基于Virtools的虚拟中医药博物馆系统设计与实现

摘要：本文基于Virtools和3ds max设计并实现了北京中医药大学虚拟中医药博物馆。重点介绍了系统实现的框架和技术流程，同时对该系统中使用的关键技术如漫游设计和碰撞检测等实现方法进行了介绍，并利用该方法对北京中医药大学中医药博物馆场景及文物进行了可视化模拟，模拟的场景逼真、自然，能满足用户实时交互的需要。

关键词：虚拟环境；中医药博物馆；Virtools；3ds max

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-02

The Design and Implementation of Virtual Chinese Medicine Museum System on Virtools

Huang Youliang,Liu Renquan,Lu Ying,Li Jingzhong,Zhai Xing

(Beijing University of Chinese Medicin,Information Center,Beijing 100029,China)

Abstrct:The essay mainly represents the design and implementation of the Beijing Chinese Medicine Museum based on virtools and 3ds max.And the acheive method of the system framework and technical processes,at the same time,described the achieve method such as roaming and collision detection method,and using the method achieve the scene and visual simulation of the Chinese Medicine Museum,Simulation scenario realistic,natural,real-time interaction can meet the needs of users.

Keywords:Virtual environment;Chinese Medicine Museum;Virtools;3ds max

引言：随着计算机软、硬件技术的不断发展，虚拟现实技术在不同领域方面发挥着越来越重要的作用。将虚拟现实技术与传统博物馆相结合已逐步成为各国研究人员的研究热点。北京中医药大学中医药博物馆，馆藏丰富，但长期以来，受场地、时间等因素制约，馆藏文物、医籍等资源并不能充分展示。为实现博物馆资源的社会共享，弘扬中医药文化，满足广大学生和社会各阶层不同层次的需求更好的发挥博物馆展示、教育的职能，因此利用虚拟现实技术完成中医药博物馆的虚拟化是一种解决方法。

法国达索公司开发的Virtools产品是一套整合软件，可以将现有常用的模型格式文件整合在一起，如3D模型、2D图形或是音效等。同时，Virtools具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D产品，如计算机游戏、多媒体、交互式电视、仿真与产品展示等。

3D Studio Max，简称为3ds Max，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，是一个交互式的、三维的、实时的高度专业化工具，可创建、编辑和浏览三维场景。

本文利用Virtools为场景驱动、3ds max为三维实体建模工具，设计并实现了北京中医药大学中医药博物馆场景可视化模拟，并对构建虚拟中医药博物馆场景可视化系统的关键技术和中医药文物仿真模拟进行了探讨和研究。

一、系统结构设计

虚拟中医药博物馆的主要功能是实现博物馆馆藏文物的可视化仿真以及参展者与博物馆场景的交互。

系统设计目标：构建一个模拟真实世界的三维虚拟北京中医药大学中医药博物馆，用户能够通过交互性的点击文物对象，快速查看文物的属性说明；还能通过点击特殊文物实现交互性的实验。

系统实现方法：使用3DS MAX创建文物模型，并且为设置特殊文物的动作，然后将处理好的模型和动作分别导入到虚拟交互平台Virtools中进行场景驱动，并且进行交互设置。

二、系统实现

（一）数据采集

在文物数据采集过程中，根据虚拟博物馆场景对不同文物模型的要求，合理选择不同分辨率的图片作为纹理。通常比较常用的纹理获取方法有2种，一种是用高分辨率数码相机或摄像机实地拍摄的数字化照片；一种是由计算机绘制的矢量纹理。通常第1种方法涉及的数据量比较大，但是纹理真实感强。本系统所获取的纹理多数是由数码相机实地拍摄的照片来完成的。由于拍摄时角度存在一定偏差和模糊等缺陷，一般不能直接作为贴图纹理使用，需要进行包括图像的角度修正、色彩调整、边缘平滑等技术处理后使用。

（二）三维建模及贴图

三维文物模型是整个虚拟中医药博物馆的基础。文物模型的好坏直接影响场景的逼真度和运行的效果。本系统采用3ds max进行建模，具体的中医药文物，如马车、陶器、器皿、针灸铜人等，在建模时主要采根据数码照片和实际测量尺寸创建文物模型。建模时主要采用几何建模技术，对象的轮廓和形状可以用点、直线、多边形图形、曲线或者曲面方程等方法表示。在模型建立完成后，使用Photoshop工具为模型制作贴图，同时根据不同文物设定不同模型材质。材质是用于模拟表面的反射特性。例如：中医器皿、行医工具等对象采用基本材质，而对于展柜、图片等采用贴图。贴图是物体材质表面的纹理，利用贴图可以不用增加模型的复杂程度就能突出表现对象的细节且比基本材质更精细更真实。

（三）数据导入及场景构建

把在3ds Max建好的模型、材质，烘焙好，设置好灯光等参数后以NMO格式保存文件，然后导入到Virtools的三维世界里，借助Virtools的场景管理器进行分类管理。同时Virtools将不同素材分类放入到分类文件夹中，主要包括2D Sprites，3D Entities，3D Sprites，Behavior Graphs，Characters，Materials，sounds，Textures，Videos等。在后期场景构建中，通过编辑工作区的3D或2D元素可以实现观察、控制，或安装SDK插件编辑更多的行为模块（BBS），从而实现虚拟单元在虚拟环境中各种运动功能。

（四）碰撞检测

在虚拟博物馆场景中，碰撞检测是必须要考虑的问题。使用碰撞检测时，用户游览虚拟场景时，遇到展柜时可以自行绕开。在Virtools中要处理碰撞问题时，可以利用Virtools提供的碰撞总管（Collision Manager）行为模块。碰撞总管会自动计算所给定的3D对象间会产生碰撞与否，是个很方便的工具。若有任何碰撞被检测到，这个行为模块将会让游览者稍稍后退，以避免直接撞击。要执行碰撞检测测试，碰撞总管得要有一张会发生碰撞的障碍物清单。所以必须先指定出场景中会发生碰撞的3D对象，并将其列入障碍物清单里并且得将这些对象一一挑出来，然后在个别对象上标示出障碍物（obstacle）的属性。

三、仿真结果及优化

为了更好模拟虚拟中医博物馆场景，在场景图的渲染过程中采用一些渲染加速技术如在进行消隐处理时用BSP分割技术；在读入大场景数据时采用LOD技术。Virtools场景的贴图也是影响场景运行速度的原因之一，在最大承载贴图量的范围内，进行贴图优化。一般将重点文物其烘焙贴图尺寸可以为1024×1024，相对于重点文物小一些的模型，其烘焙贴图尺寸可以为512×512。烘焙好的贴图可以在Photoshop中给予适当的压缩，尽量保证它占用的空间较小。利用3ds max创建场馆模型，通过基于Virtools引擎渲染得虚拟中医药博物馆场景效果如图所示。图1、图2分别为乾德堂展馆和医史馆全景的渲染效果图。

图1乾德堂仿真效果图 图2医史馆仿真效果图

四、结论与展望

博物馆仿真技术在现实生活中具有重要的研究价值。本文提出的基于Virtools为场景驱动，以3ds max为三维实体建模工具实现的虚拟中医药博物馆设计方法，能有效地渲染包含复杂文物的虚拟博物馆场景动态直观的展现中医药文物的魅力。在PC中绘制虚拟场景具有较好的真实感和交互性。能满足用户交互的需求。北京中医药大学虚拟中医药博物馆的设计及实现能起到传承和保护传统中医药文化财富的作用，对今后的研究工作有重要的借鉴意义。

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[基金项目]北京中医药大学2009年自主选题中青年教师资助项目（2010.1-2012.1）