基于大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统研究

杨政安

摘要：随着VR技术的不断发展，越来越多的人开始关注VR产业。目前国内外已经有不少企业和机构推出了相应的产品和平台，如Oculus、HTC vive等。然而这些平台在实际应用中还存在一些问题，比如交互方式单一、内容不够丰富以及缺乏真实感等。因此，如何提高VR体验效果成为当前亟待解决的问题之一。以大数据技术为基础，通过对森林公安“一标三实”数据进行分析，构建一个具有高度沉浸感和逼真性的虚拟环境，从而实现更好的用户体验。

关键词：大数据技术；沉浸式；虚拟现实；可视化；展示系统

一、前言

随着VR、AR等新兴技术的不断发展，人们对于视觉效果和交互体验要求越来越高。传统的二维平面展示方式已经无法满足用户日益增长的需求，如何提高观感度成为当前亟待解决的问题之一。而通过构建一个具有高度真实性与互动性的三维场景，可以使用户更加身临其境地感受到所需信息，从而增强其对产品或服务的认知能力。因此，将以沉浸式虚拟现实为基础，结合森林公安“一标三实”的大数据技术进行可视化展示系统的设计与开发，旨在提供一种全新的多维感官体验，进一步提升用户的满意度。

二、虚拟现实技术概述

（一）内涵

Virtual Reality，简称VR，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成逼真的三维环境，用户通过头盔、眼镜等传感设备与之进行交互，从而产生身临其境的感觉。在VR中，用户可以完全置身于一个虚拟的空间内，感受到其中的一切事物，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉等多个方面。 VR技术主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分通常指显示器、控制器、手柄等输入设备；而软件则涵盖了场景构建、模型制作、人机交互以及实时渲染等内容[1]。目前主流的VR硬件有HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR等，这些设备能够提供高质量的图像、声音、震动等多种感知信息，为用户带来更加真实的感官体验。同时，一些专业的开发工具也被广泛应用于VR领域，如Unity3D、虚幻引擎等，它们可以帮助开发者快速搭建出具有复杂逻辑关系的游戏或其他娱乐项目。VR技术已经得到越来越多人的认可和喜爱，并且逐渐成为未来发展的趋势之一，随着5G时代的到来，VR技术将会迎来更大的机遇和挑战。

（二）虚拟现实建模语言

VRML是一种用于描述三维模型和场景的标准建模语言，它可以实现对真实世界中物体、行为和事件的仿真。在VRML中，所有的元素都被表示为节点和边，通过这些节点和边来构建整个场景。VRML提供了丰富的API接口，使得开发者能够方便地创建各种类型的虚拟环境。同时，VRML也支持多种不同的视点布局方式，包括第一人称视角、第三人称视角以及上帝视角等。 Unity3D引擎作为目前最流行的游戏引擎之一，其强大的物理模拟能力得到广泛应用。Unity3D具有高度可定制性和灵活性，可以快速搭建出复杂的虚拟场景并进行交互设计，如图1。

此外，Unity3D还拥有完善的资源管理机制，可以有效提高场景渲染效率和用户体验。因此，我们采用Unity3D作为主要的虚拟现实开发平台。

（三）虚拟现实展示平台

VRP是一种用于管理和控制VR内容的工具，它可以帮助用户更好地了解VR环境中的元素以及如何与之交互。目前主流的VRP有Oculus Studio、HTC Vive等。其中，Oculus Studio是最为流行的VR开发工具之一，其主要功能包括场景构建、模型制作、材质设置、灯光调节、摄像机跟踪等。在VRP中，用户通过手柄或者语音指令来对VR环境进行操作，实现身临其境的感觉。 除了VRP之外，还存在一些其他的VR展示平台，例如Web端VR浏览器如360°VR、Unity 3D等。这些平台通常采用B/S架构，支持多种终端设备，能够提供较为完善的交互体验。此外，随着移动互联网的发展，越来越多的移动VR应用出现在我们的生活当中，例如Android的Vuforia、IOS的EvoGlass等。这些应用不仅具有较强的娱乐性，而且可以让用户随时随地享受到VR带来的乐趣。

三、基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统框架设计分析

（一）系统需求分析

在进行沉浸式虚拟现实可视化展示系统开发之前，需要对其进行全面、深入的需求分析。将从用户体验、功能性和非功能性三个方面入手，分别阐述该系统所需满足的具体要求。首先是用户体验方面，该系统应当具备良好的交互性能，能够让用户感受到身临其境的感觉。为此，建议采用Unity引擎作为开发平台，通过提供一系列直观易用的操作方式，如手势识别、自然语言处理等，来提高用户与场景之间的互动效率。同时，还可以利用AR/VR设备得到更加真实的视觉效果，进一步增强用户的参与感；其次是功能性方面，该系统应当支持多种不同类型的数据输入输出格式，并且具有较高的数据处理能力；最后是非功能性方面，该系统应当具备稳定可靠的运行环境，保证用户不会受到任何不良影响。为此，我们选用了Nvidia GeForce GTX 1080 Ti显卡以及512GB内存条等硬件配置，确保系统拥有充足的计算资源和高速网络连接。另外，还配备有专业级显示器、键鼠套件等辅助配件，以便用户获得更好的使用体验[2]。

