基于VR技术的科技馆虚拟体验系统设计与实现

随着世界经济形态由农业经济、工业经济、服务经济到体验经济的演化，人们已经不满足于视觉欣赏的单向体验，而是要追求真实体验式的互动娱乐，对科技馆的展教方式的要求越来越高。本文对现有的基于交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真技术进行了广泛的调研和深入的了解分析，旨在探究VR虚拟技术在科技馆展品交互性展示中的应用研究，希望通过本文的探讨，能找到一套解决目前科技展品展示设计的虚拟体验式展示较为理想的解决方案，以丰富科技馆展品展示方式，满足参观科技馆展品的展示需求。具体的研究内容包括：首先根据需求分析的原则和目标，将系统分为科技馆分区介绍、科技馆展区导航、科技馆展品科普、展品3D全景展示区、自主漫游区、导览漫游区六大功能模块，分析设计本系统的各个功能模块需求，提出系统设计方案架构，做好系统设计前的需求准备工作。再结合VRML语言技术、3DSMAX软件技术、VRPlatform软件技术来共同组建三维漫游场景的基本技术基础。通过VRML语言技术实现三维模型的转换，将构建完成的三维场景模型在VRPlatform平台进行展示，来完成系统中的三维场景交互。随后在构建的科技馆虚拟体验交互模型基础下，利用二叉树结构层次包围盒的防碰撞的检测算法来为虚拟场景中的三维几何元素创建一个可以合理运动的三维场景，提高了系统中三维场景之间交互运动的真实性。最后将科技馆虚拟体验系统通过安卓平台来实现VR场景的交互应用。通过手机交互的方式来让用户可以对科技馆的虚拟场景进行体验，同时实现对科技馆展品、展馆、以及场景的控制交互操作。系统使用了VR技术来为科技馆提供虚拟漫游的技术支持，并通过二叉树结构层次包围盒的碰撞检测算法来防止漫游过程中的人物碰撞和人人碰撞，为系统提供更好的漫游体验。在科技馆虚拟体验系统的帮助下，可以不受时间和地点的控制，可以随时随地参观科技馆，并且可以通过虚拟体验来提高参观科技馆的真实性。

虚拟现实技术(VirtualReality,VR)是综合性与集成性极强的高新技术，现在的VR系统在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域都得到了非常广泛的应用。虚拟现实技术被认为是本世纪计算机领域最重要、最新奇的研究方向之一，与互联网、多媒体技术并称为21世纪的三大关键技术而备受人们关注。是一种集成了多学科、多领域的综合技术，涉及计算机科学、网络技术、分布式技术、机器人技术等领域。最具特点的是，虚拟现实的三维建模功能可以在计算机中构建生动逼真的虚拟环境，人们可以通过使用一些具有传感的设备，非常方便、直观、自然的“进入”这个虚拟空间，沉浸其中交互遐想。虚拟现实的实现应该首先在计算机环境下创建虚拟世界，虚拟世界能够对人的感觉(包括视觉、听觉、触觉、嗅觉等)器官产生感知作用；其次，体验者能够通过人的基本行为和动作自然的与计算机创建的虚拟世界进行交互;第三，虚拟现实可以利用数字手套、三维空间交互球以及头盔式显示器等传感、显示设备来增强交互感，提高体验者的真实感。进入本世纪以来来，虚拟现实技术应用范围不断扩大。在国际上，从早期应用的尖端领域，如军事和航空航天等方面，发展到艺术和娱乐等民用领域。在我国，目前科技主管部门十分重视虚拟现实技术的研究和应用，在许多重大攻关项目中列入虚拟现实技术，并且大力发展虚拟现实技术创兴与民用。目前，我国科技展馆的建设蓬勃发展，人们通过科技馆展示的展品可以直观地看到前端科技带来的生活方式改变。但是我们也看到存在的问题，首先科技馆不够直观，不够形象化，用户对科技馆缺乏亲切感，用眼睛看会让人产生距离感。科技馆目前绝大多数都是二维、平面的展品，缺乏立体感，交互性非常差。随着世界经济形态由农业经济、工业经济、服务经济到体验经济的演化，人们已经不满足于视觉欣赏的单向体验，而是要追求真实体验式的互动娱乐，双向互动式的场景活动方式将更受欢迎。而这些恰好是体验型设计所注重的。虚拟现实技术具有多感知、可视化、沉浸性、交互性和想象性。将虚拟现实技术应用于科技展馆，可以方便地解决科技展馆缺乏可视化、交互性薄弱等方面存在的问题。可以使展项达到最佳的展示效果和体验效果，使科技馆的经济效益实现更大程度的优化。

