論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三維游戲中的應用

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的計算機數(shù)字技術(shù)，該技術(shù)以其多感知的特點、交互性好、臨場感強，構(gòu)想性突出已經(jīng)在各個領(lǐng)域凸顯出它的活力和優(yōu)勢。就房地產(chǎn)行業(yè)來說虛擬現(xiàn)實技術(shù)能帶給決策者、銷售者、客戶強大的視覺沖擊力，最直觀的便捷的人機交互模式，實現(xiàn)數(shù)字實景參觀的效果。并且在房地產(chǎn)設計階段，建筑主體裝飾施工階段，最后營銷階段帶來非常好的模擬效果，實現(xiàn)了建筑設計信息化、智能化、空間可視化。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)建筑設計數(shù)字技術(shù)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念與特征

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，是一種以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機高級人機界面。它的交互性、沉浸感特性使它與一般的三維計算機圖形截然不同：它利用了多種計算機技術(shù)模擬人的感覺器官功能，創(chuàng)建了一種適人化的多維空間，強調(diào)的是一種身臨其境的感覺，采用的是人與人之間自然的交互方式。它模擬的方式為使用者創(chuàng)造了一個實時反映對象變化與相互作用的三維圖形世界，在視、聽、觸摸等感知行為的逼真體驗中，使參與者可以獲得直接參與和探索虛擬對象在所處環(huán)境中的作用與變化，仿佛置身于一個虛擬的世界中。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一般由專業(yè)圖形處理計算機、應用軟件系統(tǒng)、輸入設備和演示設備等組成，軟件分為建模軟件和實時仿真軟件兩大類，常用的建模軟件有3DS MAX、MAYA等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中任何復雜虛擬環(huán)境的創(chuàng)建都需要使用計算機實時三維圖形學和三維仿真技術(shù)。所以掌握這些技術(shù)是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

1.2.1 多感知性

所謂多感知性就是指導包括視覺感知外， 還包括聽覺、力覺、觸覺和運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。

1.2.2 存在感

又稱臨場感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

1.2.3 交互性

它是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。我們借助與我們的感覺器官，在虛擬的環(huán)境中體驗真實的環(huán)境。

1.2.4 自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進行動作的程度。例如，當收到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻到、或從桌面落到地面。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應用系統(tǒng)開發(fā)工具和系統(tǒng)集成技術(shù)等五個方面組成。

2 三維游戲的基礎知識

2.1 三維游戲的概念

3D游戲就是三維游戲，3D中的D是Dimension（維）的縮寫。三維游戲中的點的位置由三個坐標決定的（x，y，z）。客觀存在的現(xiàn)實空間就是三維空間，具有長、寬、高三種度量。三維游戲(3D游戲又稱立體游戲)是相對于二維游戲(2D游戲又稱平面游戲)而言的，因其采用了立體空間坐標的概念，所以更顯真實，而且對空間操作的隨意性也較強。也更容易吸引人。

3D類型的游戲有很多比如《捕魚達人》，游戲場景采用3D制作，各種魚類游動姿態(tài)自然，炮彈打擊粒子效果華麗，打擊感強烈。游戲豐富了更多游戲場景、游戲火炮增加至8種、神秘游戲劇情增加至108種，火炮道具、養(yǎng)成道具等創(chuàng)新功能的推出，使得捕魚達人游戲內(nèi)容更加豐富多彩。網(wǎng)絡版的《捕魚達人》已在老K游戲上。還有其它經(jīng)典3D游戲：魔獸世界、上古卷軸、永恒之塔、指環(huán)王、誅仙2、龍之谷、流星蝴蝶劍等等很多。

2.2 二維與三維游戲的比較

三維游戲較二維游戲而言的優(yōu)勢：

第一，三維游戲立體感更強，更具真實性。可以讓我們通過任何一個角度來觀看世界，且能讓他們在里面以不同的步伐進行移動。

第二，三維游戲在動畫制作上有其獨特的優(yōu)勢。這一點在第一人稱的射擊游戲（如Quake中）尤其突出。3D動畫能夠很輕松的越過這些困難。先給3D對象定義變形和運動的規(guī)律，實際運行時，程序就會讓3D對象按照預定的規(guī)律來運動，形成3D動畫。

