基于环境设计教学的虚拟环境漫游系统开发与应用研究
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作者:王慧卿
摘 要：虚拟漫游技术作为当下的设点数字技术之一，它实质上是一种交互式高级人机界面，利用虚拟漫游技术可以模拟实时交互的三维虚拟环境，使用户获得沉浸式体验。环境设计属应用型学科，基于虚拟漫游技术开发的虚拟环境漫游系统应用于环境设计专业教学，可以达到丰富教学手段、提高学习成效、提升专业影响力的目标，具有较高的创新与应用推广价值。
关键词：环境设计;教学;虚拟漫游技术
虚拟漫游技术是虚拟现实技术的重要分支，其实质上是一种交互式高级人机界面，通过计算机图形学、人机接口和多传感技术等，构建一个可实时交互更迭的三维虚拟空间环境;通过视点与空间的关联变化，形成用户与虚拟场景的交互动态关系，从而使用户在环境漫游中获得沉浸式体验。20世纪90年代起，漫游技術初步应用于建筑行业，并在相关领域得到迅速推广和发展。我国一些重点高校如浙大、清华、北京航空航天大学对该技术进行了积极投入和研发，并在视景技术、三维图形算法、建模方法等方面取得了一系列重要突破。1996年，天津大学在SGI硬件平台上开发了基于VRML标准的虚拟校园系统;其后国内高校相继推广，我国多所高校制作发布了校园实景漫游系统。上述研究成果不断推进虚拟现实核心技术和应用领域的拓展。近年来，该技术主要应用在工业设计、建筑设计和城市规划领域，相关研究也以此为主。相对于上述领域，环境设计专业中对虚拟现实技术的研究较少，研究力度远远滞后于快速增长的市场需求。本文立足于高校环境设计教学，将数字漫游技术应用于专业教学，通过虚拟环境漫游系统的开发和应用，达到丰富教学手段、提升教学水平的目的。
1 虚拟漫游技术在环境设计教学中的应用优势
1.1 符合国家信息化战略，对接专业市场需求
随着国家对信息技术的高度重视和有效推进，虚拟漫游作为当下的热点数字技术之一，其借高沉浸感、多感知性和实时交互性的优势，迅速应用于建筑、工业设计等环境展示领域。环境设计属于应用型学科，应以市场驱动为导向，对接行业市场需求。数字虚拟漫游和交互性技术在教学资源开发中的应用，符合专业发展需要，有利于教学研究与行业需求的有机衔接。
1.2 拓展和丰富教学手段，有利于提高学习成效
环境设计专业传统教学手段以CAD制图结合MAX制作效果图进行方案设计与评价，教学过程中学生对空间环境的观察囿于角度、方位、时段等诸多因素，缺乏与空间的互动，限制了概念深化和创新思维的延展，教学对新媒体技术的需求迫在眉睫。数字漫游技术的介入，突破了教学瓶颈，将学生对静帧图像的理解转变为具有开放性、实时性特征的多感官交互空间，有助于环境的临场性体验和对环境数据的采集分析，为深化思路、细节提供了有力支持，也为教学方式开拓了新的途径。
2 基于环境设计教学的虚拟环境漫游系统开发与应用
2.1 基于虚拟现实技术，开发服务于教学的虚拟环境交互漫游系统
环境设计专业在课程教学中面临的主要问题是，现有教学资源和技术难以满足教学内容对空间环境的实时交互性需求。研究开发一套服务于体验式教学的桌面式环境交互漫游系统，不仅可以增强学生对设计方案的实时感受和理解能力，提高方案精准度，而且也支持学生上传优秀设计方案，满足资源库双向建设、同步更新的要求。建成后的系统应具备以下功能：第一，可实现在三维虚拟环境下对教师建设的场景资源进行自主漫游和运动控制，或沿指定路径对整个场景进行自动漫游，支持用户在虚拟环境中以动态和交互方式对空间环境进行身临其境的全方位审视。第二，支持通过硬件传感设备进行交互操作，通过头盔显示器等硬件设备，实现用户对虚拟环境真实自然的沉浸式交互体验。第三，该系统服务于课堂教学，支持教师结合授课内容进行环境实时交互演示和方案评价;允许学生上传发布教师审核通过的交互模型，整合教学成果，逐步充实和完善系统资源。
