范 冲，周凤平，周 敏

（中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083）

一、引 言

虚拟现实技术是近年来发展最快的信息技术之一，并深入应用于科学研究、教育培训、工业设计［1］、城市规划［2］及虚拟旅游［3］等各个领域。虚拟实验室是虚拟现实技术在教育领域中的一种应用创新［4］。与传统实验室相比，它具有利用率高、无磨损老化问题、易于维护和升级等优势。近年来，国内外的许多高校和科研机构都根据自己的教学和科研需要建立了虚拟实验室。国外著名的虚拟实验室有美国麻省理工学院的MIT Microelectronics Web Lab［5］、德国 Ruhr大学的虚拟自动化实验室［6］等。国内的有浙江大学的有机化学虚拟实验室、清华大学的电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室等［7］。

测绘学科的教学不同于其他学科的一个特点在于其实验教学环节占据了很大比重。但是由于受实验仪器资源匮乏、实习教师缺乏、时间、地点、天气及管理等方面的限制，大部分学生在实验教学活动中没有得到充分的练习，极大影响了教学质量。

基于其他学科的虚拟实验室的成功应用，建立一个虚拟测绘实验室是解决上述问题的有效途径。虚拟现实技术在测绘学科的研究比较少，已知的有建立全站仪模拟操作系统［8］，但是其仿真程度低，对学生吸引力不大，不利于应用发展。基于Quest3D建立的虚拟实验室是一个三维的桌面虚拟实验室，改进了过去虚拟实验室仿真度低的弱点，本文拟基于此进行相关研究。

二、Quest3D简介

Quest3D是Act-3D公司开发的一款功能强大、应用广阔的实时三维项目制作软件，在业内以效果出色而闻名［9-11］。它整合了图形处理、声音、网络、交互设计、人工智能等技术，能轻易地实现凹凸贴图、自动路径及物理属性等功能。Quest3D最大的特点就是独创的Channel（通道）技术，在这种方式下开发人员不需要编写大量的复杂代码，可以直接使用大量具有强大功能的模块通过“搭积木”的编程方式来实现其特定的功能［9］。这些模块不仅易于使用，而且还可以根据自身需要采用C++语言进行编写扩展。

三、基于Quest3D的虚拟测绘实验室的实现

1.开发流程

采用Quest3D作为三维虚拟实验室的开发平台，其开发流程如图1所示。

图1 基于Quest3D的虚拟实验室开发流程

2.开发实现具体步骤

采用Quest3D进行虚拟实验室的开发，其开发实现的流程如图2所示。

图2 虚拟实验室的具体实现流程

（1）模型建立

在虚拟实验室建设过程中，可以将所要建立的模型分为两种:一是主要物体模型，如虚拟实验室中的实验仪器模型、主要建筑物模型等；二是场景模型，包括地形及不重要的地物。建模有两种方法:一是使用3ds Max等建模软件建模，该方法比较耗费时间及精力，但是可以建立高精度、高仿真的模型；二是使用拥有建模功能的虚拟现实平台建模，虚拟平台建模在精度上有所欠缺，但它通常带有很多模板，可以简单迅速地建立效果出色的模板模型。在建模时，应该根据所要建立模型的特点，选择合适的建模平台及方法，尽量花较少的时间、精力得到理想的模型。在通常情况下，虚拟实验室中的实验仪器模型采取第一种建模方式，即使用建模软件直接建模；场景模型则根据需要选择建模方式。

建模过程中需要注意以下两个方面:①应尽量避免物理原型中存在的特定的与本虚拟实验无关的数据，尽量减少模型的数据量，以保证日后程序的正常快速运行；②各种模型在建模时应注意要与真实世界中原型的尺寸一致，避免各种模型导入时因大小不匹配而失去真实感。

（2）模型导入

模型导入是指将在建模平台所建立的模型导入到虚拟平台Quest3D中，以便进行接下来的模型交互设计工作。在模型导入的过程中要注意模型文件格式的设置及转换。

（3）模型的交互设计

利用Quest3D完成模型的交互设计工作具体可以分为3个部分:用户图形接口的设计、事件模块及整个程序的组织部分。用户图形接口为触发事件的表现形式，具体表现为按钮、滑块等。事件模块为主要物体模型各个具体功能的实现模块，包含物体本身的行为和模型之间的相互行为。程序的组织部分包括程序的页面跳转、功能模块的发生顺序等。

