基于VRP技術的人機互動虛擬校園環境平臺的設計與構建

趙慶華，李 姝

近幾年來，人們對校園環境建設及其管理環節十分重視，因其關系到總體教學質量的提升，以及院校的教育培養方向。所以，在目前的技術水平下，將校園環境更好地進行規劃與呈現，是我國現代化校園管理所要重點關注并積極解決的問題。現階段，我國高校采用了人機互動虛擬校園模型來解決這一問題，該模型的建立可以讓外界通過計算機設備來瀏覽并規劃虛擬校園場景。這就體現出了現代高科技數字化校園的優勢，這一成績的取得有賴于各類型模擬操作軟件以及硬件設備的有力支撐。

一、虛擬現實校園環境概述

虛擬現實情景創設是以計算機技術為核心來構建的模擬環境，依托現代高科技硬件以及軟件產品生成逼真的虛擬環境，以此來營造一種直觀的立體化場景，并采取一系列手段來激發親臨現場環境中受眾群體的視覺、聽覺、觸覺等感觀感受，讓人們宛如進入到一個真實的現實環境當中，從而獲得更加真實的體驗［1］。在目前，虛擬現實技術被廣泛應用于各種實體產業當中，如航天航空領域、社會公共醫療領域、工業設備制造領域等等。虛擬現實校園環境也同樣是依賴于虛擬現實技術構建而成，為了更好地規劃實景校園環境設計，在研究該項目的過程中，主要采取的是3ds Max建模軟件系統來實施具體的操作，每項操作步驟都要通過完善的設計來執行。而且，在VRP（虛擬現實平臺）三維互動仿真系統的支撐下，還構建起了互動型虛擬環境觀摩平臺，為體驗者營造出逼真的主體建筑物室內外校園環境的漫游之旅。

二、人機互動虛擬校園環境的設計思路

從人機互動虛擬校園環境設計的最初目標來看，該項目是為了強化院校教育規劃管理而布設的，同時，也為了加強校園內外部之間的溝通。實際上，人機互動虛擬校園環境的設計框架結構較為簡單，系統內部所采用的技術型軟件與硬件設備也較為常見，但因人機互動虛擬模型所調動的是參與者的整體感觀，所以，該項目只有在實踐的過程中其優勢才被徹底激發出來。

（一）人機互動虛擬校園環境的設計初衷

從根本上來講，借助現代科技手段來營造虛擬校園環境是為了便于院校自身與外界建立良性的溝通關系，人際互動虛擬校園環境的布設有利于人們以最短的時間全面了解該院校，并對虛擬校園環境有一個直觀的印象。在過去較長的一段時期里，在諸多現代化管理模式未進行實踐的階段，學校管理系統也大致分為幾個部門在共同運作，如教學部門、學籍管理部門、圖書館等。隨著現代信息技術產業的升級，將最新的科技引入到學校管理體系當中，為的就是在科技手段的作用下，更好地展示現代化校園環境，提升校園管理的總體質量。

（二）人機互動虛擬校園環境的設計框架

人機互動虛擬校園環境的營造需要大型計算機設備來做鋪墊，其中，大型融合服務顯示設備起到了較為關鍵的作用。整個虛擬校園系統設計共分為四個主要流程：其一，校園環境中的素材收集與甄選。這一步驟需要在校園現實環境中來完成，實際上就是針對校園的各個角落進行底圖資料的采集，不僅需要收集校區遙感影像圖案，還要針對校園的整體規劃以及建筑設計圖形等內容進行整理，為后續虛擬校園模型的構建做基礎的素材準備；其二，運用3ds Max圖形設計軟件及相關技術來擬建校園環境模型。這一過程要從地面建模開始，再到校園當中的實體建筑物，直至將建筑物內的各類物質擺放完畢，包括細節物件的勾勒；第三，在之前所構建的校園虛擬模型的基礎上，對不同的校園建筑物進行無形的完善處理。這一過程包括給模型進行貼圖，覆蓋真實材質，營造出良好的視覺效果；最后，烘焙操作與VRP編輯處理環節。這是虛擬現實系統模型設計環節中最重要的一部分內容。虛擬校園環境設計總體流程較為復雜，但大體來說，都是運用現代化計算機技術及操作軟件來執行。在動畫融合以及測試燈光等環節的支持下，通過編輯以及檢測等過程來完善虛擬場景，使虛擬模型更具真實感［2］。

