虚拟现实技术在电大远程实验环境的应用研究

徐东海

（唐山市广播电视大学，河北 唐山063000）

1 概述

随着计算机软硬件技术、人工智能、传感技术和多媒体等技术的发展，虚拟现实技术因其沉浸性、交互性和想象性受到广泛关注和应用。目前虚拟现实技术应用场景主要是游戏、娱乐和各种模拟实验中。虚拟现实技术实现的是将现实虚拟，再将虚拟仿真，最终在人机交互中得到听、视、触等直观感受。VR 实现的是真实世界和虚拟景象同时展现出来[1]。

2 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术在国外发展较早，起初是美国飞行员进行飞行训练的系统，后来逐渐民用商业化。近年来，虚拟现实技术在国内发展也是突飞猛进，各大高校和科研机构都在从事相关研究。如北航的分布式飞行模拟和浙江大学在建筑工程方面的虚拟实验环境都是非常成功的，哈尔滨工业大学在人工智能和虚拟现实相交互方面取得很大的进展。国家开放大学的互联网游戏引擎在实验模式方面突破了人机交互的瓶颈[2]。

2.1 虚拟现实的定义。虚拟现实技术（VR）是多媒体技术的终极形式，是计算机软硬件，传感器技术，人工智能技术相结合的一种计算机技术，通过模拟现实环境构建起来的虚拟场景，用户通过外设和系统交互的时候，身临其境，从视觉、听觉、触觉等方面感知。虚拟现实技术有三大特性：沉浸性（身临其境）、交互性（提升体验感）、构想性（特色定制）。

2.2 虚拟现实技术分类。（1）沉浸虚拟现实技术。沉浸式虚拟现实技术主要体现在“身临其境”，沉浸式采用多媒体、仿真、增强现实等技术模拟现实环境[3]。用户通过外设注入头盔式显示器或者VR眼镜将用户完全封闭起来，能够达到最好的融入环境效果。在头盔和VR 眼镜的辅助下，用户能够360°观察环境，通过移动或转动身体能够观察到设备中建模的虚拟物体。缺点就是对设备要求高，投资大。（2）桌面式的虚拟技术。桌面式虚拟技术也叫静态图像虚拟技术。通过计算机投影或者投屏等形式，将多个不同位置的图像有机地联系起来，用户通过观察屏幕，通过键盘鼠标等外设对图像或者3D图形进行操作，可以根据建模的定义对屏幕虚拟的物体进行旋转、前进后退，打开关闭等操作。这种技术的缺点是不能身临其境；优点是设备简单，效果好。（3）增强现实技术。增强现实技术是指在虚拟现实的基础上对实际的物体进行操作。它是一种虚拟和真实相结合的模式，它的虚拟模式能够支持实际环境，并通过操作终端控制现实环境的目的，实际上是一种将虚拟对象叠加在实际物体上，并在虚拟设备上对其真实物品进行解析和该物品工作的简单动画。比如我们的实验环境中的高炉点火操作，在虚拟建模时，对高炉点火装置进行了详细的描述和说明，在操作中，用户使用的是虚拟高炉，但是通过控制器可以对真实的高炉进行点火。（4）分布式网络虚拟技术。分布式网络虚拟技术是依托桌面式虚拟技术或者沉浸式虚拟技术的基础上，通过网络使不同的人都能使用或者参与进来。分布式网络沉浸式虚拟技术可以实现不同区域高度协调工作，例如虚拟会议、虚拟战争环境等；分布式网络桌面虚拟技术可以将资源整合起来，网络上任何位置的人都能对现有的远程实验环境进行远程模拟操作，用户只需要动动鼠标键盘，就可以在实验环境中对模拟的物体进行拖拽、推动、旋转等操作，随时随地完成电大的实验课程和实训课程。

3 实体建模及技术实现

3.1 虚拟现实技术的实体建模。虚拟现实技术的三维建模主要涉及的是几何建模、纹理处理和环境渲染等方面。三维建模的软件主要包括3DMax、Unity3D等。

3DMax毋庸置疑是现在使用最多的三维动画和虚拟现实建模的软件。它继承了三维建模、动画设置和渲染于一体，它在3D 和2D等方面表现突出；3DMax对机器的要求并不高，普通电脑就可以运行；最重要的一点是简单易学；支持WEB 3D的应用。Unity3D也是一款三维建模、虚拟场景、3D、2D等功能齐全的软件[4]。它的编程语言是C#和JAVA，学习过这两种语言的人可以用Unity3D在短时间内开发出优质的产品。它的特点就是交互性，可以实现建筑的可视化，并且支持多平台的迁移。

