虚拟现实开发平台

目录

一、虚拟现实系统开发平台简述 (1)

二、三维建模软件 (1)

2.1 3ds MAX (1)

2.2 Maya (2)

2.3 Creator (3)

2.4 Blender (4)

三、虚拟现实开发平台 (5)

3.1 Virtools (5)

3.2 VRP (6)

四、Web3D系统 (7)

4.1 Java3D和GL4Jave（OpenGL for Java） (7)

4.2 Fluid3D (8)

4.3 Superscape（VRT） (8)

五、虚拟现实开发平台的研究现状 (8)

参考文献 (10)

虚拟现实系统开发平台的发展现状及分析

史龙飞

（电子信息学院物理电子学）

一、虚拟现实系统开发平台简述

虚拟现实系统的目的是为了开发虚拟现实应用，所以任何一个完整的细腻显示系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台，一般包括两个部分，一是硬件开发平台，即高性能的图像生成及处理系统，通常为高性能的图形计算机或者虚拟现实工作站；另一部分为软件开发平台，即面向应用对象的虚拟显示应用软件开发平台。这其中面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台是最主要的，它在虚拟现实应用开发过程中承担着三维图形场景驱动的简历和应用功能的二次开发，是虚拟现实应用开发的高层API，同时也是连接VR外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台，没有它将无法开发出功能完善的虚拟现实应用程序。

因此，开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分，负责整个VR场景的开发、运算、生成，是整个虚拟现实系统最基本的物理平台，同时连接和协调整个系统的其他各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此、虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都是不可或缺的，而且至关重要。

目前，国外已经开发出一些有代表性的虚拟现实软件开发平台，如美国Sense8公司的WorldToolKit (WTK) ，美国爱荷华州立大学虚拟现实应用中心的VR Juggler，英国Superscape 公司的 VRT，Division 公司的 dVISE 环境，以及美国Deneb Robotics 公司的ENVISION等。另外还有unity3d,virtools,quest3d,cult3d,torque(src)等，另外还有一些开源的三维引擎例如ORGE等。国内也有一些虚拟现实开发平台涌现出来，但是与国外的相比还是有很大的差距。

二、三维建模软件

虚拟现实系统平台中非常重要的一部分就是三维建模软件，它能够提供虚拟现实中所需要的各种三维模型。较常用的包括3ds Max、Maya及Creator等。这些软件把复杂的建模过程变的非常简单和易于理解。另外还有一些开源的3D建模软件，例如Blender，G3D Engine，ORGE Engine，SDL和Sandy等，这些软件都是在GNU General Public License或者BSD License下发布的软件，可以自由使用和分发。

2.1 3ds MAX

3ds Max是美国Autodesk公司推出的功能强大的三维设计软件包，也是当前世界上销量最大的一种用于三维动画和虚拟现实建模的工具软件。它集三维建模、材质制作、灯光设定、摄像机使用、动画设置及渲染输出与一身，提供了三维动画及静态效果图全面完整的解决方案。与同类软件相比，3ds Max以其强大的及按摩功能，简洁高效的制

作流程以及丰富的插件等优势，一直是虚拟显示系统在三维建模的首选工具。

在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DS MAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DS MAX的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对3DS MAX的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极致。

图1 3ds MAX的界面

2.2 Maya

Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。

Maya 集成了Alias Wavefront 最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya 可在Windows NT与SGI IRIX 操作系统上运行。在目前市场上

用来进行数字和三维制作的工具中，Maya 是首选解决方案。

Maya和3DMAX的区别：MAYA是高端3D软件，3dsmax是中端软件，易学易用，但在遇到一些高级要求时（如角色动画/运动学模拟）方面远不如MAYA强大。3dsmax的工作方向主要是面向建筑动画，建筑漫游及室内设计。MAY A软件应用主要是动画片制作、电影制作、电视栏目包装、电视广告、游戏动画制作等。3dsmax软件应用主要是动画片制作、游戏动画制作、建筑效果图、建筑动画等。

图2 Maya进行3D动画角色设计

2.3 Creator

Multigen Creator系列软件，由美国Multigen-Paradigm(https://www.360docs.net/doc/266558962.html,)公司开发，它拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。

