摘 要: 討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于陶瓷展示的可行性，關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。利用3DS MAX和PhotoShop建立展廳和瓷器的三維模型，并使用貼圖技術(shù)增強(qiáng)瓷器模型的真實(shí)感；使用開源的圖形渲染引擎OGRE實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景資源的組織和管理，并基于OGRE實(shí)現(xiàn)了虛擬展廳的實(shí)時(shí)交互和動(dòng)態(tài)漫游功能。
　　關(guān)鍵詞: 德化陶瓷; 虛擬展示; OGRE; 用戶交互

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　　德化是聞名世界的瓷都,并且逐漸成為全國最大的工藝陶瓷生產(chǎn)與出口基地^[1]。目前德化陶瓷產(chǎn)品的展示主要是通過在線的圖片展示和離線的樣品展覽來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這兩種傳統(tǒng)的樣品展示方式，文字和圖片展示只能提供靜態(tài)的局部的視覺體驗(yàn)，真實(shí)感和交互性都比較差。而實(shí)物展覽則要求客戶花費(fèi)不菲的時(shí)間和金錢成本到現(xiàn)場(chǎng)參觀，這往往也會(huì)顯著延長客戶下訂單的周期。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物品展示和場(chǎng)景重建的應(yīng)用中日益受到人們的關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)利用計(jì)算機(jī)制作出來的類似真實(shí)世界的虛擬環(huán)境，并可提供觀者實(shí)時(shí)性的互動(dòng)和沉浸式的逼真感受^[2]，它為快速的展示瓷器樣品和發(fā)布產(chǎn)品信息、降低交易成本和加速產(chǎn)品銷售提供了一種可行的思路。
1 系統(tǒng)概述
　　本課題利用相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有友好用戶交互和動(dòng)態(tài)漫游功能的虛擬陶瓷展廳，客戶可以在這個(gè)虛擬展廳中自由行走、任意觀看同時(shí)也可以借助交互式操作針對(duì)單個(gè)產(chǎn)品做更多細(xì)節(jié)的觀察。該系統(tǒng)包括圖形系統(tǒng)、腳本系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、資源管理、場(chǎng)景管理等模塊。圖形模塊使用3DS MAX和PhotoShop建立展廳和瓷器的三維模型，腳本系統(tǒng)維護(hù)系統(tǒng)的所有配置文件和日志文件，交互系統(tǒng)則負(fù)責(zé)友好的場(chǎng)景交互功能。本系統(tǒng)使用開源的圖形引擎OGRE實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景元素組織和場(chǎng)景資源管理。整個(gè)陶瓷虛擬展廳系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

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2? 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 瓷器三維建模
　　目前應(yīng)用于視景仿真的三維建模軟件主要有：MultiGen Creator、3DS MAX、MAYA、SOFTIMAGE/3D 等。
　　3DS MAX是PC機(jī)上最普及的三維動(dòng)畫和建模軟件，成本低廉，具有良好的軟件接口；系統(tǒng)集成了豐富的第三方插件，使得它具有強(qiáng)大的三維動(dòng)畫和特技效果制作等功能^[3]。本文使用3DS MAX 9.0建立展廳和陶瓷產(chǎn)品的實(shí)體模型，并利用相關(guān)插件將其轉(zhuǎn)化為本系統(tǒng)支持的內(nèi)部文件格式。
　　獲取建立實(shí)體模型的相關(guān)參數(shù)是建模的準(zhǔn)備工作。數(shù)據(jù)采集往往可以通過使用相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備測(cè)出產(chǎn)品原型或產(chǎn)品實(shí)物若干組點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出模型參數(shù)。更簡(jiǎn)單且在實(shí)際應(yīng)用中可行的一種方法是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供模型參數(shù)。繪制表面紋理圖案是增強(qiáng)瓷器產(chǎn)品真實(shí)感的重要步驟，但是直接使用3DS MAX建模瓷器的表面紋理是一個(gè)十分困難的工作。通常，要將實(shí)物圖片貼到三維模型的表面，使瓷器產(chǎn)品具有更加逼真的視覺效果，這些實(shí)物圖片稱為紋理貼圖。在具體操作中，先拍攝不同角度的實(shí)體照片，再用Photoshop對(duì)照片剪裁、校正和拼接等處理，最終得到所需的紋理貼圖。如圖2所示，整個(gè)瓷器產(chǎn)品的三維建模主要包括圖片處理和實(shí)體模型的建立兩個(gè)部分。

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　　圖3給出了一個(gè)瓷器產(chǎn)品建模的實(shí)例。紋理貼圖被導(dǎo)入到3DS MAX并被貼合到瓷器的三維模型表面，然后賦予其真實(shí)的材質(zhì)、環(huán)境、燈光等，再通過渲染器渲染出逼真的效果。從圖3（b）可以看出，本文方法創(chuàng)建出的瓷器模型與真實(shí)的瓷器效果非常接近。本文系統(tǒng)使用OGRE圖形引擎組織和管理場(chǎng)景資源，所以，完成好的三維模型通過Deep Exploration進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、優(yōu)化后利用工具軟件3ds2mesh導(dǎo)出為OGRE所支持的.mesh文件。

