基于虚拟现实的交互式舞台布景系统

江天一

（江西艺术中心 江西 南昌 330046）

基于虚拟现实的交互式舞台布景系统

江天一

（江西艺术中心 江西 南昌 330046）

虚拟现实需要通过计算机3D技术合成逼真的三维立体虚拟世界来实现，以此带给体验者模拟真实的视觉、听觉及触觉感受。现如今，虚拟现实的计算机3D技术不断发展成熟并普及，逐渐被广泛地应用到电视动画、室内设计、城市规划、舞台机械等领域。本文主要探究构建虚拟现实的交互式舞台布景系统所用的主要软件和方法。

虚拟现实；交互式；舞台布景

计算机图形学在计算机技术的推进下逐步成熟，由静止的平面图像发展成立体动态的三维模型再到逼真的视觉、听觉、触觉的虚拟世界［1］。一场表演要成功关键在其感染力，舞台布景是其中的重要组成部分。如今，虚拟现实技术已经逐渐普及，在舞台布景上也有所应用。传统舞台布景采用实景布置，修改起来费时又费力，因此采用仿真舞台布景是一个更为可行且高效的方法［2］。虽然目前的仿真技术还未达到完全再现真实舞台声光电的效果，但与真实舞台效果已十分相近，相信随着技术的改进能够逐步提高仿真效果。

目前，建模软件Autodesk、3DS MAX等的应用十分广泛且操作较方便，但手工设计的部分仍较为繁琐，且设计的效果不够直观立体。因此本文试图研究一套更为有效的舞台仿真布景技术。

一、舞台设计的虚拟现实技术

虚拟现实技术通过计算机的各种硬件和软件设计一个逼真的三维立体环境，体验者通过视觉、听觉、触觉进行动态人机自然交互，舞台设计师也能通过体验身临其境之感产生灵感，对舞台设计进行进一步修改。

沉浸式的虚拟现实技术需要较多设备，如三维立体显示器、传感器手套以及立体声耳机等来达到视觉、听觉、触觉等多重立体感受。该体验可以充分激发使用者的灵感，此外使用者还可以通过操作改变虚拟模型达到互动效果。出于经济及方便的考量，本文选取非沉浸式的虚拟现实技术，通过鼠标移动视角来实现立体的全面观。

二、计算机图形学

计算机三维模型涉及的主要技术有图形变换、真实感图形生成以及人机交互技术。图形变换技术涉及的主要内容有窗口视区变换（建立坐标系）、图形几何变换（图形进行平移、旋转、缩放等变换）和投影变换（三维模型投射到某一平面）。为了使图形具有真实感，色彩、阴影、纹理、层次感等必不可少。因此真实感图形生成包括利用消隐技术消除不可视部分体现物体的层次感；通过公式计算明暗效应表现物体真实的反射及透射现象；有图案花纹的颜色纹理及凹凸感的几何纹理更能体现出模型的质感。人机交互主要通过设备，例如鼠标、键盘或操纵器等来实现。

三、软件OpenGL的使用

本文使用的OpenGL软件是在GL的基础上由SGI公司开发出来的，其三维图形具有较强的真实感及较高的性能，被许多公司使用，成为新的三维图形标准。OpenGL利于用户使用函数，大大简化了构建三维模型的工作量，图形处理形式较丰富且操作简化，受到许多用户的喜爱。

OpenGL基本上在各操作系统中都可以使用，一般图形处理的结构从下到上分别包括以下几个部分：硬件、操作系统、窗口、OpenGL和应用程序。OpenGL具有多种功能，包括帮助用户实现三维几何模型的构建、全面观察立体物体的各个角度、进行图像的处理、产生平滑动画，还可以通过选择拾取和反馈进行交互。

OpenGL的主要操作步骤为：格式设置、模型的建立、舞台的布置、设计的更改以及光栅化。使用Visual C++可以方便对OpenGL进行编程。

四、基于虚拟现实的交互式舞台系统总设计

基于虚拟现实的交互式舞台系统总设计的方案应该主要包括几个部分：①对舞台进行仿真模拟，包括灯光、道具、舞台等，在设计的过程中要注意各个部分之间的联系；②虚拟舞台模型的构建：利用计算机软件（本文主要使用OpenGL构建模拟的舞台模型），设计者在设计时随时可以根据灵感更改其设计，完成舞台主体部分的构建。在模型的构建过程中可以先调度已有模块再自己建立不存在的模块以提高效率；③舞台渲染：在舞台模型大致构建好后，可以充分利用OpenGL软件提供的各种效果处理，使舞台模型尽量达到仿真的效果，有助于提高实际舞台搭建的效果；④人机交互：其实人机交互应基本贯穿虚拟设计的整个过程，主要为通过各种变换操作建立修改三维模型的构造技术、选择待处理部分的拾取技术、发布操作指令的命令技术和直接处理对象的直接操作技术。

五、结束语

虽然目前与舞台布景仿真方面相关的计算机图形学技术的发展已日渐成熟，基本上能够满足一般舞台布景的需求，但高规格的复杂舞台的布局仍需进一步提高虚拟现实技术的效果。本文为基于虚拟现实的交互式舞台布景提出了一个较为可行的基本框架，可实际操作过程中还有许多部分需要继续细化和完善。如何更好地呈现声、光、电及道具在模型中共同作用的逼真感是该系统需要进一步开发的部分。此外，人机交互的部分也是完善设计的关键部分，应设计出多种效果较好且经济方便的人机交互模式，发展出一套较为成熟科学的舞台布景虚拟现实系统仍是目前研究努力的方向。

［1］杨波.基于虚拟现实的交互式舞台布景系统［D］.武汉：武汉理工大学，2002.

［2］杨波.基于OpenGL的交互式舞台布景仿真系统设计［J］.武汉冶金管理干部学院学报，2002，（01）:71-73.

J813

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1007-0125（2015）11-0038-01