Multigen Creator是一个软件包，专门创建用于视景仿真的实时三维模型。Creator 使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易。不仅可用于大型的视景仿真，也可用于娱乐游戏环境的创建。

图3 Creator

2.4 Blender

Blender是一个开源的跨平台全能三维动画制作软件，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。拥有方便在不同工作下使用的多种界面，blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。拥有极丰富的功能，而且很大部份是高端模组塑造软体。

动画工具，包括了反向动作组件，可设定骨骼，结构变形，关键影格，时间线，非线性视频编辑，顶点量重及柔化动量组件，包括网孔碰撞侦察和一个具有侦察碰察的粒子系统，固体碰撞、布料、液体、力场解算。

图4 Blender官方正文版界面

三、虚拟现实开发平台

以上只介绍了一些三维的建模软件，而虚拟现实则需要将建模软件获得的模型进行组织显示，并实现交互等功能，这些就不是建模软件能够实现的，就需要专门的虚拟现实系统软件。

现在已经出现了比较多的虚拟现实系统软件，例如converse3d，quest3d，unity3d，virtools等，另外还有国内的中视典的VRP虚拟现实编辑器。

3.1 Virtools

Virtools是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools是一套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，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。

Virtools制作具有沉浸感的虚拟环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

目前全世界有超过270所大学使用Virtools ,Virtools已经获得许多媒体技术学系学生的肯定和支持。

Virtools主要经由一个设计完善的图形使用者界面，使用模块化的行为模块撰写互动行为元素的脚本语言。这使得使用者能够快速地熟悉各种功能，包括从简单的变形到力学功能等。

Virtools可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒

体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。

因为在台湾已经普及到相当规模，所以汉语教材和相关项目的从业经验已经十分丰富与成熟。

许多大型游戏制作公司，例如EA和Sony Entertainment，都使用Virtools来快速地制作游戏产品的雏形。而且还有很多游戏是从头到尾都用Virtools进行开发的。中国大陆的Virtools的应用刚刚起步，但是前景十分看好，水晶宫和奇士等公司已经开始应用。

3.2 VRP

VRP 是VR-Platform的简称。VR-Platform三维互动仿真平台是由中视典数字科技独立开发的具有完全自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，可广泛的应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。

VRP系列软件是国内具代表性的VR开发平台，具有不逊于国外著名VR软件的技术和功能。它以VR-Platform引擎为核心，衍生出VRP-IE(VRP三维网络浏览器)、VRP-BUILDER（VRP虚拟现实编辑器）、VRP-PHYSICS（VRP物理系统）、VRP-DIGICITY（VRP数字城市平台）和VRP-SDK（VRP二次开发工具包）等5个相关成品。

四、Web3D系统

WEB 3D又称网络三维，该技术的出现最早可追溯到VRML。VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。VRML开始于20世纪90年代初期。

1998年。VRML组织把自己改名为Web3D组织，同时制订了一个新的标准，Extensible 3D (X3D)，到了2000年春天，Web3D组织完成了VRML到X3D的转换。

X3D整合正在发展的XML、JA VA、流技术等先进技术，包括了更强大、更高效的3D计算能力、渲染质量和传输速度。

随着网络技术的发展，虚拟现实的3D场景不需要再下载和安装大型的软件，或者需要专门的高速度处理计算机来实现，只需要一个浏览器就能畅游3D的世界。

最简单的Web3D仅仅是在网页中嵌入三维模型供用户观看，复杂些的就是使用flash，Java等技术生成流式三维展示系统，或者模拟系统。而现在网页版的3D游戏也逐渐流行起来。

然而Web3D也面临着比较大的问题，标准不同意，另外浏览器插件也不统一，基本每个公司都要依赖自己的插件才能实现网页中的3D展示。而且网页中的3D效果并不能和本地程序产生的效果相媲美，他还要受到网络传输速度等的影响。

