基于Virtools的虚拟地学认识实习系统的实现

郝 伟，曹代勇，应 玺

1.防灾科技学院 灾害信息工程系，河北 三河 065201；

2.中国矿业大学(北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；

3.云南国土资源职业学院 地质矿产勘查系，云南 昆明 650217

基于Virtools的虚拟地学认识实习系统的实现

郝 伟1,2，曹代勇2，应 玺3

1.防灾科技学院 灾害信息工程系，河北 三河 065201；

2.中国矿业大学(北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；

3.云南国土资源职业学院 地质矿产勘查系，云南 昆明 650217

野外地质实习是地学相关专业学习地质知识和掌握野外地质实践技能的一个必要的教学环节。本文在对体验式地质教学虚拟平台建设研究的基础上，从教与学、理论与实践的角度出发，采用虚拟现实、计算机图形等关键技术，实现了基于Virtools的虚拟地学认识实习系统，使学生在教学实践活动中能够更直观了解和掌握地质知识。

野外地质实习；地质教学；虚拟技术；Virtools

地质教育在教学内容上具有空间尺度的广泛性与微观性、时间尺度的漫长性与瞬间性、地球系统的整体性与分异性、自然过程的复杂性与有序性等特点，最显著的是实践性强[1]。因此，在教学过程中，需要学生进行大量观察，从而进行归纳、分析，从感性认识上升到理性认识。

本文在对体验式地质教学虚拟平台建设研究的基础上[2]，利用虚拟现实技术，实现了基于Virtools的体验式地质教学虚拟平台系统，通过三维技术将地质资料形象的进行展示，提高学生的地质空间概念、增强学生对地质演化过程的理解，是课堂教学的有利补充。

一、相关技术分析

1.虚拟现实的实现技术

虚拟现实是多种技术的综合，其关键技术和研究内容主要包括以下几个方面。

(1）环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容，需要根据应用的需要利用获取三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提供数据获取的效率。

(2）实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，图形的刷新率最好高于30帧/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的主要研究内容。

(3）立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的虚拟现实系统还远远不能满足用户的需求。例如，在虚拟现实技术中常用到的交互工具—数据手套。它设有弯曲传感器，通过导线连接至信号处理电路，可以把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。但是，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点。虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。

(4）交互技术。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交互技术已经成为计算机图形学中的一个重要研究课题。此外，语音识别与语音输入技术也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。

(5）系统集成技术。由于虚拟现实系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。

2.几何建模

几何建模描述了虚拟环境的三维造型(多边形、三角形和顶点）及其外观(纹理、表面反射系数、颜色等），是开发虚拟现实系统过程中最基本、最重要的工作之一，主要分为自动的几何建模方法和人工的几何建模方法。自动的几何建模方法主要是采用三维扫描仪来完成物体的三维建模；人工的几何建模方法是人工利用三维建模软件完成物体的建模过程。

目前，地质的三维建模通常是采用人工的几何建模方法建立地质面/体。常用的三维面模型包括网格模型、三角网模型、边界表示模型等，这些模型所模拟的面可能是封闭的，也可能是非封闭的，可以很好地描述地形的表面、地质界面、矿体外壳等[3]。

3.三维景观发布技术

目前，三维景观发布的工具很多。具有代表性的包括 OpenGVS、ViewPoint、Virtools、VRML 等。虽然每种工具的使用方法不尽相同，但是，在很多行业都提出了相应的虚拟现实软件技术标准[4]。

(1）VRML(Virtual Reality Modeling Language）是基于虚拟现实技术的一种建模语言，是互联网以HTML形式颁布第一个国际标准(ISO/IEC14772）。这种语言能通过网络建立一种虚拟环境，使人们与其进行交互。VRML不是一种编程语言，它同HTML一样，是用来描述三维图形世界及进行交互的文本格式标准。VRML的文件执行步骤如图1所示[5]。

图1 VRML文件执行步骤

VRML主要包括三维造型和交互两大部分。通过定义节点构造三维场景图、描述物体间的作用及交互控制三维场景中的物体对象。但是，用于解释VRML文件的浏览器需要用独立型浏览器或使用相应的插件。在用户使用时，还是存在一定的局限性。

(2）OpenGVS[6-7]是Quantum 3D公司的产品，用于场景图形的视景仿真的实时开发。它封装了繁杂的底层图形驱动函数，保持了良好的性能，是一个基于OpenGL的用于实时场景浏览的视景管理软件。

OpenGVS包含了一组高层次的、面向对象的C++应用程序接口，它们直接构架于世界领先的三维图形引擎上。开发者只需用少量代码就可以快速生成高质量的3D应用软件。OpenGVS的API分为相机、通道、烟雾、帧缓冲、几何、特效等各种资源，开发者可以按照应用的需要调用这些资源来驱动硬件实现生产所需的图形和效果。

总的来说，OpenGVS具有基于面向对象的可视化开发环境，支持多种数据格式，如OpenFlight, 3DS和Terrapage等；支持OpenGL, Microsoft Direct3D, 3dfx,Glide等绘图的诸多优点，但是就其开发过程来讲，仍然是基于文本代码的开发方式，其优秀的函数库使其开发效率提高不少，但是开发过程不直观、不形象，对三维数据模型的操作也需要靠代码来进行，过程十分繁琐，效率还是不够高。除此之外，OpenGVS的网络功能要弱一些，但是通过VC++的兼容性可以使其大大增强，只是实现起来不如Virtools容易。

