基于VRML的电视媒体虚拟仿真实验研究与实现

李 静，吴小胜

（池州学院文学与传媒学院，安徽池州247000）

虚拟仿真实验与实际实验相结合，突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际课堂教学需要，逐步成为老师得力的实验制作工具[1]。虚拟仿真实验不仅节约了大量的人力物力资源，也使得用户可以突破时间和空间的局限，利用碎片的时间和碎片的空间进行自主学习。基于VRML技术开发电视媒体虚拟仿真实验项目，一方面，可以缓解电视媒体实验场地和昂贵设备不足的困境；另一方面，通过逼真形象的多媒体、可视化的呈现，弥补了传统实验教学表现力不足的问题，使得用户在视、听、触等感官上获得了良好的感性认识和实践体验。

本研究以“电视发射机虚拟仿真实验系统”的开发为例，依托VRML技术建构电视媒体虚拟仿真实验项目开发一整套规程和方法，并详细介绍了项目开发中的系统环境搭建、三维立体建模、交互设计和产品发布等关键技术。

1 VRML技术

随着互联网和虚拟现实技术的发展，基于互联网的虚拟现实技术的应用场景也越来越广泛。VRML技术是虚拟现实技术中经典代表，其代码简洁，支持多种交互行为和可扩展自定义对象，是一种低门槛、易实现的虚拟现实技术。

1.1 VRML技术概述

VRML是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向web、面向对象的三维造型解释性语言[5]。VRML结合Internet和多媒体技术将三维交互对象、虚拟场景搬运上互联网，可以看作是HTML(Hyper Text Markup Language)的3D模拟，用户借助各种交互设备与虚拟场景互动，实现了网络上2D画面到3D动画的转变，创造了一个真实感强、交互性好的虚拟世界[6-8]。

1.2 VRML的基本特征

VRML有四个基本特征：

一是沉浸性，VRML向用户提供真实世界的场景模型或虚拟的三维世界的场景模型，人们借助头盔、眼镜、耳机等虚拟现实设备进入虚拟场景，获得场景身临其境的体验。作为场景中一个角色，用户可以通过多种交互手段行走在虚拟场景中，以多种视角观察、操控场景中的对象。

二是交互性，用户借助位置追踪仪、操纵杆、数据手套、三维鼠标等交互设备在虚拟场景做自由漫游、控制场景中某个物体的空间位置、同时系统将用户与虚拟物体接触的信息反馈给操作者等，用户获得与真实世界同样的交互体验，真实感强。

三是多感知性，指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉感知等。理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能[9]。VRML支持多种媒体，用户与场景的交互过程中可以获得交互图文信息的提示、各种模拟音效以及对象的触觉感知和运动感知。

四是构想性，虚拟场景是人构想出来的，VRML支持的交互模式提供了发挥想象力机制,用户可以将自己对虚拟场景或对象的行为构想变成可视化的交互行为。

1.3 VRML的工作机制

VRML开发语言具有代码简洁、面向对象等优势，是虚拟现实产品中经典的开发工具。

作为虚拟现实造型语言，VRML在语法格式上如同HTML一样。HTML以标记(Tag)指定文字样式、排版格式、多媒体档案插入或超链接等功能,而VRML则以节点(Note)作为基本单位[10]。VRML支持的脚本语言有JavaScript,Java,VRMLScript,ECMAScript。

VRML的工作机制是基于客户端/服务器模式[11]。开发中借助Cult3D等工具实现对场景、对象的交互控制规划，复杂场景采用JavaScript等脚本语言实现对节点指令的编程设计，然后，客户端通过本地浏览器（安装如Cult3D View Pulgin插件）进行解释运行，实现对虚拟场景及对象的交互控制。

目前该技术被广泛地应用于旅游、媒体、购物、军事和医疗等各个领域，例如人们借助头盔、眼镜、耳机等虚拟现实设备，体验360度全景视频；通过虚拟现实设备，能使媒体受众体验到真正的“现场新闻；同时，虚拟现实技术还可以提供整个商店的虚拟导游，提高人们在线购物的体验等等。