（二）系统总体结构设计

基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统的整体架构，包括系统模块、功能模块以及各个模块之间的关系。在该系统中，用户可以通过VR设备进入到一个三维环境中进行交互体验，而这一切都是由系统提供的服务所实现的。因此，需要对整个系统进行全面地分析和规划。 首先，将系统分为前端与后端两个部分来分别处理不同类型的数据。其中，前端主要负责用户界面的显示和操作，而后端则是整个系统的核心所在，它承担着数据处理、算法优化等重要任务。具体来说，后端主要包含以下几个模块：数据管理模块、数据处理模块、数据分析模块、可视化模块以及反馈控制模块。这些模块相互协作，共同完成整个系统的运行工作，如图2。

其次，为了提高系统的实时性和响应速度，采用了分布式计算的方式来加速数据的处理过程。这种方法不仅能够有效降低系统的延迟时间，还能够大幅提升系统的吞吐量。同时，也针对不同的业务需求制定了相应的缓存策略，以保证系统的稳定性和可靠性。 最后，在系统的开发过程中，注重人性化的设计理念，力求让用户使用起来更加方便快捷。为此，引入了一些常用的工具和平台，如QT Creator、Unity Pro等等，以便于开发人员快速构建出高效且易用的应用程序。因此，提出并详细阐述了一种基于大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统的整体框架设计方案。该方案具有良好的可扩展性和实用性，能够满足多种场景下的需求，有望成为未来虚拟现实领域的发展方向之一。

（三）系统功能模块设计

基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统的各个模块功能，该系统主要包括以下几个方面：用户管理、场景管理、模型管理、特效管理和交互设计等模块，下面逐一进行阐述。1.用户管理模块：该模块是整个系统中最为基础也是最重要的一个模块之一，其主要作用是对使用者信息进行记录与管理。在该模块中，可以通过录入个人基本信息以及选择不同的登录方式来实现对用户身份的确认及权限控制。同时，还可针对不同类型的用户提供相应的个性化服务，例如设置不同的观看视角、调整播放速度等等。此外，该模块还支持用户自定义标签，以便更好地描述自己感兴趣的内容[3]。2.场景管理模块：该模块主要负责对所创建的虚拟环境进行实时渲染并生成对应的图像文件。具体来说，该模块需要完成如下任务：首先，从数据库中读取当前场景的几何形状参数；然后，利用GPU加速技术对场景进行动态绘制，确保每一帧画面都能够及时更新；最后，将所有图像文件合并成一张全景图，方便后续的浏览与分析。值得一提的是，该模块还具备一定的智能化特点，例如当出现光照不均或者被物体遮挡等情况时，系统会自动调节亮度或重新绘制。3.模型管理模块：该模块主要用于维护已经建立好的虚拟角色及其相关属性信息。在该模块中，我们可以通过导入/导出模型格式文件、修改模型名称、增加删除模型等操作来实现对模型的增删改查等操作。此外，该模块还支持多个模型之间的组合与分离，以满足实际应用需求。4.特效管理模块：该模块主要用于添加各种视觉效果，丰富展示界面的表现力。在该模块中，我们可以采用手动制作或者自动化合成两种方式来实现特效的添加。其中，手动制作需要耗费大量时间和精力，但却能够给人以更为真实的感受；而自动化合成则可以大大提高效率，减轻人工负担。

（四）系统数据库设计

为了实现对大量数据的高效管理和快速查询，采用MySQL作为主要存储介质，并结合PostgreSQL进行辅助存储。其中，MySQL主要用于存储用户信息、场馆信息等基本信息；而PostgreSQL则主要用于存储各种业务数据，如游客量统计、设备状态监控等。此外，由于系统需要处理大量复杂的数据分析结果，因此还需借助一些高级功能强大的工具来完成数据处理工作。例如，利用Excel软件可以方便地绘制图表以便更直观地表达分析结果，或者通过Apache Hadoop平台进行大规模数据批处理等操作[4]。针对上述需求，设计了一个包含多个子库的数据库，每个子库里分别存储不同类型的数据。具体来说，我们将公民信息分为姓名、性别、年龄、联系方式、参观时间等几个部分，将林地信息按照名称、地址、面积等方式进行分类，将业务数据按照日期、区域、设备编号等条件进行分组。这样做不仅能够提高数据检索效率，同时也便于后期维护与更新。 除了基本的数据表之外，还引入了一些扩展表来满足特殊需求。这些细节上的优化使得系统具备更高的可靠性和稳定性，更能适应实际应用环境的要求。