(3）Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案VIRTOOLS公司所开发，其三维引擎已经成为微软XBox认可系统。其特点是方便易用，应用领域广。它除了自身的3D/VR开发平台Virtools Dev以外，还有5个可选模块，分别是网络服务器模块、物理属性模块、人工智能模块、Xbox开发模块和沉浸式平台[8]。基于Virtools引擎的虚拟现实作品开发流程如图2所示。

图2 Virtools开发流程构架图

Virtools提供了许多功能模块，可以直接以拖拽的方式来应用，使用方便、快捷。除此之外，Virtools Dev可用于二维对象(图像）、文字、三维对象及声音，其中的三维对象资源可由3D studio Max等3D软件制作导入，缩短了软件的开发周期；并且Virtools Dev设计的作品可保存为网页格式，形成的文件体积小，网络传输速率快，占用资源少。

二、体验式地质教学虚拟实习基地的实现

通过对虚拟现实相关技术的分析，结合Virtools开发平台的特点，制订其开发流程如图3所示。

图3 体验式地质教学虚拟实习基地开发流程

1.3D模型的建立

目前主流的三维建模软件，如3DMax中，可以进行场景和物体的建模、贴图以及渲染。其中Virtools软件为3DMax提供了插件，可以用来导出专用的文件格式。因此，将在Surfer软件中网格化的文件导入3D Max中，进行三维建模及贴图。

在本系统中，选择的秦皇岛柳江盆地作为我们的实验区，该地区的网格化地质三维模型如图4所示。

图4 柳江盆地石门寨西门—瓦家山地质三维模型网格图

2.模型的纹理映射

纹理映射主要是用来生成物体的表面细节，增加模型表面细节及真实感，同时，也可以减少环境模型的多边形数目，提高图形显示速度。制作纹理映射的过程如图5所示。

图5 制作纹理映射的流程图

在本系统中，主要是将该技术用于某一具体剖面的模型渲染。图6就是利用Photoshop处理的野外数字图片，根据相应的映射关系将处理后的数字图片贴于模型表面。

图6 制作的部分映射纹理图片

3.模型的优化

对于体验式地质教学虚拟实习基地来说，该系统是一种基于网络的虚拟场景，因此，它与传统的三维图像模型的要求相反。模型的数据量会制约着虚拟场景的运行效果，在现有的计算机硬件条件下和网络环境下，过于复杂的模型会延长服务器到客户端的传输时间，从而增加客户端的负担，很难得到平滑的运行效果。所以，虚拟场景要求场景模型面的数量要尽可能降低到最小。在3DMax中，可以利用模型优化器，在保证模型基本形状不发生改变的前提下，改变模型的面数。优化前后的模型如图7和图8所示。

图7 柳江盆地地质三维模型优化前

图8 柳江盆地地质三维模型优化后

4.模型的发布

在3DMax中经过渲染、优化的三维模型保存为NMO格式的文件。在Virtools Dev中将该文件导入，并在Virtools Server Controller中对Virtools Server进行设置，实现三维模型的发布。其效果如图9所示。

图9 三维模型建立后的发布效果图

三、结语

根据地质教学的特点和实际需求分析，利用虚拟现实技术、三维可视化技术、计算机图形等方法，建立了基于Virtools的虚拟地学认识实习系统。该系统的建立为教学、科学研究、科普教育提供了现代化的实践环节，是常规教学手段的有益补充，提高了教学效率和教学质量，为教学资源的进一步整合打下了良好的基础。

[1] 曹代勇，郑志红，魏迎春.“地球科学概论”辅助教学图片库系统的开发[J].中国地质教育，2009，(1):136-139.

[2] 曹代勇，郝伟，应玺.体验式地质教学虚拟平台建设研究 [J].中国地质教育，2007，(4):92-95.

[3] 邓飞.剖面三维地质建模与高斯射线束正演的研究与实现[D].成都:成都理工大学，2007.

[4] 但蕾，冯允成，邢锦江.虚拟现实软件工程研究[J].航空标准化与质量，2004，(5):26-29.

[5] 陈国军，叶飞跃，杨黎明.三维图形生成支撑环境综述[J].计算机应用研究，2001，(5):1-3.

[6] 郑长伟，刘高攀，郭齐胜.基于OpenGVS 4.3的光照效果研究[J].计算机仿真，2005，22(7):198.

[7] 邢卫卫，李凤霞，战守义.基于OpenGVS的城区漫游系统的开发[J].计算机应用，2005，25(3):727-728.

[8] 刘明昆.三维游戏设计师宝典Virtools开发工具篇[M].成都:四川电子音像出版中心，2005.

Virtual Geological Cognition Practice Based on Virtools

HAO-Wei1,2, CAO Dai-yong2, YING-Xi3
1.Institute of Disaster-Prevention Science and Technology, Sanhe 065201, China;
2.China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;
3.Yunnan State Land Resources Vocational College, Kunming 650217, China

Geological practice is a necessary teaching for students who study geological knowledge and master the practice skill of field geology.Based on the virtual reality technology platform of experience-type geological science teaching, the virtual geological cognition practice is implemented, in which the view of teaching and learning, theory and practice is used, also, the virtual technology and computer graphics are used.Students can be more intuitive to understand and grasp the geological knowledge in teaching practice.

field geological practice; geological science teaching; virtual technology; Virtools

G642

A

1006-9372 (2011）02-0051-04

2011-02-20；

2011-04-12。

郝 伟，女，讲师，主要从事资源信息系统的研究工作。