2 基于VRML构建虚拟仿真实验系统三层体系模型

结合VRML虚拟现实造型语言的功能及其工作机制，本研究构建了模型层、交互层和表现层虚拟仿真实验系统的三层体系架构。三层体系架构如图1：

图1 虚拟仿真实验系统三层体系架构

其中模型层负责实物模型的构造与管理，主要通过3dsmax、maya等三维软件建模并导出*.c3d模型文件，生成VRML原型；

交互层利用VRML原型进行交互设定，主要通过Cult3D Designer及JavaScript脚本编程实现交对象的互动作设计，其中JavaScript脚本用于复杂场景和对象的交互控制，包括用户的鼠标动作、音效响应等，生成*.jas文件与*.co文件；

表现层则是用户与客户端的交互界面，通过Dreamweaver嵌入网页代码，利用HTML+CSS、VRML插件及浏览器发布，也可以通过office，比如在Powerpoint中浏览。

3 VRML技术平台的系统环境搭建

VRML虚拟仿真实验系统开发的主要流程包括：三维立体建模、交互设计和产品发布。系统环境搭建如下：

3.1 硬件环境

依托VRML技术平台的虚拟仿真实验包括实体的测量、建模、贴图、交互设计及产品发布环节，因此硬件环境准备如下：

（1）电视媒体工作环境。计算机与网络实验环境。用于各类电视媒体的实体精确测量与三维立体建模。

（2）摄影摄像环境。用于三维立体模型的贴图烘焙等。

（3）成果测试、运行环境，包括互联网及各类浏览器。用于网络中多视野、全方位操作情境的整体设计，以及产品发布。

3.2 软件环境

基于VRML技术平台开发虚拟仿真实验，软件环境的搭建是技术保障，更是关键环节。研究从三维立体建模、交互设计和产品发布三大系统开发的主要流程配置软件环境，经过实验测试，如下软件环境配置的稳定性、易用性及可扩展性较高。

3.2.1 三维立体建模环境 3dsmax2018中安装cult3d3dsmax插件，再运行MaxR6_7_8_V4.0.4.59.exe，按提示操作即可。在3dsmax2018中建模，使用导出选项，导出*.c3d文件。

3.2.2 交互设计环境 运行三维交互设计软件Culd3D Designer.exe，进入Cult3D界面，载入从3dsmax中导出的*.c3d文件。Cult3D支持同时载入多个c3D格式文件，中间可以保存工程文件(*.c3p)，最后生成*.co文件和*.html文件。

3.2.3 产品发布环境分情况讨论

（1）如果是IE浏览器，须先安装Cult3D Viewer for Web browsers，即IE浏览器插件，运行Cult3D_IE_5.3.0.228.exe文件；直接在其中打开html文件即可以浏览了。

（2）如果是在其它浏览器（如火狐）中输出，可先安装Cult3D_Mozilla_5.3.0.154.exe文件。而后直接浏览html文件即可。

（3）如果是在office中，比如在Powerpoint中浏览，则需安装office插件Cult3D Viewer for Microsoft Office，运行 Cult3D_IE_5.3.0.228.exe(与 IE 的不一样)，然后打开Powerpoint,进入“视图”菜单/工具栏/控件工具箱，使用“其它控件”中的Cult3d activex player工具，插入*.co文件，播放即可。

4 基于VRML的电视媒体虚拟仿真实验系统的实现

开发研究以“电视发射机虚拟仿真实验系统”为例，主要流程包括：三维立体建模、交互设计及产品发布三个阶段，开发实践及成果如下：

4.1 电视发射机实体的精确测量与拍照

为获得三维模型的真实感，首先要对实体进行测量与拍照，测量的目的是为了保证三维模型的比例规范，测量数据要准确；拍照图片作为三维模型的纹理和贴图，拍照环境要亮度适宜、且无阴影，实物的阴影在3dsmax中运用灯光实现。

