Virtools引擎開發(fā)虛擬漫游系統(tǒng)的具體過程及關(guān)鍵技術(shù)分析

□ 沈有福 石連栓

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，其軟硬件方面都有了極大的提升，從而人們對計(jì)算機(jī)的畫面質(zhì)量、維度顯示都有了更高的要求。近來，3D電影越來越受人們的喜愛，究其原因，無非就是3D電影采用了新的三維視覺效果來呈現(xiàn)故事內(nèi)容，它使觀看者更加覺得自己融入電影的世界中，即增強(qiáng)了用戶的沉浸感。那么，在三維環(huán)境呈現(xiàn)的基礎(chǔ)上再加上人機(jī)互動，使用戶親身進(jìn)入三維環(huán)境，并且通過簡單的鍵盤或者鼠標(biāo)操作就可以自由控制人物，瀏覽整個(gè)虛擬場景，這樣的一種虛擬漫游系統(tǒng)也一定會受到人們的歡迎，如2010年的上海世博會虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可分為桌面式、分布式、沉浸式以及增強(qiáng)式四種類型，一般的虛擬漫游系統(tǒng)均屬于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它具有沉浸感、構(gòu)想性、交互性以及多感知性四個(gè)特點(diǎn)。那么如何開發(fā)一個(gè)桌面式的虛擬漫游系統(tǒng)，接下來，筆者將結(jié)合親身開發(fā)的一個(gè)虛擬漫游系統(tǒng)系統(tǒng)來闡述其具體過程及關(guān)鍵技術(shù)。

二、開發(fā)過程

一個(gè)虛擬漫游系統(tǒng)包括的幾個(gè)要素有人物角色、環(huán)境場景、實(shí)體物件、控制系統(tǒng)以及其他附屬效果（天氣、聲音、火焰等）。因此，開發(fā)過程主要分為以下幾個(gè)階段（圖1）。

如圖1所示，一個(gè)虛擬漫游系統(tǒng)的開發(fā)主要包括素材收集、人物模型操作、實(shí)體物件模型的修改以及控制腳本的編寫。其中素材收集主要包括圖片/貼圖、人物模型以及實(shí)體物件模型；人物模型操作包括骨骼、蒙皮、封套及動作的制作；實(shí)體物件模型包括貼圖創(chuàng)建及修正，模型調(diào)整及優(yōu)化，父子關(guān)系、坐標(biāo)及尺寸設(shè)定；控制系統(tǒng)部分包括模型導(dǎo)入及調(diào)整，燈光、攝像機(jī)架設(shè)，材質(zhì)的修正，物體屬性設(shè)定以及控制腳本的編寫。

虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)的過程可分為上述四個(gè)階段，在開發(fā)的過程中各個(gè)階段是相互聯(lián)系、相互影響的。如人物動作制定好后，導(dǎo)入Virtools中發(fā)現(xiàn)人物的動作不協(xié)調(diào)，顯得并不真實(shí)，則需返回3d max中重新制作動作。因此，在開發(fā)之前，一定要將所有可能發(fā)生影響的因素以及可能發(fā)生的結(jié)果進(jìn)行具體規(guī)劃考慮。

三、關(guān)鍵技術(shù)分析

一個(gè)虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)很多，如素材收集階段搜索引擎的使用，人物模型操作階段坐標(biāo)、尺寸的設(shè)定，Virtools中物體模型的調(diào)整等。筆者使用的開發(fā)軟件為3d max 9以及Virtools 5.0。文中主要針對以下幾方面技術(shù)進(jìn)行闡述：1）人物角色模型骨骼架設(shè)，蒙皮及封套編輯，動作制作及導(dǎo)出；2）實(shí)體物件模型材質(zhì)制定及模型優(yōu)化；3）Virtools中燈光架設(shè)及材質(zhì)修正；4）物體模型屬性設(shè)定；5）角色腳本控制；6）碰撞處理機(jī)制；7）攝像機(jī)架設(shè)及腳本控制。

（一）人物角色制作

為了表現(xiàn)出較為真實(shí)的漫游效果，虛擬角色的存在是必不可少的。對于虛擬角色的制作步驟，分為以下三點(diǎn)：1）人物角色模型骨骼架設(shè)；2）蒙皮及封套編輯；3）動作制作及導(dǎo)出。

1.人物角色模型骨骼架設(shè)