国外研究现状

至今为止，欧美发达国家在虚拟技术方面，已经研究了十几年，并且已经取得了一系列的研究成果。1965年，美国为了集中对虚拟技术进行研究，成立了专门的研究所，展开了一系列针对于虚拟技术的相关实验。德国也是在虚拟技术有着较多成熟性理论成果的国家，并且已经设立了多个实验室，主要其中与图像数据的虚拟处理，主要针对于可视化的处理技术，不断投入研究人员和研究资金。并且成功将虚拟化技术进行了工业性的生产。美国是世界上第一个提出虚拟技术的国家，也是第一个为了专门研究该技术而特地设立实验室的国家，至今为止已经出现了多项成熟性的研究成果。其中具有影响力的就是航天局对于虚拟技术的应用，结合航天需要，创立了多个虚拟环境，来模拟太空中的航行，这一时期的另一创新性虚拟技术创新产品是头盔式的显示器，在操作人员进行虚拟界面的操作下，能够将真实的人物设立于虚拟的动画环境之中，在二次元与三次元进行结合，是实验室的一项重大研究成果。美国纽约大学同样对于虚拟技术有着专门的实验室，并且研究的领域主要是人机界面的交互（HITLab），这一研究概念是虚拟技术研究领域中的创新，代表着虚拟技术的所能够发展的最新研究阶层，其中具有代表性意义的研究成果是V22运输机。加拿大2015年将虚拟技术开始逐渐应用于校园内的形体课程，但是通过Alnena的观察发现，目前加拿大对于虚拟技术的相关应用还不是很普及，硬件设备还有待扩展，使用效果也不是很好，无法满足虚拟技术所实现的真正意义上的目的。例如在虚拟技术实际应用过程中，计算机的中心硬件无法对大量的数据进行实时处理，导致虚拟技术实现的效果无法同步进行，具有较强的滞后性。与此同时，系统对于虚拟实现过程中的数据信息无法进行实时的存储，这一类的技术实施还没有完全成熟。另外一类问题就是虚拟技术的实现大部分都是依赖几何图形的表示，在物理模型方面还有着较大的差距，物理数据的真实性降低。在虚拟技术实现对物体的感知时，缺乏仿真程度较高的虚拟效果。面对这些问题，Glond科技专家指出不能仅仅考虑虚拟技术中的真实性，将真实性作为虚拟技术唯一的考量重点。欧洲也是研究虚拟技术的核心地区，欧洲各国有着与虚拟技术相关的先进性产品，掌握者虚拟技术的核心科技领域。荷兰在对虚拟技术进行研究时，主要的研究方向是对仿真世界的感知，并且将重点放在了人与系统界面的交互上面，进行了多次的系统界面测试，希望能够通过多项测试能够改变传统的人机操作交互方式，变换人类操作系统的渠道。英国主要研究遥控机器人的领域。随着计算机技术的迅速发展，虚拟设计的组合工具也奇迹般的变化着，现在进行VR 设计时，可以实时便利的生成现实景物，它允许生成多达5 万个以上三角形的复杂景物。

国内研究现状

比起已经有着多项成熟性研究成果的欧美国家，我国在虚拟技术的研究领域还处于比较初级的阶段，无论是在技术的创新还是在研究领域的拓展都与欧美国家有着较大的距离。至今为止比较成熟性的理论研究成果有：天津大学是我国最早进行虚拟技术研究的大学，1996年，天津大学开发了我国首个结合虚拟技术来开发虚拟校园系统，该系统基于SGI硬件平台，让我国的虚拟技术研究开始向前迈进了一大步。随着之后的互联网技术的飞速发展，我国开始应用虚拟校园的大学开始越来越多，挖掘出了越来越高的虚拟校园系统应用价值，并开始得到不断的推广。中国传媒大学同样也是我国研究虚拟技术的重要学术研究点之一，主要的研究领域是图形引擎部分。1998年，开始集中精力并投入了大量的资金在游戏内的图形引擎研究上面，并由此衍生开发了一套网络教育系统，加强了传统网络教育系统的互动模式。传统的网络教育系统只能够应用于简单的信息浏览和信息查询，在中国传媒大学对其进行升级之后，加入了基础性的教育应用，并且有着明显的应用效果，并且开始向其他大学进行推广使用。在具有人性化的功能应用之下，开始衍生出了许多远程式的教育模式，是我国传统信息教育模式的一大创新。在我国高校集中力量对虚拟技术进行研究时，浙江大学也是其中的一份子。“CAD”是国家在浙江大学设立的一项重点实验室项目。其中有一项项目就是专门研究虚拟现实技术的，对于虚拟技术的相关算法进行了深入性的探索。在国家相关机构的支持下，该项目已经成功培育出了分布式虚拟现实等相关理论和相关创新产品。北京航空航天大学将其他的人体动作效果进行了增加，让人体模拟的过程中不仅仅是可以实现简单动作的模拟，还可以对其他的例如表情、嘴唇动作等进行更细致化的模拟操作，最终武汉大学完成了这一项目的测试，测试结果显示了可以实现人体交谈过程中的细致化模拟效果。这一类相关的研究还在持续进行，希望能够模拟出更加细致化的人体表情动作。北京航空航天大学的体育馆在2010年开始利用虚拟技术，构建了一个可以对北京航空航天大学内部环境进行漫游的虚拟平台北京航空航天大学在进行虚拟技术研究的过程中，同时了利用OpenGL所绘制的人脸仿真信息，结合人体的某些动作，将人脸信息与人体动作之间进行合成，从而实现虚拟仿真效果。同样涉足与虚拟技术研究的还有清华大学的信息科技学院。研究的领域主要是形幕显示，以及虚拟技术中的图像随动研究点。清华大学的美术学院同样也对虚拟技术进行了研究的讨论，美术学院在动态捕捉技术的支持下，成功实现了通 过多个通道来对虚拟影像进行显示的研究成果。江南大学在进行虚拟技术研究的过程中，成功实现了“立体显示技术”，来让图像影像可以通过立体的方式进行多维度的展示。这一技术的实现是我国在树立技术研究领域中的重要突破。国内对于VR 技术研究虽然有了一定的成果，但是还缺乏将VR 技术和科技馆结合的研究成果。在对基于 VR 技术的科技馆虚拟体验系统进行设计和实现前，需要对系统进行需求分析。系统需求分析是系统设计和开发的前提。一个好的系统需要对系统的需求进行详细的调查。在该系统中，需要对科技馆的游客的导览需求进行分析，探索参观科技馆的人员在对科技馆进行虚拟体验时需要的服务内容。根据需求内容来设计系统中的操作功能。此外，除了需要以参观人员作为需求分析对象外，还需要以科技馆内的虚拟体验区作为需求分析对象，探讨科技馆在虚拟体验方面的需求内容。根据这两方面的虚拟体验，来共同构成总体需求分析内容。除了系统功能需求分析，还需要对系统的非功能需求进行分析。

