数字化校园3D虚拟图书馆的建设

陈三等

摘要： 随着虚拟现实技术的日趋成熟，该技术在很多领域得到应用。该文将虚拟现实技术应用于数字化校园三维虚拟图书馆的建设。论文实现了基于3DMax技术的虚拟图书馆的总体框架和具体场景的建设以及基于OPENGL实现虚拟图书馆的交互和漫游，并将搭建好的虚拟图书馆放置于数字化网上图书馆中，作为数字化校园网上图书馆的有益补充。

关键词： 3D虚拟图书馆；虚拟现实技术； 3DMax；OPENGL；漫游

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）33-8007-04

Abstract： With the rapid development of virtual reality technology， the technology can be applied in many fields. VR is applied in the construction of 3D virtual library in digital campus. The paper realized the general framework of virtual library based on 3DMax and detailed roaming and interactive based on OPENGL. 3D virtual library will be placed on the digital library. It will be a useful supplement to the school online digital library.

Key words：3D virtual library； virtual reality technology； 3DMax； OPENGL； roaming

数字图书馆是信息时代传统图书馆的延伸和发展，以其便于使用和超大规模的信息存储成为当今图书馆建设的大趋势。图书馆新技术与方法的研究一直是图书馆学的热门研究课题[1]。虚拟现实（Visual Reality， VR）技术诞生至今已有二十多年，被认为是21世纪计算机领域最重要、最新奇的研究之一，具有多感知、沉浸性、交互性、想象性等特征，是集成了多学科、多技术的综合技术[2]。VR技术在数字图书馆虚拟空间、三维信息资源建设、可视化信息检索、虚拟参考咨询、远程遥控技术方面的应用有很多值得研究和探讨的方面。研究虚拟现实技术在数字图书馆的应用，在当前三网融合、物联网建设的环境下，推动我国数字图书馆的发展有着非常重要的意义[3]。

在北京、上海、广州等地虚拟系统的建设已经取得了一些成果[4]。在高校，虚拟现实技术被用于虚拟校园建设。例如，安徽师范大学三维虚拟校园建设，结合安徽师范大学三维虚拟校园实际需求，分析三维虚拟校园建设的主要内容和系统实现的总体框架，通过对校园内数据的获取和处理，建立并优化模型，并通过二、三维的交互和插件技术的集成实现系统关键技术[5]。该文在3D虚拟图书馆的建设中，根据校园图书馆的实际情况，通过相关数据的获取和处理进行三维建模，在模型建立完成后，实现交互的动态图形基础上，对各个视点进行实时漫游，并且将该系统放置在校园图书馆网站上，便于同学们在获取资料时可以直观的了解学校图书馆的布局。

论文首先介绍了相关关键技术，包括VR技术、3DMax技术和OPENGL；然后基于3DMax技术分析了虚拟图书馆的模型建设并给出了部分模型实例；接着介绍了利用OPENGL对虚拟图书馆的交互和漫游的设计；最后，对项目的建设过程进行了总结。

1 关键技术概述

1.1 VR技术

VR技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助计算机以及相关软件与平台上的虚拟世界中的物体进行交互，相互影响，产生身临其境的感觉[6]。

1.2 3DMax技术

3DMax是3D Studio MAX的简称，是Kinetix公司推出的一款强大的3D建模软件，其独有的细分曲面技术、柔性选择、曲面工具和改进的NURBS技术让3DMax在构建虚拟现实场景时异常轻松[7]。在与其他软件配合方面，由3DMax创建的虚拟模型可以方便地导入到OPENGL环境中。因此，使用3DMax作为3D虚拟图书馆的建模软件，可以轻松的结合所需其他软件，建设出复杂的3D虚拟图书管的虚拟模型。

1.3 OPENGL简介

OPENGL是绘制高真实感三维图形、实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能软件开发包，它集成了图形建模、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射、位图显示、图像增强、图形变换和双缓存动画等复杂的图形算法[8]。该编程技术可以很好的运用于PC机上，具有很好的开发环境，以该技术为基础开发的应用程序可以十分方便地运用在各种平台之间，便于将3D虚拟图书馆放置到校园图书馆网站上。同时在OPENGL中建好场景去调用3DMax中的复杂模型是非常方便的。

2 基于3DMax技术构建整体框架

2.1 建设内容

三维虚拟图书馆的建设主要包含两部分内容：第一，图书馆总体外部设计和各个场景的模型建设，主要是根据测量得出的数据，将图书馆按比例直接构建出相应的模型；第二，虚拟图书馆系统的设计，基于三维场景模型的建设，将实际需求落实到系统上，选择OPENGL技术作为编程平台。

2.2 总体场景构建

虚拟图书馆的建设包括外观设计，总体地理位置的建设，内部各个楼层之间各个场景的渲染和建设以及部分景物装饰的建设，各个场景之间的位置摆放和组合，整体比例的设计。

虚拟图书馆的场景模型的建立，是整个项目的数据基础。整个场景的数据来源于对图书馆外观数据的采集，即通过对各个部分的测量得出总体比例的数据。对于各个景物的设计，直接用相机拍摄图片，通过实景照片还原图书馆三维模型的真实贴图。图1和图2是图书馆外观的正反两面模型图。

