摘 要: 討論了虛擬現實技術用于陶瓷展示的可行性，關鍵技術和系統的實現過程。利用3DS MAX和PhotoShop建立展廳和瓷器的三維模型，并使用貼圖技術增強瓷器模型的真實感；使用開源的圖形渲染引擎OGRE實現場景資源的組織和管理，并基于OGRE實現了虛擬展廳的實時交互和動態漫游功能。
關鍵詞: 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與出口基地[1]。目前德化陶瓷產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現。對于這兩種傳統的樣品展示方式，文字和圖片展示只能提供靜態的局部的視覺體驗，真實感和交互性都比較差。而實物展覽則要求客戶花費不菲的時間和金錢成本到現場參觀，這往往也會顯著延長客戶下訂單的周期。近年來，虛擬現實技術在物品展示和場景重建的應用中日益受到人們的關注。虛擬現實利用計算機制作出來的類似真實世界的虛擬環境，并可提供觀者實時性的互動和沉浸式的逼真感受[2]，它為快速的展示瓷器樣品和發布產品信息、降低交易成本和加速產品銷售提供了一種可行的思路。
1 系統概述
本課題利用相關的虛擬現實技術實現了一個具有友好用戶交互和動態漫游功能的虛擬陶瓷展廳，客戶可以在這個虛擬展廳中自由行走、任意觀看同時也可以借助交互式操作針對單個產品做更多細節的觀察。該系統包括圖形系統、腳本系統、交互系統、資源管理、場景管理等模塊。圖形模塊使用3DS MAX和PhotoShop建立展廳和瓷器的三維模型，腳本系統維護系統的所有配置文件和日志文件，交互系統則負責友好的場景交互功能。本系統使用開源的圖形引擎OGRE實現場景元素組織和場景資源管理。整個陶瓷虛擬展廳系統的框架結構設計如圖1所示。
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2? 關鍵技術
2.1 瓷器三維建模
目前應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機上最普及的三維動畫和建模軟件，成本低廉，具有良好的軟件接口；系統集成了豐富的第三方插件，使得它具有強大的三維動畫和特技效果制作等功能[3]。本文使用3DS MAX 9.0建立展廳和陶瓷產品的實體模型，并利用相關插件將其轉化為本系統支持的內部文件格式。
獲取建立實體模型的相關參數是建模的準備工作。數據采集往往可以通過使用相應的測量設備測出產品原型或產品實物若干組點的坐標，進而計算出模型參數。更簡單且在實際應用中可行的一種方法是由產品設計者提供模型參數。繪制表面紋理圖案是增強瓷器產品真實感的重要步驟，但是直接使用3DS MAX建模瓷器的表面紋理是一個十分困難的工作。通常，要將實物圖片貼到三維模型的表面，使瓷器產品具有更加逼真的視覺效果，這些實物圖片稱為紋理貼圖。在具體操作中，先拍攝不同角度的實體照片，再用Photoshop對照片剪裁、校正和拼接等處理，最終得到所需的紋理貼圖。如圖2所示，整個瓷器產品的三維建模主要包括圖片處理和實體模型的建立兩個部分。
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圖3給出了一個瓷器產品建模的實例。紋理貼圖被導入到3DS MAX并被貼合到瓷器的三維模型表面，然后賦予其真實的材質、環境、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，本文方法創建出的瓷器模型與真實的瓷器效果非常接近。本文系統使用OGRE圖形引擎組織和管理場景資源，所以，完成好的三維模型通過Deep Exploration進行數據轉換、優化后利用工具軟件3ds2mesh導出為OGRE所支持的.mesh文件。
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2.2 場景資源的組織和管理
本文使用開源的三維圖形渲染引擎OGRE（Object-oriented Graphics Rendering Engine）組織和管理場景資源以及實現虛擬展廳的實時漫游。OGRE是用C++開發的面向對象且使用靈活的3D圖形引擎，讓開發者能更方便和直接地開發基于3D硬件設備的應用程序或游戲。OGRE中的類庫對更底層的Direct3D和OpenGL系統庫的全部使用細節進行了抽象，并提供了基于現實世界對象的接口和其他類。OGRE圖形引擎全面支持Direct3D和OpenGL，同時具有更高的開發效率和更好的系統可擴展性。