（三）突顯人機互動虛擬校園環境的最佳展示

在VRP技術影響下的人機互動虛擬校園環境的構建實際上是通過參與者與仿真環境的相互作用來實現的，將人本身對所接觸事物的感知和認知能力最大程度地激發出來，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取環境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。從總體情況來看，虛擬現實系統本身的優勢較為突出，因此，將其應用到實際環境當中所呈現出來的效果就更加明顯。簡單來說，人機互動虛擬校園仿真環境就是一種大型融合顯示工程的實施，利用高科技場景所營造出來的氛圍激發人們的各種體驗感受。從具體細節來看，虛擬現實系統具有多感知性、浸沒感、交互性以及構想性等特征，正是由于虛擬現實技術能夠將操作者以及受眾引入到一個逼真的模擬實景環境中，所以，人機互動虛擬校園場景才能如此趨近于真實環境。另外，人機互動虛擬校園最重要的智能作用主要體現在它的互動性方面，這就有別于單純的大型融合顯示項目的實施，在人機互動虛擬環境中，體驗者可通過系統的部分模擬功能模塊，與中心系統進行互動與交流，以此便能夠呈現出此類型交互式三維虛擬環境模型的高技術融合效能。

三、基于VRP技術的人機互動虛擬校園環境體系的構建

（一）人機互動虛擬現實校園環境的總體鋪設

人機互動虛擬校園平臺是虛擬現實技術在數字化校園環境中的實踐應用，實則是一種經計算機技術規劃與處理后的校園模型。通過構建虛擬校園，人們可以憑借計算機等硬件設備來瀏覽實景校園環境，并提出有益的校園規劃建議。這不僅為院校搭建了一個與外界溝通的虛擬網絡場景平臺，而且還為更好地規劃校園建設提供了強大的技術支持。借助VRP 三維立體互動仿真模型的搭建，能夠讓校園管理的質量提升一個層次，因其能從全局來掌控實景校園建設，這是以往科技無法企及的高科技平臺。

（二）構建人機互動虛擬校園環境所采用的核心技術

1.3ds Max模型處理技術

VRP場景模型的優化對VR－DEMO 的演示速度影響很大，前期如果不對場景的模型進行很好的優化，到了制作后期再對模型進行優化時就需要重新回到3ds Max里重新修改模型，并進行重新烘焙后再導入到當前的VRP 場景里。這樣就出現了重復工作情況，大大降低了工作效率。從實際情況來看，3ds Max軟件技術及模型優化策略的實施是構建人機互動虛擬校園場景過程中最重要的技術，也是構建虛擬校園環境漫游系統的核心程序，甚至可以說，3ds Max軟件技術的應用狀況直接影響到人機互動虛擬校園場景的總體運作效果，對虛擬現實校園項目而言有著極為特殊的意義。具體來看，3ds Max軟件技術在應用的過程中可以將建筑物內外環境中的同質素材圖形進行合并處理，從而使模型構建得更加簡潔明了，同樣，模型面數的優化處理也是如此。將模型之間的重疊面或底部面進行刪除處理，這樣便可以提升校園模擬環境布設內容的直觀可視感。而且，如果能夠重復利用制備完的圖形或模塊，則要盡可能善用這些重復內容來進行同質編輯。這樣一來，就可以有效減少模型環境中的貼圖量，進而降低同質圖形或設計模塊之間的差異性，提高人機互動虛擬校園模型設計的真實感。