3.2 虚拟场景与虚拟物体的建模。在虚拟现实实验室建模的过程中，需要建模的主要是虚拟实验室、虚拟实验设备、虚拟实验器材等。我们这里主要是采用3DMax 完成复杂物体建模和使用Unity3D建立继承关系的模型的混合建模模式[5]。

3.2.1 模型创建。本文电大的实验环境主要采用的是3DMax和Unity3D混合建模。一个优秀的虚拟环境可以使用户完美的融入进去，有更好的体验感。在采用虚拟现实技术的云平台开发的建模过程中，虚拟实验室和虚拟设备都是非常关键的部分，这就要求在建模过程中使用适当的建模软件进行建模，并且能够在2D和3D之间恰当的组合，图形拼接的时候要做到细腻，精确，不能出现粗糙的多边形。三维建模基本上的流程为（以虚拟实验室为例）：（1）实验室墙体建立：墙体模型建立主要是光照、纹理、多边形简化，遮挡剔除以及碰撞检测技术，防止人物穿墙。（2）墙体外型建模：不同的物体建模外型不一样，对复杂物体建模更应该具体问题具体分析，有的位置是多边形而个别地方为椭圆等曲面这就需要用带非同一有理B样条。（3）材质的选择：我们在对虚拟物体进行建模时，不光是外型需要和真实物体一致，还需要材质也要接近。这就需要用到大量的纹理素材以及光线等参数的调节。（4）模型的导出：导出模型前需要进行检查，检查材质和实物的对应关系，同材质的物体组合之后的总面数不能超过62K，全都无误后才可以导出，格式fbx。

3.2.2 解决关键技术。（1）场景建模。虚拟实验环境包括实验室、器材、各种线路，因此对物体的逼真度和细腻程度做了要求。采用3DMax和Unity3D软件对现实环境进行1：1 建模。（2）实验脚本。虚拟现实实验室的用途就是和用户的交互性，每个实验脚本的输入和输出能不能准确的执行是整个虚拟实验环境开发的关键。Unity3D内置了mono脚本编辑器，该脚本编辑器支持Java 和C#，开发者可以使用自己熟悉的变成语言。（3）动画制作。动画以其生动形象的直观表达作为虚拟现实实验室的灵魂。选择好的动画制作软件至关重要。常用的方法是采用专业的建模软件、专业的动画系统相结合的方式制作高质量的动画。

4 基于虚拟现实技术的云平台的应用

4.1 硬件基础。开发环境采用的是操作系统windows7 64 位；处理器为inter core i7-4710MQ CPU@2.5GHz；笔记本显示器；显卡为英伟达独立显卡GTX 850M；内存8G。

服务器端安装windows 系统，web 服务器软件为Apache，数据库采用的是Mysql 数据库，编译软件PHP。由于条件有限，服务器采用的是单点运行，但是网卡采用双网卡绑定形式，从Apache 软件层面实现负载均衡。在部署软件后，进行多次压力测试，主要测试方面为：短链接与长连接。短链接主要测试链接数量，而长连接主要测试在持续的压力作用下，多少条用户连接才会停止服务。

4.2 软件平台。现实环境的虚拟实验环境和云平台的虚拟现实环境还是不同的。云平台的虚拟现实环境主要受网络、带宽、缓存等方面的影响。这时的主要工作侧重点在：（1）检查交互脚本和动画的连贯性；（2）系统是否会出现延迟，一般延迟为多久；（3）实验环境的图片和动画是否显示正常；（4）控件触发的动作和信息是否存在偏差。

5 结论

未来的虚拟现实技术必将融合更多的高科技技术，如人工智能、大数据技术、移动技术等，像意念控制物体，神游四海甚至“灵魂出窍”也是可能的。虚拟现实远程实验环境的研究对电大远程实验的意义重大。它改变了电大的传统实验理念，演示者变成了导师，用户变成了主体，被动变为主动；更加创新，创新不再是口号，而是与时俱进，享受高科技；实验手段多样化，只要想的到，就能做的到，设计者可以根据用户需求量身打造实验环境，而不受现实条件的制约。