OGRE系統主要包括：Render系統和Render插件、Material系統和Material腳本、Entity（主要是物件系統）、GUI系統和Overlay腳本、Texture和圖片解碼器、Archive系統和文件解碼器、Scene插件（主要是地形系統）、粒子系統、日志、Dll動態導入和插件系統等[4]。而系統所有的對象全部歸Ogre::Root統一管理。Root是整個OGRE的核心部分，通過Root對象可以配置系統，還可以獲得系統內的其他對象。圖4給出了OGRE中的關鍵對象及其關聯。
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Ogre::SceneManager是OGRE的場景管理器，負責組織和管理場景中的物體，并將物體發送到渲染系統進行渲染。OGRE將現實世界中的場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。每個空間都由一個場景節點SceneNode對象來管理，場景節點將處理移動、旋轉和縮放等與空間相關的行為。在每個場景節點之上可以掛載各種場景元素，如Entity、Light、Camera等。OGRE將大量場景節點按照空間的劃分層次組織成樹狀結構，從而實現對整個場景的有序、高效管理。
3? 系統實現與結果
3.1 使用OGRE繪制視景
使用OGRE管理場景資源和繪制虛擬展廳的主要過程如下：
（1）系統啟動，檢測OGRE動態鏈接庫；設備信息管理器從設備信息文件中讀入設備信息進行初始化。
（2）資源管理器從外部文件中載入系統需要使用的資源，包括模型文件（.mesh）、骨骼動畫（.skeleton）、粒子模板定義文件（.particle）、材質定義文件（.material），以及各種圖像文件。
（3）建立場景管理器，建立成功后系統從場景文件中載入場景，并按照文件設置創建虛擬場景。整個場景由若干場景節點按照空間的劃分層次組織成樹狀結構。
（4）場景節點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置瓷器擺放的初始位置。
（5）OGRE幀監聽器開始循環監聽，讀取串口或鼠標鍵盤輸入，并進行處理；然后將數據發送至相應的場景節點，場景節點通知綁定在其上的粒子發射器發射粒子；最后，OGRE渲染系統將視景渲染到顯示終端。
OGRE的場景管理器按照場景文件創建虛擬展廳。本系統中定義了一種xml 格式的場景文件，其中關鍵信息是場景節點結構。xml 的樹型結構正好與場景節點的樹型結構一致，該文件規定了節點對應的網格模型、節點的縮放比例、節點的位置方向、是否是靜態物體。場景文件被載入后，系統對 xml 文件中的Node 節點進行遍歷，遇到 Node 節點時在 OGRE 應用程序中創建場景節點Ogre::SceneNode。
3.2 用戶交互的實現
在虛擬漫游系統中，系統通過不斷改變視點和觀察點的位置來產生視景的三維動畫。本系統中的場景控制主要包括以下兩個方面：鍵盤漫游和鼠標控制。鍵盤漫游就是用戶通過操縱鍵盤來實現在三維場景中的任意漫游。通過鍵盤漫游用戶可以靈活、準確地對場景進行全方位觀察。鼠標控制則是利用鼠標進行模型的多角度觀察以及放大、縮小等詳細查看場景對象。鍵盤控制前進、后退、左移、右移，鼠標控制視野的抬頭、低頭、左右旋轉。此外，用戶可用鼠標選擇對象，對指定對象進行瀏覽，其右鍵功能可以詳細查看瓷器信息的文本描述，包括瓷器名稱、尺寸、產地、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控制詳細觀察所選定瓷器的近景圖。
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本文使用相關虛擬現實技術實現了一個具有樣品擺放和展示、用戶交互與場景漫游功能的陶瓷虛擬展廳原型系統。利用功能強大的開源三維圖形渲染引擎OGRE完成虛擬場景的資源組織與管理，極大地降低了開發成本并縮短了開發周期，使得系統具有良好的平臺適應性和可擴展性。陶瓷虛擬展廳克服了傳統展示方式真實感較差，交互性不強，而且展示成本高的缺點，為實現快速、低成本的陶瓷樣品展示和縮短交易時間提供了一條可行的思路。同時，虛擬展示系統如能夠與企業現有的計算機輔助設計系統及在線銷售系統進行整合，將很好地實現陶瓷產品設計、樣品展示、在線訂單一體化，極大降低企業成本，加快產品銷售速度。
參考文獻
[1]?蔡衛紅. 德化陶瓷業國際化的戰略選擇[J]. 發展研究, 2006，22(1): 42-43.
[2]?石教英. 虛擬現實基礎及實用算法[M]. 北京: 科學出版社, 2002.
[3]?胡安林, 蘭海. 3ds Max材質與貼圖應用技法精粹[M]. 北京: 科學出版社, 2008.
[4]?Mage 小組.OGRE（Object-Oriented Graphics Rendering Engine）使用指南, 2003.