基于大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統研究

楊政安

摘要：隨著VR技術的不斷發展，越來越多的人開始關注VR產業。目前國內外已經有不少企業和機構推出了相應的產品和平臺，如Oculus、HTC vive等。然而這些平臺在實際應用中還存在一些問題，比如交互方式單一、內容不夠豐富以及缺乏真實感等。因此，如何提高VR體驗效果成為當前亟待解決的問題之一。以大數據技術為基礎，通過對森林公安“一標三實”數據進行分析，構建一個具有高度沉浸感和逼真性的虛擬環境，從而實現更好的用戶體驗。

關鍵詞：大數據技術；沉浸式；虛擬現實；可視化；展示系統

一、前言

隨著VR、AR等新興技術的不斷發展，人們對于視覺效果和交互體驗要求越來越高。傳統的二維平面展示方式已經無法滿足用戶日益增長的需求，如何提高觀感度成為當前亟待解決的問題之一。而通過構建一個具有高度真實性與互動性的三維場景，可以使用戶更加身臨其境地感受到所需信息，從而增強其對產品或服務的認知能力。因此，將以沉浸式虛擬現實為基礎，結合森林公安“一標三實”的大數據技術進行可視化展示系統的設計與開發，旨在提供一種全新的多維感官體驗，進一步提升用戶的滿意度。

二、虛擬現實技術概述

（一）內涵

Virtual Reality，簡稱VR，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它利用計算機生成逼真的三維環境，用戶通過頭盔、眼鏡等傳感設備與之進行交互，從而產生身臨其境的感覺。在VR中，用戶可以完全置身于一個虛擬的空間內，感受到其中的一切事物，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺等多個方面。 VR技術主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分通常指顯示器、控制器、手柄等輸入設備；而軟件則涵蓋了場景構建、模型制作、人機交互以及實時渲染等內容[1]。目前主流的VR硬件有HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR等，這些設備能夠提供高質量的圖像、聲音、震動等多種感知信息，為用戶帶來更加真實的感官體驗。同時，一些專業的開發工具也被廣泛應用于VR領域，如Unity3D、虛幻引擎等，它們可以幫助開發者快速搭建出具有復雜邏輯關系的游戲或其他娛樂項目。VR技術已經得到越來越多人的認可和喜愛，并且逐漸成為未來發展的趨勢之一，隨著5G時代的到來，VR技術將會迎來更大的機遇和挑戰。

（二）虛擬現實建模語言

VRML是一種用于描述三維模型和場景的標準建模語言，它可以實現對真實世界中物體、行為和事件的仿真。在VRML中，所有的元素都被表示為節點和邊，通過這些節點和邊來構建整個場景。VRML提供了豐富的API接口，使得開發者能夠方便地創建各種類型的虛擬環境。同時，VRML也支持多種不同的視點布局方式，包括第一人稱視角、第三人稱視角以及上帝視角等。 Unity3D引擎作為目前最流行的游戲引擎之一，其強大的物理模擬能力得到廣泛應用。Unity3D具有高度可定制性和靈活性，可以快速搭建出復雜的虛擬場景并進行交互設計，如圖1。

此外，Unity3D還擁有完善的資源管理機制，可以有效提高場景渲染效率和用戶體驗。因此，我們采用Unity3D作為主要的虛擬現實開發平臺。

（三）虛擬現實展示平臺

VRP是一種用于管理和控制VR內容的工具，它可以幫助用戶更好地了解VR環境中的元素以及如何與之交互。目前主流的VRP有Oculus Studio、HTC Vive等。其中，Oculus Studio是最為流行的VR開發工具之一，其主要功能包括場景構建、模型制作、材質設置、燈光調節、攝像機跟蹤等。在VRP中，用戶通過手柄或者語音指令來對VR環境進行操作，實現身臨其境的感覺。 除了VRP之外，還存在一些其他的VR展示平臺，例如Web端VR瀏覽器如360°VR、Unity 3D等。這些平臺通常采用B/S架構，支持多種終端設備，能夠提供較為完善的交互體驗。此外，隨著移動互聯網的發展，越來越多的移動VR應用出現在我們的生活當中，例如Android的Vuforia、IOS的EvoGlass等。這些應用不僅具有較強的娛樂性，而且可以讓用戶隨時隨地享受到VR帶來的樂趣。

三、基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統框架設計分析

（一）系統需求分析

在進行沉浸式虛擬現實可視化展示系統開發之前，需要對其進行全面、深入的需求分析。將從用戶體驗、功能性和非功能性三個方面入手，分別闡述該系統所需滿足的具體要求。首先是用戶體驗方面，該系統應當具備良好的交互性能，能夠讓用戶感受到身臨其境的感覺。為此，建議采用Unity引擎作為開發平臺，通過提供一系列直觀易用的操作方式，如手勢識別、自然語言處理等，來提高用戶與場景之間的互動效率。同時，還可以利用AR/VR設備得到更加真實的視覺效果，進一步增強用戶的參與感；其次是功能性方面，該系統應當支持多種不同類型的數據輸入輸出格式，并且具有較高的數據處理能力；最后是非功能性方面，該系統應當具備穩定可靠的運行環境，保證用戶不會受到任何不良影響。為此，我們選用了Nvidia GeForce GTX 1080 Ti顯卡以及512GB內存條等硬件配置，確保系統擁有充足的計算資源和高速網絡連接。另外，還配備有專業級顯示器、鍵鼠套件等輔助配件，以便用戶獲得更好的使用體驗[2]。