人物角色模型建立好后將其位置置于世界坐標(biāo)中心位置（0，0，0），將人物角色模型凍結(jié)，以免在調(diào)整骨骼的時(shí)候不小心破壞掉源模型。創(chuàng)建骨骼（Biped），在體型模式下利用移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、鎖定工具，并且配合捕捉工具調(diào)整骨骼，使其與模型的位置和大小均匹配。

圖1 虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)過程

2.蒙皮及封套編輯

調(diào)整好骨骼后，解凍人物角色模型，選中模型，添加蒙皮修改器。然后進(jìn)入封套級別進(jìn)行每一塊骨骼影響模型位置及權(quán)重。影響位置通過封套半徑來控制，權(quán)重設(shè)定可通過權(quán)重表來實(shí)現(xiàn)。

3.動作制作及導(dǎo)出

骨骼及蒙皮編輯好后就可以制作人物角色動作了，一般動作的制定可以通過3d max中動作編輯器來實(shí)現(xiàn)。由于開發(fā)者自己調(diào)整的動作并不是非常自然、協(xié)調(diào)，稍微復(fù)雜點(diǎn)的動作可以加載外界以制作好的動作BIP文件，結(jié)合軌跡視圖，根據(jù)需要進(jìn)行修改。人物角色走路的動作可以利用3d max中足跡模式來實(shí)現(xiàn)自然流暢的效果。動作制作完畢，在導(dǎo)出時(shí)，應(yīng)先將骨骼隱藏，再將角色模型以character類型導(dǎo)出，動作則以animation類型導(dǎo)出。

（二）實(shí)體物件模型材質(zhì)制定及模型優(yōu)化

為展示出形象、逼真的虛擬場景，需要為模型添加材質(zhì)。在添加材質(zhì)的時(shí)候，需要注意幾個(gè)問題：1）根據(jù)不同的模型賦予材質(zhì)不一樣的名稱；2）材質(zhì)類型的選擇盡量使用Virtools支持的材質(zhì)類型，如標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)、多維/子對象材質(zhì)等；3）盡量減少使用貼圖，因?yàn)橘N圖非常耗費(fèi)系統(tǒng)資源，如果能夠采用3d max中自己調(diào)的材質(zhì)，如簡單物體顏色及反射光設(shè)定，就可以極大地加快系統(tǒng)運(yùn)行速度；4）如果使用貼圖則需使用2的冪次方文件大小的圖片，減少內(nèi)存浪費(fèi)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的儲存機(jī)制為二進(jìn)制；5）如果需要使用陰影，可將材質(zhì)烘焙好再賦予模型。

通常建模時(shí)主要采用多邊形建模的方式，放樣、NURBS等建模方式配合使用。為了保證模型在后期Virtools中顯示正確，模型建立好以后要全部轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形或者可編輯網(wǎng)格，避免凹多邊形的面出現(xiàn)。為了減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，需要對模型進(jìn)行優(yōu)化處理：1）刪除不可見面，移除孤立的頂點(diǎn)，刪減模型的面數(shù)，適當(dāng)減少模型分段；2）一樣的模型使用實(shí)例方式復(fù)制，材質(zhì)相同的模型使用合并材質(zhì)；3）一些模型，如樹木等采用十字交叉面片創(chuàng)建；4）遠(yuǎn)處物體，如背景或者較小的物體，使用圖片來實(shí)現(xiàn)；5）草地、花叢等模型利用面片來制作等。

（三）Virtools中燈光架設(shè)及材質(zhì)修正

模型導(dǎo)入Virtools，調(diào)整好位置后，則應(yīng)該先為其架設(shè)燈光，燈光可分為主光和輔光。在Virtools中，燈光分為點(diǎn)光源、聚光燈以及目標(biāo)聚光燈三種類型。點(diǎn)光源可理解為泛光燈，用于全局照明；聚光燈用于表現(xiàn)實(shí)物理世界中以點(diǎn)光源作為照明的燈光，比如射燈、筒燈等；目標(biāo)聚光燈用于表現(xiàn)表現(xiàn)真實(shí)物理世界中的陽光，這是平行光的一大特點(diǎn)，而且平行光不用考慮燈光的衰減。

模型導(dǎo)入Virtools中如果為黑色，需要調(diào)整模型的材質(zhì)自發(fā)光。Virtools中物體材質(zhì)的表現(xiàn)要結(jié)合模型自身材質(zhì)的環(huán)境光、漫反射、透明度以及自發(fā)光參數(shù)以及架設(shè)的燈光來進(jìn)行調(diào)整。另外，可以利用材質(zhì)屬性面板中的Effect增強(qiáng)空間環(huán)境的真實(shí)性。

