虛擬場景制作中的設計要素

摘 要：虛擬場景在制作過程中，受到模型面數、軟硬件配置、網絡環境等多種因素制約，為了達到虛擬現實的最佳沉浸、交互效果，勢必要使用到一些最佳設計元素，本文詳細介紹了虛擬場景制作中設計要素的使用方法。

關鍵詞：虛擬場景；設計要素；沉浸感

作者簡介：王永波（1978-），男，河南新鄉人，在讀碩士，講師，從事動畫、虛擬現實研究工作。

[中圖分類號]：J524 [文獻標識碼]：A

[文章編號]：1002-2139（2013）-21--01

虛擬現實技術作為一門綜合性、交叉性很強的學科，是這些年來十分活躍的技術研究領域。是計算機科學、力學、聲學、光學、藝術學等多種學科匯集的產物，其中包含計算機圖形圖像學、交互仿真、人工智能、多傳感器技術等多項技術。目前，其主要應用于軍事模擬、工業設計、商業展示、醫學仿真、遠程教育、藝術、影視、游戲等眾多領域。虛擬現實的主要特征，包括沉浸感、交互性、構想性和多感知性。[1]沉浸感就是使人在虛擬的環境中能夠達到身臨其境的感覺。在整個虛擬現實開發過程中，虛擬場景的制作效果直接影響到虛擬現實沉浸感。所以，具有真實感的場景建模在整個虛擬現實開發中至關重要。

虛擬現實作品從構造方式來看，是技術性的，但從其可視化的表現形式來看，則是藝術性的。[2]而虛擬場景作為現實世界的仿真復制，在可交互的虛擬環境世界里，蘊涵著其他元素無法比擬的審美特質。在虛擬世界里，它可以使不可能的成為可能。在虛擬場景的制作過程中，場景設置、模型建模、材質繪制、紋理指定、燈光布局等等，無一不涉及到設計元素。虛擬場景中同樣需要傳統的設計基本原則，如模型的主與次、虛與實、繁與簡；色彩的對比與柔和；紋理的清晰與模糊；光線的明與暗等，都需要在虛擬現實作品中得到很好的體現。由于受到網絡速度、軟硬件配置、運行環境等的限制，就需要充分運用設計元素，實現虛擬現實沉浸感的最佳效果。由此可見，虛擬場景建模中設計元素的重要性。

虛擬場景的制作主要包括場景設置、模型創建、材質繪制、紋理優化、燈光布局、攝像機配置、碰撞測試等。文章以MAX和Virtools軟件開發為例，詳細介紹虛擬場景建模是如何設計的。

場景設置是完成虛擬場景空間的分布及規劃。在制作過程中盡量按照真實環境進行設置，比如虛擬場景總面積、樓層高度、房間尺寸、植被分布等。在此基礎上，根據場景的實際需要和設計需求，如需要突出的主體部分、環境規劃、裝飾物分布，適當進行調整，已達到真實或高于模擬現實環境的目的。

模型的建立是創建虛擬場景、實現虛擬交互的基礎，是整個虛擬場景設計的靈魂。有助于提高虛擬場景的真實感和實時交互的速度，使用戶真正地“身臨其境”，提高其設計的藝術效果。主要由模型構成的虛擬場景，模型的處理就顯得尤其重要。要達到真實模擬現實場景的效果，就需要創建非常多的模型細節，這樣勢必會嚴重影響虛擬交互速度，特別是在網絡版的網絡傳輸過程中，由于模型面數過多，場景顯示速度會非常慢，直接影響虛擬交互效果。所以，在建模過程中，往往要在模型的細節和表現效果之間尋求平衡，也就是要保證真實場景效果的前提下充分使用設計元素。根據所要創建模型的不同需求選擇不同的建模方法。例如多邊形建模、面片建模、NURBS建模。在MAX軟件建模過程中，根據仿真要求原則，充分使用編輯多邊形的點、線、面屬性對模型進行優化，消減不必要的面，刪除隱藏預覽不到的面。針對復雜物體模型可以使用NURBS建模方法，在有效控制面數的前提下，保留模型細節。對于更為復雜的虛擬場景，我們可以通過創建物體的多個不同面數模型，在Virtools開發平臺中，使用細節層次顯示技術（LOD），依據視點遠近不同自動調取模型庫中的不同面數模型，提高其顯示

速度。

材質繪制是真實模擬現實環境的一個重要環節，有了它模型不再單調，模型猶如披上豐富多彩、層次分明的外衣，是它具有更加真實的質感。材質繪制需要采集大量原始素材，使用圖像處理技術進行設計加工，達到理想的效果。材質繪制質量的優略直接影響虛擬場景的真實感。

紋理優化能夠極大的提高虛擬場景顯示、交互速度。在虛擬場景中，對于相對次要的模型，可以采用降低模型面數，指定精細紋理貼圖的方法，這種設計方法，既不會降低場景逼真程度，又減少了模型面數，同時可以達到仿真要求。使用紋理優化，不僅是一種實現虛擬場景真實再現的有效方法，也是提高虛擬交互速度的好方法。

燈光的布局用來模擬虛擬場景中的日光、環境光、室內燈光。虛擬場景中的燈光使用需要非常慎重，燈光使用過少，達不到真實模擬效果；燈光使用過多，嚴重影響虛擬場景顯示和虛擬交互運行速度，提高硬件運算負荷。在MAX軟件中，為了能夠真實模擬光影效果，主次光源、環境光源的設定及分布就顯得尤為重要，設計運用到整個燈光的布局之中，設置的燈光也會非常多，同時我們還會使用到其他一些外置渲染器，但是Virtools開發平臺并不支持這些渲染器輸出格式。這就需要使用到烘焙貼圖技術，將設置好的材質、紋理、燈光光影烘焙輸出，烘焙貼圖的使用不僅能夠提高場景逼真的程度，還能夠降低硬件運算負荷，提高顯示及交互運行速度。

在虛擬場景制作過程中，充分使用場景設置、模型創建、材質繪制、紋理優化、燈光布局等提高真實感、藝術感的設計要素，能夠極大的提高仿真效果。使虛擬場景更加逼真，硬件運算負荷更低，虛擬交互運行速度更快。

參考文獻：

[1] 李勛祥. 虛擬現實技術與美學研究[D]. 武漢： 武漢理工大學，2003

[2] 張萍. 基于虛擬現實藝術的軟件界面設計研究[D].長沙： 湖南師范大學，2010