（二）系統總體結構設計

基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統的整體架構，包括系統模塊、功能模塊以及各個模塊之間的關系。在該系統中，用戶可以通過VR設備進入到一個三維環境中進行交互體驗，而這一切都是由系統提供的服務所實現的。因此，需要對整個系統進行全面地分析和規劃。 首先，將系統分為前端與后端兩個部分來分別處理不同類型的數據。其中，前端主要負責用戶界面的顯示和操作，而后端則是整個系統的核心所在，它承擔著數據處理、算法優化等重要任務。具體來說，后端主要包含以下幾個模塊：數據管理模塊、數據處理模塊、數據分析模塊、可視化模塊以及反饋控制模塊。這些模塊相互協作，共同完成整個系統的運行工作，如圖2。

其次，為了提高系統的實時性和響應速度，采用了分布式計算的方式來加速數據的處理過程。這種方法不僅能夠有效降低系統的延遲時間，還能夠大幅提升系統的吞吐量。同時，也針對不同的業務需求制定了相應的緩存策略，以保證系統的穩定性和可靠性。 最后，在系統的開發過程中，注重人性化的設計理念，力求讓用戶使用起來更加方便快捷。為此，引入了一些常用的工具和平臺，如QT Creator、Unity Pro等等，以便于開發人員快速構建出高效且易用的應用程序。因此，提出并詳細闡述了一種基于大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統的整體框架設計方案。該方案具有良好的可擴展性和實用性，能夠滿足多種場景下的需求，有望成為未來虛擬現實領域的發展方向之一。

（三）系統功能模塊設計

基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統的各個模塊功能，該系統主要包括以下幾個方面：用戶管理、場景管理、模型管理、特效管理和交互設計等模塊，下面逐一進行闡述。1.用戶管理模塊：該模塊是整個系統中最為基礎也是最重要的一個模塊之一，其主要作用是對使用者信息進行記錄與管理。在該模塊中，可以通過錄入個人基本信息以及選擇不同的登錄方式來實現對用戶身份的確認及權限控制。同時，還可針對不同類型的用戶提供相應的個性化服務，例如設置不同的觀看視角、調整播放速度等等。此外，該模塊還支持用戶自定義標簽，以便更好地描述自己感興趣的內容[3]。2.場景管理模塊：該模塊主要負責對所創建的虛擬環境進行實時渲染并生成對應的圖像文件。具體來說，該模塊需要完成如下任務：首先，從數據庫中讀取當前場景的幾何形狀參數；然后，利用GPU加速技術對場景進行動態繪制，確保每一幀畫面都能夠及時更新；最后，將所有圖像文件合并成一張全景圖，方便后續的瀏覽與分析。值得一提的是，該模塊還具備一定的智能化特點，例如當出現光照不均或者被物體遮擋等情況時，系統會自動調節亮度或重新繪制。3.模型管理模塊：該模塊主要用于維護已經建立好的虛擬角色及其相關屬性信息。在該模塊中，我們可以通過導入/導出模型格式文件、修改模型名稱、增加刪除模型等操作來實現對模型的增刪改查等操作。此外，該模塊還支持多個模型之間的組合與分離，以滿足實際應用需求。4.特效管理模塊：該模塊主要用于添加各種視覺效果，豐富展示界面的表現力。在該模塊中，我們可以采用手動制作或者自動化合成兩種方式來實現特效的添加。其中，手動制作需要耗費大量時間和精力，但卻能夠給人以更為真實的感受；而自動化合成則可以大大提高效率，減輕人工負擔。

（四）系統數據庫設計

為了實現對大量數據的高效管理和快速查詢，采用MySQL作為主要存儲介質，并結合PostgreSQL進行輔助存儲。其中，MySQL主要用于存儲用戶信息、場館信息等基本信息；而PostgreSQL則主要用于存儲各種業務數據，如游客量統計、設備狀態監控等。此外，由于系統需要處理大量復雜的數據分析結果，因此還需借助一些高級功能強大的工具來完成數據處理工作。例如，利用Excel軟件可以方便地繪制圖表以便更直觀地表達分析結果，或者通過Apache Hadoop平臺進行大規模數據批處理等操作[4]。針對上述需求，設計了一個包含多個子庫的數據庫，每個子庫里分別存儲不同類型的數據。具體來說，我們將公民信息分為姓名、性別、年齡、聯系方式、參觀時間等幾個部分，將林地信息按照名稱、地址、面積等方式進行分類，將業務數據按照日期、區域、設備編號等條件進行分組。這樣做不僅能夠提高數據檢索效率，同時也便于后期維護與更新。 除了基本的數據表之外，還引入了一些擴展表來滿足特殊需求。這些細節上的優化使得系統具備更高的可靠性和穩定性，更能適應實際應用環境的要求。