系统用户需求分析

基于 VR 技术的科技馆虚拟体验系统的主要使用对象为对科技馆有着虚拟体 验需求的人员。并且该类人员是通过安卓智能平台来对科技馆进行全方位的导览。 需要通过一台智能手机就可以完成对科技馆所有展品和展区的虚拟体验。 科技馆的基本信息需求：在用户使用基于 VR 技术的科技馆虚拟体验系统时， 该系统是一个实际应用系统，是应用在某个具体的科技馆中的，因此，系统必要 要具备对该系统的基本信息介绍。让系统用户在登录系统之后，能够快速地了解 该系统的应用场景的基本信息。让系统用户了解该科技馆的主要展品和所包含的 展区。通过简单明了的信息来对科技馆的展示主题有着快速了解，也让用户直接 明了地看到科技馆是否有着自己感兴趣的内容，从而对是否进行虚拟体验进行快 速选择。展品科普需求：系统中需要为系统用户配置展品科普的功能，这是系统用户 对于科技馆展品的了解需求。需要为系统用户介绍展馆中的每一个展品。这也是 系统用户在科技展馆中的基本需求。科技馆展区导航需求：系统需要为系统用户设置类似地图导航的应用需求， 让系统用户可以通过地图导航来快速看到科技馆的展区位置状况，以及系统用户 当前处于的位置，用户可以通过地图导航来为自己想去的展区进行路线导航。虚拟体验需求：这是基于 VR 技术的科技馆虚拟体验系统的必备功能，也是系统用户使用该系统的一个重要功能。是系统的亮点之一。

科技馆虚拟体验服务需求

科技馆在对前来参观的人员提供服务的过程中，需要提供多样化和细致化的 虚拟体验服务。其中，需要包括以下这些内容： 3D 全景展示区需求：在提供虚拟化体验的过程中，需要对虚拟体验这一领域进行更加细致的划分。科技馆中包含了各个不同的展区，可以针对每一个展区主题，来分别实施不同的虚拟体验。 自主漫游：用户在利用安卓平台进行漫游的过程中，科技馆可以提供不同的 漫游的方式来供用户进行选择，自主漫游是其中一种，通过用户自行输入的需求， 系统制定出一套漫游方案。导览漫游：是系统根据科技馆中的实际展馆内容，来提前为用户定制出不同 需求方向的漫游计划。是提前输入在系统中的漫游方案。

科技馆展区导航需求分析

科技馆展区导航主要是为了系统用户可以地图实时位置显示的方式来查询某 个展区或者某个展品的位置，用户可以通过输入关键词来让系统提供路线指引， 并展示展品和展区的位置信息，让系统用户了解整个科技馆的地图信息。 展区位置查看：系统用户需要通过展区位置信息查看来了解展区的地理位置 信息，了解科技馆中的所有展馆分布情况。并可以看到自己所处位置与展区位置 的距离。 展品位置查看：系统用户需要通过展品位置信息查看来了解展品的地理位置 信息，了解科技馆中的所有展品分布情况。并可以看到自己所处位置与展品位置的距离。地理位置查询：当用户不知道某个展馆或者展品的地理位置时，可以通过地 理位置查询来输入该展馆或者展品的名称，系统根据名称信息来显示出该展馆或 者展品的地理位置信息。 展区位置导航：系统不仅可以单纯地显示展区的位置信息，还可以对展区位 置信息进行导航，来指引系统用户走向展区的位置。 展品位置导航：系统还可以提供展品位置导航，来告诉系统用户去往某个展 品位置的路线信息。