虚拟图书馆包括很多场景的建设，每个场景由各个模型按相对位置摆放在一起来组成。而虚拟图书馆的作用不仅是要模拟真实的场景，更重要的是使得用户在浏览中能了解到各阅览室的藏书情况。图3到图7是图书馆中的一个阅览室的虚拟图形，是对图书馆内部的一些具体物件的模型建立，在用户浏览的时候，在每个柜子上添上相应的标签，便于用户的浏览和书目的查阅。

3 虚拟图书馆的交互和漫游

3.1 OPENGL实现交互性场景

为了更好的实现交互沉浸性，我们将运用3DMax制作的三维模型导入到OPENGL环境中，将读入的模型数据重新整理，生成相应的处理对象列表，并在其中显示出来[9]。

OPENGL可实现很多场景的多方位显示，将在3DMax中制作的图形导入到OPENGL以后，将各个参数值输入进去，即可根据既定的函数设计出相应的模型，实现交互性。在交互使用中，首先通过USE引用相关的模型，在通过Transform节点将相关位置安置好，最后通过PlaneSensor平面检测节点使虚拟对象在xy平面相对移动。

3.2 OPENGL实现虚拟漫游

三维场景漫游中，观察者可以通过鼠标或者键盘来控制视点的位置、视向和参考方向。系统中，视点相当于现实中人的眼睛，其功能相当于现实世界中的照相机。人通过眼睛将外部影像刻入大脑，而虚拟现实就是对这一效果的实现，在计算机3D图形处理技术中运用类似人眼睛的东西gluLookAt观察函数，在OPENGL场景中利用位置变化在计算机屏幕上实现位置转变。

系统漫游命令包括上升、下降、前进、后退、左转、右转、俯视、仰视、左移、右移等。该文采用OPENGL的gluLookAt函数，通过PageUp和PageDown键来控制上下位置，利用上下键来控制向前或者向后的方向，用左右键来控制视点的左右移动。响应左转、右转、仰视、俯视命令时视点保持不变[10]。前进和后退主要是沿视线方向沿坐标系移动一定距离即可。而左移和右移主要是平移一定的距离。对于边界采用碰撞式技术，将边界固定住，对于漫游的整体位置和视点的调节做出整体的设计。

由于不断按下键盘操作重复性太多，较为繁琐，所以系统设计时对相关的漫游过程进行记录。记录漫游过程的处理是，首先记录初始的视点和角度，然后对每种连续键盘操作命令按照“动作类型，执行次数”进行记录，最后通过相反过程播放，从文件中读取上述初始化参数并进行设置，而后通过相应的读取操作命令调用处理函数处理，实现漫游过程的实现和记录。

通过漫游的实现，可以给使用者带来身临其境的感受，跟现在很多3D游戏带来的效果有些类似，这样更贴近生活实景的感受，完成我们的设计目标。

4 总结

在三维虚拟图书馆的建设中，首先利用3DMax对学校图书馆进行总体模型设计。其次，在OPENGL中建设场景，将3DMax中设计好的模型导入到其中，利用相关函数实现交互性和漫游功能。最后，将整体构建好的模型导出，放入学校的数字图书馆网站上，供校内学生使用。随着研究的深入展开，还需要进一步做好以下几方面的工作：

1） 改进馆内各物件的精细程度和真实度，通过对模型贴图使场景的渲染更加逼真。对于不同位置的视点情况进行多方位的调整，进一步完善系统的交互性和漫游功能。

2） 将虚拟图书馆正式运用到数字化图书馆的平台上，通过学生的体验和建议，对整体设计做出进一步的改善。

参考文献：

[1] 王晨晨.虚拟现实技术及其在图书馆的应用[J].图书馆学研究，2011（10）：35-37.

[2] Burdea G，Coiffet P.Virtual Reality Technology[M].NJ：John Wiley and sons，1994.

[3] 陆颖隽.虚拟现实技术在数字图书馆的应用研究[D].武汉：武汉大学，2013.

[4] 钱刚.从数字化、网络化看图书馆虚拟过程[J].图书情报工作，1998（7）：11-14.

[5] 吴庆双，王楠.安徽师范大学三维虚拟校园系统建设研究[J].重庆文理学院学报：自然科学版，2012，31（1）：62-66.

[6] Fisher S S ，Humphries J，McGreevy M，et al.The virtual environment display system. In： ACM Workshop on Interactive 3D Graphics[M].New York： ACM Press， 1986：77-87.

[7] 陈建华.基于3DSMAX的虚拟现实建模技术[J].漳州师范学院学报：自然科学版，2002，15（3）： 18-20.

[8] 李莹，陈启祥.基于OPENGL技术与3DS Max的3D虚拟校园情景开发[J].武汉船舶职业技术学院学报，2007（2）：37-40.

[9] 林锐，石教英.基于OPENGL的可复用软件库与三位交互设计[J].计算机研究与发展，2000， 37（11）：1360-1366.

[10] 僧德文，李仲学，王红霞. 基于OPENGL的虚拟漫游技术研究及应用[J].金属矿山，2007（9）.