4.2 三维实体建模、灯光、渲染

三维实体建模，采用3dsmax2018三维软件，贴图展平的拼接技术已在软件中实现了无缝拼接，3D灯光、渲染、贴图烘焙的综合运用；鉴于实时交互的响应速度，在三维建模中运用天光作主光，辅以Omini灯光作辅光，而后大象素贴图展平输出，再运用烘焙技术回贴，生成模型文件，在交互程序设计中运用事件切换的方法展示。VRML模型文件如图2：

图2 VRML模型文件

4.3 多视野、全方位操作控制的交互设计

虚拟仿真系统的交互设计采用Cult3D Designer工具进行交互事件规划，实现用户与虚拟场景、对象的交互控制。在事件规划中要注意两个问题：

一是虚拟对象间的层级关系，比如机械运动的虚拟仿真系统中的主动轮和从动轮的关系，必须是主动轮先旋转起来，然后从动轮跟着旋转。

二是交互控制的时序关系，比如说电视发射机的虚拟仿真系统，必须是先打开功率放大器电源开关，而后其它按钮及功能才能启动。事件总体规划图如图3：

图3 电视发射机虚拟仿真系统事件总体规划图

为使用户获得真实感强、沉浸感好的视觉效果，作者在虚拟现实构想环节中采用多视野、全方位操作情境的整体设计技术。实现的方法是在三维建模过程中使用多机位设计，在交互设计中运用控制球操作与鼠标键盘结合的方式共同控制电视媒体。

交互演示效果如图4，键盘交互控制功能如图4中A区所示操作提示，鼠标交互控制功能如图4中B区所示操作提示：

图4 电视发射机虚拟仿真实验系统演示效果

程序中运用了行为序列与情境特写的方式解决了媒体多视野、全方位的展示问题。通过键盘左右键实现全方位旋转展示，键盘事件规划图如图5：

图5 键盘事件规划图

虚拟仿真实验不仅仅是对虚拟场景、对象的交互控制，还包括对实验设备的认识、操作说明等。本研究涉及的网络情境中交互图文信息的撰写与显示技术，在三维建模时运用虚实结合的方式建立模型，对于开关、仪表指针等采用双重叠位创建，操作中的信息显示采用鼠标跟踪方式的交互程序设计完成，使得信息显示运用自如。鼠标事件规划图如图6（节选）：

图6 鼠标事件规划图

鼠标左键点击电源开关，发射机启动（伴有启动音效），与此同时发射机其它功能按钮启用；鼠标左键点击功放表按钮，功放表按钮01弹起，并设置弹起音效，实现电视发射机设备的虚拟仿真实验演示，设备中其它功能开关及参数的交互控制同理设计，功率放大器电源开关打开如图7所示：

图7 功率放大器电源开关打开

4.4 多终端产品发布

考虑到用户的差异化需求，客户端界面的设计、客户端数据访问与多媒体控制部分的编程技术，使用了网页交互方式和单机课件展示两种方式提供给使用者操作。客户端界面的设计、客户端数据访问与多媒体控制部分的编程技术，使用了网页交互方式和单机课件展示两种方式提供给使用者操作，提示界面友好，运用多媒体交互控制技术使得控制提示一键完成、一键隐退，大大方便使用者。

对于互联网用户，采用服务器与客户机方式进行网上发布，将网页交互插件嵌入到客户端页面中，便于操作者下载；对于局域网则直接使用通用办公软件交互操作(如PPT)，极大强化了软件的易用性。

5 结束语

关于虚拟现实实现技术，目前主流的虚拟仿真产品的开发工具是Unity3D系统，该系统开发对人员要求较高，学科教师较难完成虚拟现实资源的开发。因此在教育实践领域探索技术门槛低、可视化程度高、易实现的虚拟仿真实验技术尤为重要。本研究为该问题解决提供了方案。

基于VRML技术的“电视发射机虚拟仿真实验系统”的实现，不仅为用户提供了一个虚拟仿真实验项目，也是建构了一整套的基于VRML的虚拟仿真实验开发的规程和方法，可为同类系统的开发提供借鉴。