基于VRP的虛擬課堂教學系統的設計與實現

吳靜松　程萬里

摘 要：本文主要分析研究了虛擬教學樓外景以及教室內部的三維交互展示系統，以面向對象設計方法為核心，結合VRP的交互函數、3DS Max建模軟件，創建出教學樓、教室的虛擬模型，實現了學院的虛擬場景以及教學展示，例如上下課展示、黑板寫字、教師講話、學生提問等功能。

關鍵詞：碰撞檢測 場景漫游 錨點路徑

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0219-02

科技的高速發展，一直不斷改善著人們的生活及學習。虛擬技術是虛擬世界與現實世界相互聯系的樞紐，如今，虛擬世界正在越來越逼真的再現現實中的一切，其中，虛擬三維場景成為決定其是否真實的關鍵。虛擬教學樓展示是虛擬現實技術的綜合應用之一，此設計可以讓校外人員在虛擬環境下，了解并熟悉本學院的教學生活，對教學樓及其學院的教學模式有比較直觀的了解，使現實場景通過網絡更加立體真實的展現在人們眼前，提供豐富的相關信息，使人們仿佛身臨其境，打造一個可視化的、有聲色的仿真環境系統。

1 系統總體設計

本文是在VRP編輯器的開發平臺下，借助3DS Max三維軟件制作加工系統所需的三維場景以及相關模型，通過VRP for MAX插件在VRP編輯器和3DS Max之間建立聯系，進行渲染烘焙后，導入到VRP編輯器中，為后期進行三維場景的漫游與交互操作進行基礎場景搭建。

在場景界面中，鼠標點擊“場景初始操作”按鈕，進行相機轉場及切換，實現對人物的漫游行走，鼠標雙擊場景中的任意一個地方，可以拉近或拉遠視線，實現視角的快速定位觀察；設置行走相機，通過碰撞檢測功能，可以實對周圍場景及障礙物的進行自動判斷與識別；通過在初級界面設置的按鈕以及高級界面的菜單，進行場景切換以及背景音樂控制；最后通過設置錨點路徑以及鼠標事件，實現點擊學生行走坐下等動作。

2 場景模型的實現

VRP是虛擬場景交互制作的平臺，而場景的建立需要模型的支撐，所以模型建立是重中之重，在此介紹主要模型的建立方法。

2.1 教學樓建立

結合現實中教學樓的模樣比例，利用3DS Max中的長方體建立制作模型。此模型要使一樓實現空心放置，以便以后導入教室模型。

2.2 教室布局設計

現實生活中的教室必需品一般和相應的課程或者方向有關，本設計主要考慮的是理論課堂教學的模式所需，因此，主要實現的物品有桌椅、黑板、白板、講桌、電腦等。

2.3 墻體以及窗戶的建立

墻體的建立，運用矩形在頂視圖中繪制矩形，并將其轉化為樣條線，在輪廓欄中填寫大小，并使用修改其中的擠出命令，設置合適的高度，實現墻體的建立。

窗戶的建立，因為是嵌入墻體內的，所以在做好窗戶模型之后，繪制窗體大小的長方體，厚度可增大。在窗體位置放置長方體，將長方體和墻體進行布爾運算，摳出一部分墻體。最后將窗戶放到此位置后，距離角度進行調整。

2.4 桌椅模型的建立

通過對實物的觀察，用長方體模型對各個邊進行多段劃分，適當設置分段。利用對點的調整，進行NURBS曲面觀察，設置出逼真模型。將各個零件制作完成后，調整位置大小角度，組合成教室桌椅模型。為了方便后期制作剛體動畫，軸心的設置是一重要問題。將椅子旋轉部分坐面的軸心設置在面與橫梁交界處，這樣旋轉過后可防止旋轉出現跳轉，偏離。

2.5 黑板與門的建立

根據實物大小與樣式制作門，其中制作合適大小長方體，對邊分段，然后對于各個小面多次運用倒角命令。調整角度和面的大小之后，形成門的模型。并將軸心定位為門的左下角，使其和門框組合后實現開關門效果。根據墻體大小制作黑板，運用布爾運算命令，將兩個長方體調整大小位置之后，進行復合，形成黑板邊框，再將四個長方體錯位放置在黑板中，最后黑板制作完成。