2.VRP場景烘焙及其關鍵點

烘焙能把在非實時環境中渲染完成的燈光材質等效果轉換到實時交互的環境中去，因此烘焙紋理的質量直接影響最終效果，提高烘焙技術非常重要。而良好的烘焙技術固然重要，但是在VRP場景烘焙之前做好充分的準備也是十分重要的。因為在具體的操作中物體的UV 平鋪情況、烘焙所默認的紋理情況等都會對最終的場景烘焙結果造成不同程度的影響。因此，在進行VRP場景烘焙之前，需要首先針對整個場景進行渲染，并同時排查場景模型中的燈光效果。當做好基礎的渲染處理以后，則需要對模型貼圖的名稱進行修正。除此之外，還要注意VRP 編輯過程中的模型破面與重面狀況，為了更好地進行烘焙處理，則要在執行指令之前，對場景中的破面以及重面現象進行排查，當排查無誤以后再將其導入到VRP編輯器中進行操作。

（三）技術細節處理與完善

在構建人機互動虛擬校園場景模型時還需要注意諸多細節的完善處理，例如：在渲染場景中的長條形狀的物件時，則避免采用模型貼圖的處置方法來完成，而是要盡可能保證物件本身的真實屬性。在進行遠距離同質模型的布設時，即便所使用的模型材質相同，也不要將其進行合并處理，以此來保證虛擬校園場景模型的完整性。從具體的實踐過程中可以看到，構建一套基于VRP技術的人機互動虛擬校園模型并非易事，需要進行周密的設計，才能達到最終設計效果。

四、在VRP技術支撐下的虛擬校園環境展示

在人機互動虛擬校園場景所采用的先進性技術的融合背景之下，該項目的研究有了較大的進步。通常情況下，需要借助3ds Max模型處理技術以及VRP技術的融合，VRP 技術與實踐的整合應用展示出了較為逼真的校園建筑環境。從現實的角度來看，憑借VRP 技術的應用可以進一步強化校園規劃與管理［3］。

（一）VRP 技術與實踐的整合應用展示出了較為逼真的校園建筑環境

虛擬現實是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有了質的飛躍。營造一個逼真的校園建筑環境，有助于外界深入了解校園環境，從而有利于學校本身的推廣與建設，也有利于其內部管理層制定出有關校園規劃的正確決策。

（二）憑借VRP 技術的應用可以進一步強化校園規劃與管理

當VRP技術在我國某重點大學虛擬校園建設項目中具體實施以后，獲得了諸多實踐性成果，并在VRP技術平臺的支持下，最終實現了人機互動虛擬校園環境，為強化校園管理基本架構的規劃帶來便利。從總體來看，校園虛擬設計項目的架設過程有一定的科學性，并且，在其設計步驟上也有章可循。因此，將依托于VRP 技術的虛擬環境建設策略應用到其他相關領域中也是可以實現的。無論如何，現階段所實施的人機互動虛擬模型框架架設已經成熟，從實踐過程來看，VRP技術與校園管理的整合應用較為可行。VRP技術為我國現代化高校校園的數字化管理提供了強有力的技術支撐，促使我國各類型教育機構都朝向數字化校園的方向發展，為全社會培養出一批批符合時代需求的高素質人才。

電子信息技術等現代化科技與諸多實踐項目的整合應用給人們以新的體驗，逼真的模擬現實場景充斥著人們的感觀。通過創設人機互動虛擬校園環境，讓步入到該環境中的體驗者有一種身臨其境的感覺，其總體設計思路圍繞著人們的視覺、聽覺、觸覺等直觀感知能力而展開。總而言之，基于VRP 技術的人機互動虛擬現實校園模型的架設，對于更好地規劃現代化校園風貌以及教學軟環境建設起到了極為重要的作用。從各類先進性技術的應用策略來看，基于VRP技術的人機互動虛擬現實校園環境的構建實際上是將多種類型的軟件技術與硬件設備集中到統一的環境當中，并在多媒體技術的支撐下，為人們展示出虛擬校園場景。

［1］ 梁智杰，李眾立，鄧慶娜.VR－Platform 校園漫游系統研究與實現［J］.計算機系統應用，2010（9）：125－127.

［2］ 杜棋東，張文金，陳國林.基于VRP 技術的機車車輛虛擬演示系統的設計與實現［J］.計算機與數字工程，2012（3）：110－111.

［3］ 馬賀清，陳建平，于萍萍.VRP虛擬校園建設及其關鍵技術［J］.計算機系統應用，2012（5）：155－157.