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[摘 要]利用3ds Max软件建模，Virtools进行程序控制，开发了虚拟现实场景下高速动车组漫游交互系统。该系统可以通过虚拟现实专用动作捕捉设备或键盘和鼠标进行交互操作，沉浸感较好，让人身临其境。不仅缩短了列车的研发周期，提高了设计人员的产品研发能力，而且更好地在虚拟现实系统中展示和宣传了企业产品。
[关键词]Virtools；虚拟现实；3ds Max
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0298-01
虚拟现实技术可以利用计算机生成一种三维虚拟模拟环境（如虚拟驾驶室、生产车间等），通过多种力反馈设备使用户“投入”其中并与虚拟场景进行自然交互。近些年来，虚拟现实技术被广泛地应用在各个领域，如军事仿真、教育、医学、制造等等。文章以法国达索公司开发的Virtools软件为基础，研究轨道客车漫游交互系统，以提高企业的研发设计能力，缩短开发周期，降低开发成本。
1 系统整体设计及实现流程
建立该系统的主要目标有两个，一是在研发设计过程中通过三维虚拟现实系统对客车的内饰和外观进行评审，及时进行方案交流，对方案进行调整，缩短设计周期，降低开发成本。二是产品漫游，即对已经设计完成的客车进行外观和内饰的浏览，在实体样车生产出来之前对客车有初步的印象。根据需求，系统设计整体功能框图如图1所示。
虚拟现实产品设计流程一般分为四个大的步骤：美术建模；将模型导入虚拟现实制作软件Virtools中；在Virtools中进行交互动作及各种功能的设计和实现；生成可执行文件.exe文件或发布成可以在网页上浏览的格式。根据需求，本系统通过上述几个步骤后，将最终实现在3通道投影上的立体显示。
2 系统模型建立及关键处理技术
对系统中出现的场景通过3ds Max软件进行建模，由于工业设计的客车数据量较大，目前市面上硬件的发展及软件的处理能力有限，将所有的数据放入Virtools中会导致软件的崩溃，因此为了处理客车的海量数据将按照工业设计的数据和尺寸通过3ds Max对客车进行建模，这样不但可以减少数据量还可以使用3ds Max对模型进行渲染，还可以弥补工业模型在色彩渲染上的不足。
系统运行时，模型的帧数是靠显卡和CPU实时计算出来的，对系统中模型的数据量具有一定的要求。模型的个数、面数以及模型的贴图三个方面处理工作会直接影响虚拟现实场景在计算机上的运行效果。因此，系统中模型建立的基本原则就是要对模型进行优化，严格按照虚拟现实中游戏建模规则创建简模。虚拟现实的建模和做效果图、动画的建模方法有很大的区别，主要体现在模型的精简程度上。项目中制作模型时应注意的事项有：1）一定要限制模型的数量，尽量减少不必要的模型，而且为了提高系统的运行效率，每个模型的面数也要进行严格的控制，用最少的面数表达一个物体模型；2）在表现细长条的物体时，尽量用贴图而不用模型的方式表现，这样做可以减少系统数据量，而且贴图表现更加细腻，真实感较强，还可以避免实时渲染时还会出现锯齿与闪烁现象。如轨道模型，每一根轨道是细长条的物体，使用贴图方式进行处理；3）在处理贴图时，尽可能使用小贴图，以减少显存的浪费；4）同一时间出现的用户视口内的模型面数不应超过显卡的承受能力而导致帧速率下降，模型密度分布要合理，否则会导致帧速率忽快忽慢，在三维场景下容易头晕；5）对于复杂的造型，可以用贴图或实景照片来表现；6）柔性物体在3ds Max中不能实现，所以对客车上水龙头的出水效果只能是示意，不能是很好地渲染，做出漂亮的界面。
3 程序实现
将3ds Max处理过后输出的.nmo格式的文件导入到Virtools软件中，在Virtools中通过使用软件自带的BB模块对程序中功能进行脚本编写，实现系统中的功能。
漫游方式有自动和手动方式。所谓自动漫游模式，是指在Virtools中播放事先录好的一段相机不同视角拍摄的连续画面；手动模式下，是指可以通过虚拟现实设备在虚拟场景中进行自由选择车厢和位置进行漫游浏览并与虚拟三维场景中可交互设备进行交互，图2为在virtools中编辑手动漫游界面。除了漫游方式分为手动和自动外，在系统中实现了车厢，天气等选择功能，另外，虚拟现实有个特点就是多感知，即在视觉，听觉，触觉，嗅觉等方面也都有才够理想。因此根据需求在本系统里面增加背景音乐，提高系统在听觉上的效果，避免浏览过程中的枯燥。
4 结论
将完成的作品生成可执行程序.exe文件，移植到以三通道可交互的沉浸式虚拟现实硬件装置的平台上。系统的运行效果图如图3所示。客户可以通过系统在实体样车生产出来之前在虚拟环境下体验新产品的特色，沉浸感较强，能够给人一种身临其境的感觉，为产品的设计和外观评审提供了一种新的方法和理念。缩短了开发周期，节约了设计中人力、财力和物力的开发成本，更好地为客户在虚拟现实系统中展示和宣传了企业产品。
参考文献
[1] 傅招国，王天威，倪小鹏等，基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用[J].计算机工程与科学，2012，34（6）：97-100.
[2] 胡珊，于光，周明秀等.基于3D和VIRTOOLS技术的物理虚拟实验室架构设计[J].计算机工程与设计，2008，29（1）：206-209.
[3] 盖龙涛，陈月华.基于Virtools的交互式操作模型系统的设计与实现[J]，计算机应用，2009，29：308-313.