第三，三維游戲中對象容易修改。因為它本身是由若干個多變體組成的。這些多變體隨意性比較強，可以任意改動或者變動，已達到最終的要求。

當然二維游戲也有其自身的優(yōu)勢所在：

第一，二維游戲的圖像能夠畫的很精致，完美的表現(xiàn)出細節(jié)。

第二，二維游戲在屏幕上顯示和處理的速度比較快。

第三，二維游戲上手容易。

其實三維與二維游戲并非只存在誰好或者誰壞的問題，重要的是誰能夠更好地服務于游戲之中。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維游戲的相互滲透融合

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對真實環(huán)境的模擬

場景是一個完整的游戲所必需的，場景的模型是游戲發(fā)生的場所，是游戲的一個重要因素。在游戲場景中，可以對每個模型的外形用多邊形進行擬合，而模型真實感則通過對模型外表材質(zhì)和光照來表現(xiàn)，由于當今的三維造型軟件已經(jīng)相當成熟，沒有必要再重新三維模型的造型軟件，而是充分利用這些軟件工具來建造游戲場景，然后通過數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換得到需要的三維模型。建模的基本過程有兩步：幾何建模和形象建模。場景又分室外和室內(nèi)兩部分。一般室外場景較多，比如在游戲開始時，美麗的花草、建筑或者瀑布、藍天白云等。

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與交互娛樂的結(jié)合

交互性指的是游戲的劇情或人物對我們在游戲中所做的動作或選擇產(chǎn)生的某些特定的反應。舉個例子來說，游戲中可以設計成主角遇到了一個世外高人，開始他對主角總是愛理不理的。不過當主角替他完成了他的某些心愿后，這位世外高人對主角的態(tài)度馬上一百八十度大轉(zhuǎn)彎，主角不但有可能從他這里學到一些絕世武功，得到一些重要的道具，甚至還可能從他口中得知游戲繼續(xù)進行下去的線索，這也就是游戲的交互性。而且，當游戲進行到一定程度時需要設置一些獎勵，例如播放精彩的獎勵也可以包括隱藏的因子。這些設計非常有意思，這也是現(xiàn)在的游戲都會加上的功能，但是這些設計不可以影響游戲主線劇情的進行，畢竟它們只是額外的獎勵而已。

由于對話最能表現(xiàn)游戲中的故事情節(jié)，所以我們在設計游戲時應該讓對話不單調(diào)且不重復，即游戲中的對話多為一些常用且有意義的對話，而且它們之間又可以互相組合。同時我們還要注意不要使用太過簡單的字詞，以免顯得比較草率，應盡量用與目前游戲中的情景有關(guān)的話題，使得游戲更加真切，且更有娛樂性。

3.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的多感知性在游戲中的表現(xiàn)

在一個陰暗的病房里，年輕的海軍士兵約書亞·弗萊正往自己頭上戴一個護目鏡，他的手、手臂、胸部都插滿了傳感器，手中握著一個手柄，然后，像《黑客帝國》中的尼奧一樣，弗萊進入了一個慘烈的戰(zhàn)場。

這不只是一個游戲。事實上，弗萊剛從伊拉克戰(zhàn)場回來。在費盧杰中彈受傷后，他被轉(zhuǎn)送到美國海軍醫(yī)療中心治療。因為親眼目睹戰(zhàn)友慘死，他夜夜做噩夢，夢中是支離破碎的身體，肩膀和胸口的傷口雖已痊愈，卻仍時時襲來劇痛。他時常從輪椅上跌落，口中喃喃念叨，“我們根本不該去伊拉克”。

在游戲里，他再次行走在被炸得滿目瘡痍的費盧杰大街上，眼中所見都是黑色的煙霧、爆炸后的殘火;耳中聽到的都是炮聲、槍聲、坦克重重碾過地面的聲音，夾雜著戰(zhàn)友的痛苦呻吟……幾分鐘后，他的心跳開始加速，呼吸變得急促，手心發(fā)熱，身邊的監(jiān)視器不停的刷新他的心跳值。