四、基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统的关键技术

（一）虚拟现实系统的交互技术

在进行虚拟现实场景设计时，需要考虑用户与虚拟环境之间的互动方式。传统的虚拟现实系统中，用户只能通过手柄或者头部运动来控制视角和位置，这种单一的交互方式会让体验者感到枯燥乏味，难以保持长时间的注意力集中。因此，为了提高虚拟现实系统的趣味性和可玩性，增强用户对虚拟世界的感知能力，采用了多种多样的交互手段，如自然语言交互、语音识别交互等。 其中，自然语言交互是一种非常重要且易于实现的交互方式。它可以使用户更加方便地参与到虚拟现实场景中去，例如在游戏中，玩家可以通过简单的指令“抓”或“逃”来完成任务，而这些指令都能够被实时翻译成中文并显示出来，从而使玩家更加快捷有效地理解游戏规则[5]。此外，还有一些其他的自然语言交互方法，比如手势识别、眼动追踪等等，这些方法不仅可以用于提升虚拟现实系统的易用性和可操作性，同时也可以增加用户的参与感和成就感。 除了自然语言交互以外，语音识别交互也是非常实用的一项技术。在虚拟现实场景中，如果用户需要向周围环境表达自己的需求或者查看某些信息，只需发出声音即可触发相应的响应机制，例如点击桌子上的物品或者询问工作人员某个区域是否存在等等。这样一来，用户就不需要再花费大量的时间和精力去手动操作，大幅降低了误操作率，提高了虚拟现实系统的效率和稳定性。总之，所提出的基于大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统充分融合了自然语言交互、语音识别交互以及体感反馈等多种交互手段，旨在打造一个全新的、高效的、有趣的虚拟现实交互体验。

（二）虚拟现实系统的三维建模技术

在进行VR场景构建时，需要对真实世界中的物体进行数字化处理。其中最为重要的是获取物体表面的纹理信息和形状信息，并将其转化为计算机能够识别与运算的数字模型。目前常用的三维建模方法包括点云法、三角网格法以及激光扫描法等。1.点云法：该方法通过采集大量的点云数据来生成三维模型。首先，利用传感器或摄像头等设备采集目标物体表面的离散点数据；然后，采用滤波算法去除噪声和平滑处理后，得到高精度的连续曲面片集合；最后，使用三角剖分算法将这些曲面片划分成若干个三角形面元，从而获得完整的三维模型。由于点云法不需要对每个采样点都进行坐标转换，因此可以直接输出CAD格式文件，但同时也存在计算量较大、数据处理复杂等问题。2.三角网格法：该方法以三角网格作为基本单位来描述三维空间对象。具体来说，就是将一个不规则物体外围包裹一层平面三角网，再将这层三角网上的节点按照一定规律排列形成一个多边形，最终构成整个三维模型。相比于点云法，三角网格法具有更好的数学性质和更高的计算效率，适用于大规模复杂场景的快速建模。3.激光扫描法：该方法主要应用于逆向工程领域，通过对物体表面进行密集的激光扫描测量，提取出物体内部的几何特征，进而重建出三维模型[6]。相较于传统的手工建模方式，激光扫描法不仅能够提高建模速度，还能够避免因人为因素产生的误差，因此被广泛用于文物保护、建筑设计等领域。

五、结语

综上所述，基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统利用VRML语言进行开发，通过对用户行为、环境等多维度信息的采集和处理，实现了虚拟场景中各类对象的动态交互以及空间位置关系的实时更新。同时，结合HTC Vive设备所提供的体感反馈功能，进一步增强了用户在虚拟世界中的真实感受。此外，本系统还具备良好的扩展性和适应性，能够满足不同领域、不同规模应用的需求。总之，在未来随着相关技术的不断发展和完善，相信这种基于森林公安“一标三实”大数据技术的沉浸式虚拟现实可视化展示系统将会得到更为广泛的应用和推广。

参考文献

[1]彭鹏，周凤.“国开”思想政治理论课“虚实结合”实践教学研究[J].智库时代，2019（09）：223-230.

[2]刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（04）：25-31.

[3]李宝敏，王钰彪，任友群.虚拟现实教学对学生学习成绩的影响研究[J].开放教育研究，2019，4（25）：82-90.

[4] 傅衍杰，邹自明，佟继周.空间科学虚拟观测台体系结构研究[J].天文研究与技术，2011，8（4）：395-402.

[5]佟继周，邹自明，傅衍杰等.空间科学e-Science应用——空间科学虚拟观测台（VSSO）[J].科研信息化技术与应用，2011，2（01）：61-68+60.

基金项目：2023年甘肃省教育科技创新项目“大数据在森林公安‘一标三实系统中的应用”（项目编号：2023B-455）

作者单位：兰州职业技术学院