2.2 拓宽系统服务触及面，搭建本专业与地方、社会间的交互平台
为进一步拓宽漫游系统服务的范围，增强系统利用率，开发建成后的系统资源不仅服务于课程教学，也可作为本专业面向社会的教学信息推送平台，面向公众展示优秀教学成果，以构建高校与用人单位之间直观、有效的沟通桥梁，达到提升专业社会影响力、促进招生和就业的目的。出于资源的优越性和开发的可行性考虑，项目资源建设可面向本专业创作周期最长、艺术和技术水平都相对成熟的毕业设计方向渗透，与毕业创作过程结合，甄选优秀设计方案制作和开发虚拟场景资源，配合毕业设计展览同步面向社会推送教学成果。同时，系统的服务面也将进一步延展到社会大众和相关用人单位，在更大范围内实现资源交互。
3 虚拟漫游系统开发中的关键性技术问题
3.1 虚拟环境的建模和优化技术
场景建模技术是环境漫游系统开发的首要环节，在处理三维模型创建、调整、优化面数等方面具有重要意义。良好的模型资源计算方法可以大大提高场景绘制的精度和效率，减少后期制作的成本和周期。建模软件的评价指标主要包括精度、面数优化及其与后期软件的兼容性。综合考虑上述因素，可采用3DSMax和GeogleSketchup建模，其优势是业内普及面广、模型库相对丰富。但无论采用哪种建模方式，对模型的技术规范都应达标，一个精简、规范的模型文件对后期程序的控制管理至关重要。
3.2 虚拟场景的材质、光效处理技术
真实自然的材质和光影效果是影响场景表现力与感染力的关键要素。对虚拟漫游场景进行高真度还原有3个技术指标。第一，渲染软件的材质编辑和管理能力及对材质贴图表面纹理、反射、折射等属性的处理能力。第二，对场景灯光分布方式、灯光照度、光影光斑的高还原度以及渲染器对光线性能优化的计算方法和计算效率。第三，图像分辨率和画面刷新率。其中，画面刷新率是指实时建模的画面刷新速度，它决定了建模的效率;图像分辨率是指输出画面的清晰和细腻程度，它决定了输出影像资源在细节上的真实程度。Max创建的模型可配合Vray渲染引擎来完成材质调节、布光和全景输出的流程，Sketchup模型基于Vray的功能不够完整，可导入Lumion进行编辑和实时渲染。
3.3 交互界面的编辑和发布
交互编辑和输出是实现漫游的决定性环节。这一环节的决定性因素是系统制作的资源调度与优化技术。一般来说，一个漫游系统通常需要多幅全景画面才能拼接为一个丰富、完整的虚拟空间环境，实现用户对场景的总体浏览。但事实上，每幅全景图的数据量都在十几到几十MB，无法一次全部调入内存;即使单幅场景也往往需要分割为许多部分，每次仅仅加载一个子图像，再根据系统设定的漫游路径加载下一幅图像。因此在系统编辑过程中，对编辑软件的资源调度与优化技术的性能要求至关重要。综合上述考虑，利用Pano2VR进行交互界面的编辑制作，可更加快速高效地设置交互热点、添加文本，嵌入音视频，成果最终发布为基于Flash的SWF格式文件或支持iPhone/iPad等移动终端的HTML网页文件，以实现交互浏览。
4 虚拟环境漫游系统的创新与推广价值
虚拟环境漫游系统应用和服务于环境设计教学，不仅拓宽了该技术的教学应用领域，也为教学模式开辟了新的研究思路，具有较高的借鉴和推广价值。其创新点在于，整个系统的开发、应用和建设是一个良性循环的过程，在上述过程中，学生既是系统的使用者和受益者，也是参与资源开发的建设者。这种开发模式不仅极大地节省了教师的精力支出，提高了建设效率，而且也增强了学生对系统建设的参与度，更在实践中锻炼了学生的职业技术能力和自主创新能力。
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作者简介：王慧卿（1978—），女，山东滨州人，硕士，从事环境艺术设计与理论研究。
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