。 第二， 通过构建虚拟现场导播系统，可以使学生 的 操作过程 部分 脱离真实设备，在提高操作熟练程度、 提升 教学效果的同时减少对真实设备的使用 等 方面具有较大意义 ， 从而 减少设备的整体投入和维护成本 。 第三， 虚拟现场导播系统具有 建设 投入少、维护成本低、使用方便等优点，可以广泛应用于 学校的 教育教学、 培训企业的技能培训 、设备生产经营企业的设备推广等方面。 第四， 虽然虚拟现场导播 系统是虚拟现实技术在电视节目制作领域中的应用，但其设计与开发 所需的 技术手段和经验可以为其它领域虚拟现实技术的应用开发提供参考，具有较高的实用价值。 第四节 研究内容及论文组织形式 研究内容 本文以天津中德职业技术学院音像技术专业电视节目制作过程中使用到的现场导播系统所需设备为实物原型，使用虚拟现实技术开发一套辅助音视频设备技术课程的虚拟现场导播系统，达到学生多人次虚拟操作、加强熟练程度、减少设备损耗的目的。该系统通过 3件进行建模， 擎进行虚拟场景的建立和三维仿真模 拟， 为用户 提供 浏览操作 、 人机交互 和设备仿真操作 等功能。 本文 的主要研究 内容 ： 第一， 在现场导播系统实物原型的基础上，以辅助课程操作练习为目的，对虚拟导播系统进行总体设计并拟定开发方案。 第二， 通过比较分析各种虚拟现实技术的解决方案，选择通过 3第一章 绪论 10 构建虚拟现场导播系统，并实现交互。 第三， 对 所使用到的碰撞检测技术、 互 、虚拟摄像机控制等方面进行深入研究。 第四， 对如何使用 C#