四、基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統的關鍵技術

（一）虛擬現實系統的交互技術

在進行虛擬現實場景設計時，需要考慮用戶與虛擬環境之間的互動方式。傳統的虛擬現實系統中，用戶只能通過手柄或者頭部運動來控制視角和位置，這種單一的交互方式會讓體驗者感到枯燥乏味，難以保持長時間的注意力集中。因此，為了提高虛擬現實系統的趣味性和可玩性，增強用戶對虛擬世界的感知能力，采用了多種多樣的交互手段，如自然語言交互、語音識別交互等。 其中，自然語言交互是一種非常重要且易于實現的交互方式。它可以使用戶更加方便地參與到虛擬現實場景中去，例如在游戲中，玩家可以通過簡單的指令“抓”或“逃”來完成任務，而這些指令都能夠被實時翻譯成中文并顯示出來，從而使玩家更加快捷有效地理解游戲規則[5]。此外，還有一些其他的自然語言交互方法，比如手勢識別、眼動追蹤等等，這些方法不僅可以用于提升虛擬現實系統的易用性和可操作性，同時也可以增加用戶的參與感和成就感。 除了自然語言交互以外，語音識別交互也是非常實用的一項技術。在虛擬現實場景中，如果用戶需要向周圍環境表達自己的需求或者查看某些信息，只需發出聲音即可觸發相應的響應機制，例如點擊桌子上的物品或者詢問工作人員某個區域是否存在等等。這樣一來，用戶就不需要再花費大量的時間和精力去手動操作，大幅降低了誤操作率，提高了虛擬現實系統的效率和穩定性。總之，所提出的基于大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統充分融合了自然語言交互、語音識別交互以及體感反饋等多種交互手段，旨在打造一個全新的、高效的、有趣的虛擬現實交互體驗。

（二）虛擬現實系統的三維建模技術

在進行VR場景構建時，需要對真實世界中的物體進行數字化處理。其中最為重要的是獲取物體表面的紋理信息和形狀信息，并將其轉化為計算機能夠識別與運算的數字模型。目前常用的三維建模方法包括點云法、三角網格法以及激光掃描法等。1.點云法：該方法通過采集大量的點云數據來生成三維模型。首先，利用傳感器或攝像頭等設備采集目標物體表面的離散點數據；然后，采用濾波算法去除噪聲和平滑處理后，得到高精度的連續曲面片集合；最后，使用三角剖分算法將這些曲面片劃分成若干個三角形面元，從而獲得完整的三維模型。由于點云法不需要對每個采樣點都進行坐標轉換，因此可以直接輸出CAD格式文件，但同時也存在計算量較大、數據處理復雜等問題。2.三角網格法：該方法以三角網格作為基本單位來描述三維空間對象。具體來說，就是將一個不規則物體外圍包裹一層平面三角網，再將這層三角網上的節點按照一定規律排列形成一個多邊形，最終構成整個三維模型。相比于點云法，三角網格法具有更好的數學性質和更高的計算效率，適用于大規模復雜場景的快速建模。3.激光掃描法：該方法主要應用于逆向工程領域，通過對物體表面進行密集的激光掃描測量，提取出物體內部的幾何特征，進而重建出三維模型[6]。相較于傳統的手工建模方式，激光掃描法不僅能夠提高建模速度，還能夠避免因人為因素產生的誤差，因此被廣泛用于文物保護、建筑設計等領域。

五、結語

綜上所述，基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統利用VRML語言進行開發，通過對用戶行為、環境等多維度信息的采集和處理，實現了虛擬場景中各類對象的動態交互以及空間位置關系的實時更新。同時，結合HTC Vive設備所提供的體感反饋功能，進一步增強了用戶在虛擬世界中的真實感受。此外，本系統還具備良好的擴展性和適應性，能夠滿足不同領域、不同規模應用的需求。總之，在未來隨著相關技術的不斷發展和完善，相信這種基于森林公安“一標三實”大數據技術的沉浸式虛擬現實可視化展示系統將會得到更為廣泛的應用和推廣。

參考文獻

[1]彭鵬，周鳳.“國開”思想政治理論課“虛實結合”實踐教學研究[J].智庫時代，2019（09）：223-230.

[2]劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J].開放教育研究，2016，22（04）：25-31.

[3]李寶敏，王鈺彪，任友群.虛擬現實教學對學生學習成績的影響研究[J].開放教育研究，2019，4（25）：82-90.

[4] 傅衍杰，鄒自明，佟繼周.空間科學虛擬觀測臺體系結構研究[J].天文研究與技術，2011，8（4）：395-402.

[5]佟繼周，鄒自明，傅衍杰等.空間科學e-Science應用——空間科學虛擬觀測臺（VSSO）[J].科研信息化技術與應用，2011，2（01）：61-68+60.

基金項目：2023年甘肅省教育科技創新項目“大數據在森林公安‘一標三實系統中的應用”（項目編號：2023B-455）

作者單位：蘭州職業技術學院