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　　Ogre::SceneManager是OGRE的場(chǎng)景管理器，負(fù)責(zé)組織和管理場(chǎng)景中的物體，并將物體發(fā)送到渲染系統(tǒng)進(jìn)行渲染。OGRE將現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景劃分成抽象的不同空間，這些空間還可以劃分成更小的子空間。每個(gè)空間都由一個(gè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)SceneNode對(duì)象來管理，場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)將處理移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等與空間相關(guān)的行為。在每個(gè)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)之上可以掛載各種場(chǎng)景元素，如Entity、Light、Camera等。OGRE將大量場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)按照空間的劃分層次組織成樹狀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的有序、高效管理。
3? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果
3.1 使用OGRE繪制視景
　　使用OGRE管理場(chǎng)景資源和繪制虛擬展廳的主要過程如下：
　　（1）系統(tǒng)啟動(dòng)，檢測(cè)OGRE動(dòng)態(tài)鏈接庫；設(shè)備信息管理器從設(shè)備信息文件中讀入設(shè)備信息進(jìn)行初始化。
　　（2）資源管理器從外部文件中載入系統(tǒng)需要使用的資源，包括模型文件（.mesh）、骨骼動(dòng)畫（.skeleton）、粒子模板定義文件（.particle）、材質(zhì)定義文件（.material），以及各種圖像文件。
　　（3）建立場(chǎng)景管理器，建立成功后系統(tǒng)從場(chǎng)景文件中載入場(chǎng)景，并按照文件設(shè)置創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景。整個(gè)場(chǎng)景由若干場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)按照空間的劃分層次組織成樹狀結(jié)構(gòu)。
　　（4）場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)從瓷器三維模型定義文件中載入瓷器，載入后按模型文件指定值設(shè)置瓷器擺放的初始位置。
　　（5）OGRE幀監(jiān)聽器開始循環(huán)監(jiān)聽，讀取串口或鼠標(biāo)鍵盤輸入，并進(jìn)行處理；然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)通知綁定在其上的粒子發(fā)射器發(fā)射粒子；最后，OGRE渲染系統(tǒng)將視景渲染到顯示終端。
　　OGRE的場(chǎng)景管理器按照?qǐng)鼍拔募?chuàng)建虛擬展廳。本系統(tǒng)中定義了一種xml 格式的場(chǎng)景文件，其中關(guān)鍵信息是場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。xml 的樹型結(jié)構(gòu)正好與場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的樹型結(jié)構(gòu)一致，該文件規(guī)定了節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格模型、節(jié)點(diǎn)的縮放比例、節(jié)點(diǎn)的位置方向、是否是靜態(tài)物體。場(chǎng)景文件被載入后，系統(tǒng)對(duì) xml 文件中的Node 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，遇到 Node 節(jié)點(diǎn)時(shí)在 OGRE 應(yīng)用程序中創(chuàng)建場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)Ogre::SceneNode。
3.2 用戶交互的實(shí)現(xiàn)
　　在虛擬漫游系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過不斷改變視點(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置來產(chǎn)生視景的三維動(dòng)畫。本系統(tǒng)中的場(chǎng)景控制主要包括以下兩個(gè)方面：鍵盤漫游和鼠標(biāo)控制。鍵盤漫游就是用戶通過操縱鍵盤來實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中的任意漫游。通過鍵盤漫游用戶可以靈活、準(zhǔn)確地對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位觀察。鼠標(biāo)控制則是利用鼠標(biāo)進(jìn)行模型的多角度觀察以及放大、縮小等詳細(xì)查看場(chǎng)景對(duì)象。鍵盤控制前進(jìn)、后退、左移、右移，鼠標(biāo)控制視野的抬頭、低頭、左右旋轉(zhuǎn)。此外，用戶可用鼠標(biāo)選擇對(duì)象，對(duì)指定對(duì)象進(jìn)行瀏覽，其右鍵功能可以詳細(xì)查看瓷器信息的文本描述，包括瓷器名稱、尺寸、產(chǎn)地、特性描述等。圖5（a）、（b）分別給出了一幅陶瓷虛擬展廳的全景圖和使用鼠標(biāo)控制詳細(xì)觀察所選定瓷器的近景圖。

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　　本文使用相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有樣品擺放和展示、用戶交互與場(chǎng)景漫游功能的陶瓷虛擬展廳原型系統(tǒng)。利用功能強(qiáng)大的開源三維圖形渲染引擎OGRE完成虛擬場(chǎng)景的資源組織與管理，極大地降低了開發(fā)成本并縮短了開發(fā)周期，使得系統(tǒng)具有良好的平臺(tái)適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。陶瓷虛擬展廳克服了傳統(tǒng)展示方式真實(shí)感較差，交互性不強(qiáng)，而且展示成本高的缺點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)快速、低成本的陶瓷樣品展示和縮短交易時(shí)間提供了一條可行的思路。同時(shí)，虛擬展示系統(tǒng)如能夠與企業(yè)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)及在線銷售系統(tǒng)進(jìn)行整合，將很好地實(shí)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣品展示、在線訂單一體化，極大降低企業(yè)成本，加快產(chǎn)品銷售速度。

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