這是一個典型的“浸入式”心理治療游戲。南加州大學的研究員以一款專為軍隊格斗訓練設計的第一人稱射擊游戲《全光譜戰(zhàn)士》為基礎改編了這款游戲，用來治療那些患有戰(zhàn)后精神紊亂癥的士兵——利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）讓病人“重返”極度逼真的戰(zhàn)爭現(xiàn)場，調(diào)動在視覺、聽覺、觸覺、甚至味覺方面的多種感官反應，讓他直面自己恐懼的源頭，然后告訴他:“別怕，一切都是假的”。

最早提出“虛擬現(xiàn)實”概念的是天才程序員杰蘭·拉尼爾。他對這種技術(shù)最初的設想是:用計算機生成一個融合了三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺的感覺世界，人們可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設備對這一虛擬世界進行瀏覽和交互，從而體驗一種浸入式的、多重感官刺激的經(jīng)驗。當時人們對于虛擬現(xiàn)實最通俗的想象就是:戴上數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器，或者穿上數(shù)據(jù)衣，便可以進入一個數(shù)字新世界。當然，這個新世界有著巨大的想象空間，我們也許可以像《變形記》中的小職員一樣，一夜之間變成一只大甲蟲，因為計算機可以模擬并賦予人們甲蟲的視覺、聽覺和觸覺，從而體驗到甲蟲所體驗到的世界。

3.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的自主性在游戲中的表現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律進行動作的程度。游戲中所有的物體都遵循物理定律進行運動。物理系統(tǒng)是描述物體的運動遵循規(guī)律，碰撞檢測是物理系統(tǒng)的核心部分，它可以探測游戲中各物體的物理邊緣。當兩個3D物體撞在一起的時候，這種技術(shù)可以防止它們相互穿過。碰撞檢測是實現(xiàn)游戲真實性的關(guān)鍵技術(shù)。在游戲世界中，兩個或多個物體不可能同時占有同一空間區(qū)域，如果兩個實體發(fā)生了碰撞而無任何反應，或者不應該穿透物體卻穿透了，那么玩家就會感覺不到真實，從而影響游戲的沉浸度，這是游戲所不應該發(fā)生的情況。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維游戲的發(fā)展

4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)推動游戲的發(fā)展

三維游戲既是虛擬現(xiàn)實技術(shù)重要的應用方向之一，也為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展起了巨大的需求牽引作用。 盡管存在眾多的技術(shù)難題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在競爭激烈的游戲市場中還是得到了越來越多的重視和應用。可以說，電腦游戲自產(chǎn)生以來，一直都在朝著虛擬現(xiàn)實的方向發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的最終目標已經(jīng)成為三維游戲工作者的崇高追求。從最初的文字MUD游戲，到二維游戲、三維游戲，再到網(wǎng)絡三維游戲，游戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加強。我們相信，隨著三維技術(shù)的快速發(fā)展和軟硬件技術(shù)的不斷進步，在不遠的將來，真正意義上的虛擬現(xiàn)實游戲必將為人類娛樂、教育和經(jīng)濟發(fā)展做出新的更大的貢獻。

4.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來三維游戲中的主導地位

游戲技術(shù)是涵蓋在虛擬現(xiàn)實技術(shù)之中，它模擬的是整個世界，包括存在和非存在的世界，并以數(shù)字化的形式體現(xiàn)，它將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實、互動、情節(jié)化的特性表現(xiàn)得淋漓盡致。傳統(tǒng)的游戲技術(shù)，其特性、技術(shù)應用重心滿足人們娛樂、有情趣、快樂等精神需要。隨著時代、技術(shù)的發(fā)展，模擬體驗類游戲，所占比例越來越多，愈來愈受到人們的喜愛。數(shù)字化的形式，讓人們實現(xiàn)了夢想與未來，體驗了現(xiàn)實和常規(guī)情況下不能完成的內(nèi)容。然而現(xiàn)在的游戲中都大量的使用了VR這樣的名詞，但實際上我們平常所見的那些3D場景，最多只能算是虛擬其效果與現(xiàn)實的境界還相差甚遠。在這些作品當中所進行的互動，也僅僅是面對一個平面的顯示器，用鼠標或者鍵盤等操縱設備來操作角色的運動。這種娛樂方式對娛樂的參與者來說依然是被動的，他的操作只是在程序員制定范圍之內(nèi)的互動，同時參與者不但不能身臨其境的沉浸于作品，也無法依照自己的意愿對作品進行改變或創(chuàng)造。