在交互设计过程需要注意以下两个问题:①资源的重复利用问题。这个问题会加大程序占用的内存空间，增加程序的运行负担。在交互设计过程中要加强对资源的管理，可采用专门的CGR文件存放图片等资源，使用时再进行调用。②程序模块的命名与注释问题。对各个模块要做到统一及规范的命名，并且要学会写注释。

（4）虚拟实验室的整合发布

Quest3D中的项目可能由许多子程序组成，如各个菜单屏幕和三维场景，要发布成可用的程序就必须先将它们整合起来。整合的方法有两种:一是使用逻辑信道建立逻辑，进行切换；二是使用Quest3D的“Finite State Machine（有限状态机）”信道进行组织。整合之后就要进行发布，Quest3D有众多发布选项可选，常用的有Q3D播放器文件、EXE文件和安装文件。其中Q3D播放器文件还支持ActiveX控件的因特网浏览器上查看［10］。

四、基于Quest3D的虚拟测绘实验室的设计与实现

1.虚拟实验室的总体设计

虚拟测绘实验室是现有测绘实验的数字化和虚拟化，为测绘学科开设的各种测绘虚拟实验课程提供了全新的教学环境。根据虚拟测绘实验室的需求，将虚拟测绘实验室的系统设计为以下3个模块:①测绘仪器模块，建立测绘实验室仪器库，实现各类测绘仪器（如全站仪、GPS、水平仪等）的虚拟仿真；②测绘实验实习模块，建立三维虚拟实验环境，有效模拟测绘仪器认识实验及全站仪导线测量等实验；③管理平台模块，建立开放式虚拟测绘实验室管理信息系统，实现对整个虚拟实验室的全局管理。这个模块另一个功能是通过用户对虚拟实验室的使用情况的评价反回馈，分析得到实验室的优劣。这对虚拟实验室的发展提供了有效的数据来源，保证了虚拟实验室的可持续发展。

2.虚拟测绘实验室的实例演示

在虚拟测绘实验室的建设中，仪器模型是主要物体模型，精度要求高，因此采用3ds Max建模。而虚拟场景的精度要求不高，并且在Quest3D中预定义了大量的地形、树和植物，可以直接、方便、快捷地创建出逼真的虚拟场景。因此，选用Quest3D进行虚拟场景建模，其效果如图3所示。

图3 采用Quest3D建立的场景模型

将所建立的模型导入到Ques3D中并进行交互设计，整合并发布的效果如图4所示。

图4 以EXE形式发布的程序中的全站仪安置操作接口

五、结束语

本文以虚拟现实技术和计算机技术为依据，针对测绘学科教学中实验教学环节比重大的特点，参考众多虚拟实验室的构建，结合自身实际情况，提出了基于Quest3D构建虚拟测绘实验室的整体设计方案和实现方法，并进行了初期的建设。通过虚拟测绘实验室的初期建设，可以看出，采用3ds Max+Quest3D的技术组合建立一个效果出众的三维虚拟实验室是完全可行的。

［1］ 陈为.虚拟现实技术在工业设计中的应用［J］.机电产品开发与创新，2006，19（5）:122-124.

［2］ 刘增良，陈品祥，贾光军，等.虚拟现实技术在城市规划管理中的应用研究与实践［J］.测绘通报，2010（5）:45-47.

［3］ HIRAYU H，OJIKA T，KIJIMA R.Constructing the Historic Villages of Shirakawa—Go in Virtual Reality［J］.IEEE Multimedia，2000，7（2）:61-63.

［4］ 衣李娜.基于VRML的数字逻辑电路虚拟实验室的设计方法研究［D］.天津:天津大学，2005:1-2.

［5］ 李永帅.基于Virtools的中学物理虚拟实验室的构建方法研究［D］.山东:山东建筑大学，2011.

［6］ 张燕霞.基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室［D］.南京:南京航空航天大学，2005.

［7］ 陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势［J］.中国现代教育装备，2010（17）:107-109.

［8］ 骆旭佳.基于虚拟现实仿真技术的全站仪模拟操作系统的研制［D］.合肥:合肥工业大学，2010.

［9］ 刘蓓蓓，赵晓春，张永帅，等.Quest3D技术在园林景观设计中的应用与实现［J］.安徽农业科学，2010，38（13）:7134-7136.

［10］ 黄俊铭，艾伯特电通.Quest3D黑皮书-从入门到精通［M］.台北:上奇资讯，2010.

［11］ 刘党辉，武彦云，苏永芝，等.基于Quest3D的导弹飞行三维视景仿真［J］.新技术新工艺，2011（10）:50-51.