基于VR技術的虛擬仿真生活體驗館設計與實現

胡萍+蔣紀平+趙明富+劉媛媛

摘要：虛擬現實技術通過計算機控制系統形成三維空間場景，使個體沉浸于虛擬環境中，提升個體在虛擬環境中的交互能力。運用虛擬現實技術，結合新鄉市荷葉鯽魚農民專業合作社發展現狀，構建虛擬場景模型，運用圖、文、動畫等多媒體技術，開發具有交互功能的仿真生活體驗館，探討了虛擬仿真交互技術在水產業中的應用開發價值。

關鍵詞：虛擬現實技術；虛擬仿真生活體驗館；荷葉鯽魚；3ds Max；VRP

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：16727800（2017）004010303

0引言

隨著計算機技術和三維圖形軟件的發展，利用數字化手段對真實場景仿真的虛擬技術成為計算機應用領域熱點。虛擬仿真生活體驗館不受時空限制，與傳統會展結合，能更好更快地傳遞信息。將虛擬仿真交互技術應用到水產業中，根據養殖基地真實場景和產品情況生成逼真的三維場景，用戶通過鼠標或鍵盤點擊拖拽，身臨其境地漫游在體驗館中，與環境和產品交互，得到全新的體驗。該技術極大地提高了農業水產品資源利用率，有效促進了農業信息化發展。

1虛擬現實技術及系統開發工具

1.1虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或幻真技術。虛擬現實是用現代高科技手段虛構出來的一種人工模擬現實環境，它能模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能。虛擬現實技術的最終目的是提高人的認知能力，促進人與環境交流，更深入開發人類智慧[1]。虛擬現實技術通過計算機控制系統形成三維圖形空間，利用跟蹤技術、人機接口技術、傳感技術、人工智能技術等產生逼真的“虛擬環境”，使用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。

1.2系統開發工具

本文運用虛擬現實技術及建模軟件進行設計，使用的軟件有： 3ds Max，即3D Studio Max，是Discreet公司開發的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，是目前應用最廣泛的三維動畫制作軟件，具有強大的建模、動畫、材質和渲染功能。 VRP：Virtual Reality Platform，簡稱VR-Platform或VRP，即虛擬現實平臺。VRP是一款由中視典數字科技有限公司獨立開發的一款虛擬現實軟件，可以較好地進行三維場景模型導入、后期編輯、交互操作、特效操作、界面設計及打包發布等。 Photoshop：處理或繪制三維貼圖，為模型制作精良貼圖。

2設計思路

新鄉市衛濱區荷葉鯽魚農民專業合作社是一家集水產養殖、休閑垂釣、品牌化運營、無公害水產品專賣、農超對接于一體的專業合作經濟組織[2]，由一個體驗中心和3個養殖魚塘組成。合作社主養魚類品種為淇河鯽魚和彭澤鯽魚，嚴格按照國家無公害標準進行生態養殖。模擬荷葉鯽魚農民合作社養殖基地的虛擬仿真生活體驗館，輔助人們感受水產虛擬環境，供消費者和相關技術人員參觀學習，指導鯽魚養殖技術推廣，推動農產品銷售。 開發流程：前期結合數碼相機和Photoshop獲得虛擬現實模型的紋理貼圖；中期使用3ds Max搭建虛擬模型；后期將構建模型導入虛擬交互平臺軟件VRP中進行場景驅動，并設置漫游和交互，如圖1所示。

3設計與實現

3.1前期分析

建模開始之前要進行場景分析，即分析場景建筑、場景環境、場景布局、基礎設施等。主要數據資料有：①紋理數據采集。前期使用數碼相機現場拍攝，后期利用Photoshop進行處理，制作成三維模型的材質貼圖，使整體效果更貼近真實場景；②建筑物尺寸。合作社提供房屋、魚塘等大型建筑的相關數據，按照實物建筑1：1建模；③其它數據資料。場景中其它細小模型相關數據來源于實地測量。

3.2模型構建

3.2.1模型建立 模型是整個虛擬仿真生活體驗館設計的基礎，它的好壞及逼真度直接影響整個虛擬環境的真實性，常規建模方式主要有兩種：①采用標準幾何體建模，該建模方式較為簡便并且便于后期貼圖；②采用標準幾何體模型組合方法建模，通過紋理添加使模型逼真，既簡化建模過程，縮小文件容量，又不影響模型整體效果。此外，在建模中應遵循一個原則：在保證視覺對象不失真的前提下，盡量采用最簡單的模型[3]。 根據以上要求，荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館的場景模型設計為3個部分： （1）房屋及魚塘模型。場景模型中有一個荷葉鯽魚體驗中心和3個養殖魚塘。體驗中心建模主要根據相關數據制作相應的標準幾何體模型，將標準幾何體模型組合成完整的體驗中心模型；魚塘及魚塘周圍的土壤建模主要使用“線”繪制出基本輪廓，再通過擠壓操作形成面片效果。 （2）場景中欄桿及其它模型。場景中的欄桿雖然不是重點模型，但比例相當大，也是整個場景中不可或缺的部分。欄桿模型的構建與房屋及魚塘方法不同，必須使用圓柱體構建模型。一個圓柱體模型至少需要14個側面才能保證其輪廓完整，本文大面積的欄桿建模需要將近1 500根大小長短不一的圓柱體，欄桿模型中至少有24 000個面數，建模工作量大。結合場景及欄桿特點，采取建立高精度模型方案，對其渲染并保存為PNG圖片，如圖2所示。再新建一個平面模型，將保存的PNG圖片賦給平面，即通過貼圖平面來表現欄桿模型，如圖3所示。這樣，經過高精度建模后只需要一個面就可以達到完全相同的效果。通過該表現手法制作出來的欄桿雖然提高了渲染速度及系統實時性，但視覺對象缺少一定的真實性，即在頂視圖中模型缺乏立體感。因此，欄桿模型頂部的圓柱依然采用標準圓柱體來表現。 荷葉鯽魚農民專業合作社中除了荷葉鯽魚體驗中心、魚塘和欄桿外，還有如自動投料機、門亭、馬路等。這些模型的構建主要使用基本幾何體表現出輪廓即可。