（四）物體模型屬性設(shè)定

在虛擬漫游系統(tǒng)中，用到的物體屬性包括地板屬性、固定障礙物屬性、移動障礙物屬性等。雨、雪、霧、噴泉等效果可以用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，配合利用系統(tǒng)的屬性包括粒子系統(tǒng)導(dǎo)向板以及粒子系統(tǒng)交互器。

在層級管理器中，選中要添加屬性的物體，添加屬性，或者在物體的設(shè)置面板，左側(cè)選擇其屬性項(xiàng)標(biāo)簽也可以實(shí)現(xiàn)添加屬性操作。如果需要移除物體的某一個(gè)屬性，在物體設(shè)置面板中屬性標(biāo)簽選擇要移除的屬性項(xiàng)右鍵執(zhí)行刪除即可。

（五）角色腳本控制

準(zhǔn)備工作做好以后，如果想讓角色動起來，就需要為人物角色添加控制腳本。通常情況下我們可以使用Virtools中 Building Blocks下面的Keyboard Controller、Character Controller以及Character Keep On Floor三個(gè)BB模組來實(shí)現(xiàn)人物控制及保持在地板上。使用這種方法，人物后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和跑的動作控制對應(yīng)鍵盤按鍵是固定的，即2、4、6、8及Insert按鈕。如果想要改變動作對應(yīng)按鍵以及設(shè)定一些其他參數(shù)，可以使用Keyboard Mapper、Unlimited Controller以及Enhanced Character Keep On Floor模組來進(jìn)行操作。實(shí)現(xiàn)人物碰撞效果的腳本，將在下面“碰撞處理機(jī)制”中進(jìn)行闡述。

（六）碰撞處理機(jī)制

在虛擬漫游系統(tǒng)中使用到的人物與物體碰撞檢測方法主要有以下三種：1）物體障礙物屬性設(shè)定配合Prevent Collision BB模組；2）碰撞網(wǎng)格（Grid）配合Layer Slider BB模組；3）碰撞群組配合Object Slider BB模組。實(shí)現(xiàn)方法分別為：1）為碰撞物體添加固定障礙物屬性，在人物角色控制腳本中添加Prevent Collision BB；2）創(chuàng)建Grid，將Grid中對應(yīng)障礙物的各個(gè)網(wǎng)格選中，在人物角色控制腳本中添加Layer Slider BB；3）創(chuàng)建一個(gè)群組，將需要實(shí)現(xiàn)碰撞的物體全部放進(jìn)去，人物角色控制腳本中添加Object Slider BB，模組中參數(shù)選擇創(chuàng)建的碰撞群組。Prevent Collision BB在檢測到碰撞時(shí)，人物會產(chǎn)生碰撞效果，但是人物不會滑動，而包含“Slider”的BB則會產(chǎn)生一定的滑動效果，防止人物卡住。為了達(dá)到較好的碰撞效果，應(yīng)將上述幾種方法結(jié)合使用。

（七）攝像機(jī)架設(shè)及腳本控制

漫游系統(tǒng)中，針對人物角色，一般有第一人稱視角、第三人稱視角、跟隨視角以及全景視角。這幾種視角實(shí)現(xiàn)的方法大致相同，區(qū)別在于攝像機(jī)的位置及視野位置、范圍的差異。

調(diào)整好視圖，創(chuàng)建攝像機(jī)，并制定初始值，為攝像機(jī)添加腳本，加入Set Position和Look At BB，連接循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)跟隨角色移動（圖2）。實(shí)現(xiàn)按鍵控制不同視角之間的切換功能，加入Switch On Key和Set As Active Camera兩個(gè)BB模組，設(shè)定按鍵及對應(yīng)的攝像機(jī)即可（圖3）。

圖2 攝像機(jī)控制腳本

圖3 攝像機(jī)切換腳本

四、Virtools引擎應(yīng)用前景展望

Virtools引擎可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。目前全世界有超過270所大學(xué)使用Virtools，已經(jīng)獲得許多媒體技術(shù)學(xué)系學(xué)生的肯定和支持，并且越來越多的多媒體技術(shù)公司開始應(yīng)用Virtools開發(fā)其產(chǎn)品，如水晶宮、奇士等公司。由此可見，Virtools引擎的應(yīng)用前景十分看好。

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