3 系統交互設計

模型制作完成后，將模型導入VRP中就可以開始交互部分的設計。

3.1 初級界面設計

本設計中主要設計制作了三個按鈕。分別是音樂、上下課和場景開始按鈕。按鈕調整好位置后進行貼圖調試，然后根據需要的功能進行鼠標事件的設置。

3.2 高級界面設計

本設計主要制作了四個菜單。分別為總菜單、上課菜單、音量設置菜單和音樂控制菜單。這里主要描述上課菜單的功能及實現。上課菜單分為兩個菜單欄，上課和下課。點擊上課實現場景轉換，此菜單欄的目的是切入到教室外面開始播放路徑動畫并設置淡入轉場效果，主要過鼠標事件函數實現。點擊下課場景跳出，上課場景重置，此菜單欄的目的是跳出播放狀態，重置路徑動畫并設置淡出效果，實現過程和方法同上課。

3.3 骨骼動畫設計

在場景中增加骨骼動畫人物，并調試其位置，從動作庫中添加動作。為之后的折線路徑和上課展示動畫進行鋪墊。

3.4 形狀欄折線路徑設計

本設計中在進入教室前、進入教室后以及講臺上都設置了錨點事件。第一個錨點實現功能為從教室外要進入教室里時進行相機切換，同時切換至室內相機，進入教室后，在講臺旁進行講話效果展示，繼而上講臺，此時相機切換至黑板場景中，播放文字出來的剛體動畫，當動畫播放完成時切換至室內相機。

第二個錨點路徑是實現學生從教學樓外進入樓內，在電視機前駐足觀看，再根據設置的錨點路徑在走出教學樓。此行走動畫是循環執行的，錨點事件主要函數如下：

path02.008..錨點到達

路徑動畫暫停，path02，1

設置定時器，2，0，1，

路徑動畫暫停，path02，0

path02.013..錨點到達

路徑動畫暫停，path02，1

設置定時器，1，0，12000，1

插播骨骼動作，小女孩，0，3，1

第三個錨點路徑是實現學生在教室站立，或者靠在桌椅上，然后當點擊人物時，根據錨點路徑行走，在座位處播放坐下動作，并實現桌椅旋轉的剛體動畫。

3.5 相機設計

為了實線漫游效果，設置相機并設置參數。在本設計中添加了五個相機分別為室外飛行相機、任務角色控制相機，室內飛行相機、任務跟蹤相機和定點觀察相機。飛行相機位于教學樓外圍正前方，人體形狀為任務高度1.6英尺，開啟碰撞，隨后在物理碰撞欄中，對于各個物體進行適時開啟碰撞。這樣會避免出現任務行走過程中產生墻體分離視野被物體遮擋；角色控制相機綁定相關人物，水平視角設定為40度，奔跑速率比定為10，這樣可實現運用鼠標，點擊那里人物移動，使人物跟隨鼠標移動；室內飛行相機，在本設計中定位在教室后門墻中間，可在展示教室講課場景時進行轉換。

3.6 動畫設計

本設計要實現人物走近大門，門自動打開，人物走過門自動關閉，此時則需要3DS Max中制作的剛體動畫，并且需要進行距離出發設置。在3DS Max中門前設置長方體，然后在VRP中進行方塊的隱藏，在距離觸發設置中，有設置進入距離觸發和離開距離觸發設置，在進入距離出發設置中設置腳本Box001，當進入觸發距離時，播放相應的觸發函數。

4 結語

在設計過程中，本文對所研究的關鍵技術進行了相關實例的應用，驗證了本文討論的系統技術路線方法在思路、技術等方面的基本可行性。由于時間及其他的原因，有一部分功能可以更詳細化，使之有更加貼切的逼真的效果，這將在以后的過程中加以完善。

參考文獻

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[2] 雷常細.談3DMAX在室內設計教學中的感想[J].網友世界，2013（24）：15.endprint