[4] 刘明昆.《三维游戏设计师宝典 -Virtools 开发工具篇》.四川电子音像出版中心，2005-04.
[5] 法国达索公司.《Virtools Dev 4.0 Online Reference》.
[关键词]Virtools；虚拟现实；3ds Max
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0298-01
虚拟现实技术可以利用计算机生成一种三维虚拟模拟环境（如虚拟驾驶室、生产车间等），通过多种力反馈设备使用户“投入”其中并与虚拟场景进行自然交互。近些年来，虚拟现实技术被广泛地应用在各个领域，如军事仿真、教育、医学、制造等等。文章以法国达索公司开发的Virtools软件为基础，研究轨道客车漫游交互系统，以提高企业的研发设计能力，缩短开发周期，降低开发成本。
1 系统整体设计及实现流程
建立该系统的主要目标有两个，一是在研发设计过程中通过三维虚拟现实系统对客车的内饰和外观进行评审，及时进行方案交流，对方案进行调整，缩短设计周期，降低开发成本。二是产品漫游，即对已经设计完成的客车进行外观和内饰的浏览，在实体样车生产出来之前对客车有初步的印象。根据需求，系统设计整体功能框图如图1所示。
虚拟现实产品设计流程一般分为四个大的步骤：美术建模；将模型导入虚拟现实制作软件Virtools中；在Virtools中进行交互动作及各种功能的设计和实现；生成可执行文件.exe文件或发布成可以在网页上浏览的格式。根据需求，本系统通过上述几个步骤后，将最终实现在3通道投影上的立体显示。
2 系统模型建立及关键处理技术
对系统中出现的场景通过3ds Max软件进行建模，由于工业设计的客车数据量较大，目前市面上硬件的发展及软件的处理能力有限，将所有的数据放入Virtools中会导致软件的崩溃，因此为了处理客车的海量数据将按照工业设计的数据和尺寸通过3ds Max对客车进行建模，这样不但可以减少数据量还可以使用3ds Max对模型进行渲染，还可以弥补工业模型在色彩渲染上的不足。
系统运行时，模型的帧数是靠显卡和CPU实时计算出来的，对系统中模型的数据量具有一定的要求。模型的个数、面数以及模型的贴图三个方面处理工作会直接影响虚拟现实场景在计算机上的运行效果。因此，系统中模型建立的基本原则就是要对模型进行优化，严格按照虚拟现实中游戏建模规则创建简模。虚拟现实的建模和做效果图、动画的建模方法有很大的区别，主要体现在模型的精简程度上。项目中制作模型时应注意的事项有：1）一定要限制模型的数量，尽量减少不必要的模型，而且为了提高系统的运行效率，每个模型的面数也要进行严格的控制，用最少的面数表达一个物体模型；2）在表现细长条的物体时，尽量用贴图而不用模型的方式表现，这样做可以减少系统数据量，而且贴图表现更加细腻，真实感较强，还可以避免实时渲染时还会出现锯齿与闪烁现象。如轨道模型，每一根轨道是细长条的物体，使用贴图方式进行处理；3）在处理贴图时，尽可能使用小贴图，以减少显存的浪费；4）同一时间出现的用户视口内的模型面数不应超过显卡的承受能力而导致帧速率下降，模型密度分布要合理，否则会导致帧速率忽快忽慢，在三维场景下容易头晕；5）对于复杂的造型，可以用贴图或实景照片来表现；6）柔性物体在3ds Max中不能实现，所以对客车上水龙头的出水效果只能是示意，不能是很好地渲染，做出漂亮的界面。
3 程序实现
将3ds Max处理过后输出的.nmo格式的文件导入到Virtools软件中，在Virtools中通过使用软件自带的BB模块对程序中功能进行脚本编写，实现系统中的功能。
漫游方式有自动和手动方式。所谓自动漫游模式，是指在Virtools中播放事先录好的一段相机不同视角拍摄的连续画面；手动模式下，是指可以通过虚拟现实设备在虚拟场景中进行自由选择车厢和位置进行漫游浏览并与虚拟三维场景中可交互设备进行交互，图2为在virtools中编辑手动漫游界面。除了漫游方式分为手动和自动外，在系统中实现了车厢，天气等选择功能，另外，虚拟现实有个特点就是多感知，即在视觉，听觉，触觉，嗅觉等方面也都有才够理想。因此根据需求在本系统里面增加背景音乐，提高系统在听觉上的效果，避免浏览过程中的枯燥。
4 结论
将完成的作品生成可执行程序.exe文件，移植到以三通道可交互的沉浸式虚拟现实硬件装置的平台上。系统的运行效果图如图3所示。客户可以通过系统在实体样车生产出来之前在虚拟环境下体验新产品的特色，沉浸感较强，能够给人一种身临其境的感觉，为产品的设计和外观评审提供了一种新的方法和理念。缩短了开发周期，节约了设计中人力、财力和物力的开发成本，更好地为客户在虚拟现实系统中展示和宣传了企业产品。
参考文献
[1] 傅招国，王天威，倪小鹏等，基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用[J].计算机工程与科学，2012，34（6）：97-100.
[2] 胡珊，于光，周明秀等.基于3D和VIRTOOLS技术的物理虚拟实验室架构设计[J].计算机工程与设计，2008，29（1）：206-209.
[3] 盖龙涛，陈月华.基于Virtools的交互式操作模型系统的设计与实现[J]，计算机应用，2009，29：308-313.
[4] 刘明昆.《三维游戏设计师宝典 -Virtools 开发工具篇》.四川电子音像出版中心，2005-04.
[5] 法国达索公司.《Virtools Dev 4.0 Online Reference》.