在普通游戲中，游戲者處于游戲之外，操作著屏幕內(nèi)的角色移動。只要加入碰撞檢測就不可能發(fā)生穿墻而過的情況。但虛擬現(xiàn)實則不同，游戲者與游戲角色是合二為一的，游戲者自己的動作就是游戲主角的動作。計算機可以阻止一個虛假的圖像在墻壁前停止，但它卻很難阻止真人的行動。操作者在虛擬空間中的運動是不受限制的，可以自由行進于這個空間。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于互動娛樂領(lǐng)域三維游戲既是虛擬現(xiàn)實技術(shù)重要的應用方向之一，也為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展起了巨大的需求牽引作用。三維游戲幾乎可以涵蓋虛擬現(xiàn)實的全部技術(shù)。真實感游戲的首要解決問題是創(chuàng)造一個逼真的虛擬世界，一般包括三維模型、三維聲音、三維人物和其他資源等。為了能逼真且實時地繪制極其復雜的虛擬世界，就必須設計合理的模型組織結(jié)構(gòu)，并對虛擬世界中的每個對象精雕細琢地搭建三維模型，這是三維游戲系在構(gòu)建過程中至關(guān)重要的工作。

虛擬現(xiàn)實不僅要求有實時的、逼真的、高解像度的3D場景，而且需要有一套復雜的交互感應設備，以此來實現(xiàn)人與環(huán)境的現(xiàn)實融合，并通過最自然的操作來完成輸入輸出。換句話說，在虛擬現(xiàn)實里，你所能看到和聽到的，只有計算機生成的三維場景，這需要一些特殊的顯示設備，比如頭盔式的液晶顯示器，同時還要有強大的計算機以及圖形系統(tǒng)來生成實時的3D畫面，再伴以一些能夠捕捉空間動作的傳感器來進行輸入輸出操作。人們通過在這個由各種現(xiàn)實世界的復制品或者是純粹幻想構(gòu)建起來的世界里，通過語言環(huán)境產(chǎn)生的互動，獲得酷似真實的體驗。

總之，我們生活在無數(shù)夢想漸漸變?yōu)楝F(xiàn)實的世紀，但當夢想都可以成真后，我們還會有夢嗎？隨著PC技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實在游戲領(lǐng)域也得到了長足的進步。相關(guān)的設備也逐步發(fā)展出了從座艙型、頭戴型、全身體包裹型、全視角反射型以及還在試驗階段的腦神經(jīng)控制型，每一種都有可能成為我們以后的選擇，雖然現(xiàn)在就效果來說它們都還未能達到完全真實的虛擬但是相信隨著技術(shù)的更加進步，虛擬現(xiàn)實游戲不再是遙不可及的夢想。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)所提供的互動性給互動娛樂提供了新的可能性，沉浸式的環(huán)境預告著新世紀的娛樂互動方式，虛擬現(xiàn)實游戲時代已經(jīng)來臨。虛擬現(xiàn)實游戲產(chǎn)業(yè)將作為21世紀最富有想象力的朝陽產(chǎn)業(yè)，必將逐步走入人們的日常生活當中，世界將進入一個虛擬現(xiàn)實游戲時代，虛擬現(xiàn)實游戲業(yè)將成為下一個經(jīng)濟大潮并席卷世界。

參考文獻：

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該成果屬于渭南師范學院大學生創(chuàng)新項目成果。（項目編號11XK042）