4.1 Java3D和GL4Jave（OpenGL for Java）

JAVA3D可用在三维动画、三维游戏、机械CAD等领域。

可以用来编写三维形体，但和VRML不同，JAVA3D没有基本形体，不过我们可以利用

JAVA3D所带的UTILITY生成一些基本形体如立方体、球、圆锥等，我们也可以直接调用一些

软件如ALIAS、LIGHTWARE、3DS MAX生成的形体，也可以直接调用VRML2.0生成的形体。

可以和VRML一样，使形体带有颜色、贴图。

可以产生形体的运动、变化，动态地改变观测点的位置及视角。

可以具有交互作用，如点击形体时会使程序发出一个信号从而产生一定的变化。

可以充分利用JA VA语言的强大功能，编写出复杂的三维应用程序。

4.2 Fluid3D

由于Fluid3D并不是一个Web编写工具，因此它着眼于强化3D制作平台的性能。直到最近才公诸于世的Fluid3D插件填补了市场的一个空白，尽管到目前为止它的应用范围还相当有限。它的主要功能是可以用来传输高度压缩的3D图像，而这种图像的下载通常是相当麻烦和耗时的。它的运用有助于使Web的3D技术更实用和切合实际，使之对桌面用户而言更有乐趣。

4.3 Superscape（VRT）

Superscape VRT是Superscape公司基于Direct3D开发的一个虚拟现实环境编程平台。它最重要的特点是引入了面向对象技术，结合当前流行的可视化编程界面，另外，它还具有很好的扩展性。用户通过VRT可以创建真正的交互式的3D世界，并通过浏览器在本地或Internet上进行浏览。

五、虚拟现实开发平台的研究现状

虚拟开发平台VR-Mak是陕西凯信电子工程有限责任公司出品，虚拟现实应用开发平台VR-Maker以计算机图形技术为基础，基于OpenGL开发，采用C++为编程语言，自主研发了三维实时渲染引擎，开发了建模及场景输出、场景编辑器、数据库管理、算法、大规模地形、特效、分布式计算及网络通讯、多通道视觉等功能模块，是一款易于二次开发与具备快速定做各类虚拟仿真系统的应用支撑软件，适用性强，操作简单，功能强大，高度可视化，无行业限制，高度支持人机交互。使用该支撑平台可以极大提高用户开发各类仿真应用系统的效率与质量，从而大大减少由最原始的工具开发一个仿真系统的成本，可广泛的应用于军事战争模拟、飞行驾驶模拟、医学三维人体成像模拟、大型互联网交互三维游戏制作以及各种行业图形仿真交互模拟。

虚拟现实仿真开发平台V ega 是MultiGen-Paradigm公司最主要的工业软件环境，用于实时视觉模拟、虚拟现实和普通视觉应用。V ega将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供便捷的创建、编辑和驱动工具。V ega能显著地提高工作效率，同时大幅度减少源代码开发时间。

中视典数字科技有限公司的软件产品有VRP-BUILDER虚拟现实编辑器VRPIE三维网络平台VRP-PHYSICS物理系统VRP-DIGICITY数字城市平台VRP-SDK三维仿真系统开发包等。

3D Studio Max，常简称为3ds Max或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。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制

作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。

北卡罗来纳大学（UNC）的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上，UNC开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示的并行处理系统，叫做像素飞机（Pixel planes）。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。在一个分布交互式仿真系统中仿真真实世界复杂流体的物理特性，包括仿真正在穿过水面行驶的船、仿真搅拌液体、仿真混合不同颜色的液体、仿真混合不能溶解的油和水、仿真下雨和流动的地形以及仿真流体的相互影响等特性。但该系统有一些缺陷，例如：当船行进时不能显示出水的不同波浪曲线；不能用于任何精确的工程用途等。

京都的先进电子通信研究所（ATR）系统研究实验室的开发者们正在开发一套系统，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们作为系统输入。该系统将提供一个更加自然的接口，而不需要操作者带上任何特殊的设备。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。

将来的虚拟现实平台必然要向易用，专业，统一标准等方向发展。另外云计算技术也能够应用在虚拟现实系统的开发上，来减少开发成本。虚拟现实系统平台一家公司软件独大的场面不会出现，随着技术的成熟和计算机技术的快速发展，各种功能强大的软件工具都将会出现。

参考文献

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