3.2.2場景貼圖及烘焙 建模貼圖效果好壞決定場景的逼真性及渲染的好壞，本虛擬仿真生活體驗館的重點建筑物為體驗中心及魚塘，遵循不重復使用貼圖和一個建筑物一張貼圖的原則進行貼圖。為了保證場景渲染及后期交互的流暢性，非重點建筑物貼圖遵循不必非常清晰的原則進行貼圖。此外，整個場景中均將貼圖的背景色改成和貼圖本身色調類似的顏色，以減少在UVW展開時出現匹配不準或有明顯白邊和黑邊的現象。 建模完成后，對整個場景添加燈光效果，并按照常規烘焙操作進行場景烘焙，最終荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館三維模型如圖4所示。

3.3交互驅動

3.3.1模型導入VRP 考慮到3ds Max與VRP的兼容性，在使用3ds Max創建的模型導入到VRP編輯器之前，需要安裝VRPformax插件，利用該插件將烘焙好的場景通過插件導入到VRP中。3.3.2交互動畫設計 在虛擬仿真生活體驗館中實現實時漫游以及逼真效果，〖HJ*3〗需要在VRP系統中創建行走、飛行、動畫相機，添加天空盒、太陽光暈，并要對場景中的建筑物和植物等設置物體碰撞規則。 （1）交互動畫。荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館設計的游覽模式為兩種：漫游模式和游客模式，漫游模式為不需要引導的自動游覽模式，而該館設計的最終目的是能夠實現在場景中通過人物游走瀏覽各個部分，即游客模式。游客模式主要利用VRP設置行走相機，通過鼠標或鍵盤操作控制游覽方向，實現交互。實現交互首先要創建骨骼動畫作為目標人物，調整骨骼的身高比例并放到適當位置，通過動作庫為骨骼添加“休閑站立”、“原地行走”等動作，最后添加角色控制相機綁定目標人物。這樣，在瀏覽過程中就可以通過鼠標或鍵盤操作控制目標人物，在場景中自由行走，以游覽者身份觀察整個場館。另外，場景中若只有一個目標人物，畫面過于單調，為了使場景豐富，添加了多個骨骼動畫，效果如圖5所示。

（2）特效設計。在設置好瀏覽模式后，為了模擬室外場景，選擇適合場景的天空盒效果，并對其角度進行旋轉，使光線的攝入方向與場景中的投影方向一致，再適當添加光暈效果。光暈效果角度和高度與天空盒光線方向、太陽光照方向相融合。這樣添加特效后，場景更加美觀逼真。 （3）交互按鈕設計。虛擬仿真生活體驗館的另一特點是通過鼠標觸發事件控制相應內容，如瀏覽模式切換、音樂開關設置，以及通過添加文字、圖片、動畫，甚至鏈接數據庫、網頁或加載視頻等功能，向使用者介紹場館情況。主要使用VRP的初級界面和高級界面，在場景中添加控制按鈕，再結合相應的腳本程序，實現按鈕控制。 （4）瀏覽模式按鈕設計。在該體驗館中，主要通過觸發事件即按鈕來控制相機的轉換和交替，場景中設計了兩個動畫相機漫游，分別為行走動畫即游客模式和環繞動畫即漫游模式實現生活館的虛擬展示，如圖6所示。

（5）荷葉鯽魚種類介紹設計。荷葉鯽魚種類介紹通過服務控制平臺實現，采用添加文字、圖片及Flash動畫的形式制作相應介紹，再通過按鈕觸發，結合相應的腳本程序進行控制，如圖7所示。 （6）背景音樂設計。為了給使用者視聽覺雙重感受，增強場景的真實感染力，在該虛擬仿真生活體驗館中添加了背景音樂，并對背景音樂進行了相關屬性設置，可自動循環播放。同時使用音樂開關觸發控制按鈕，通過該按鈕可以暫停和播放音樂。此外，添加了音樂大小控制滑桿，結合腳本語言精致控制音樂音量大小。

3.3.3系統輸出與發布 動畫設計完成后，可將其發布為單獨的可執行文件EXE演示DEMO，也可輸出為網絡發布的VRPIE文件。綜合考慮多方面因素，選擇將作品發布為可執行的EXE文件，不過在使用時要注意相應的環境配置，如顯示器屏幕尺寸、顯卡性能等，否則可能影響展示效果。

4結語

本文通過3ds Max、VRP及Photoshop軟件構建了荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館。隨著硬件、軟件技術的不斷成熟，虛擬現實技術在農業中的應用極大地加快了農業技術的現代化進程，場景的逼真性和實時交互性受到廣大用戶喜愛，在農業領域的應用前景越來越廣闊。采用虛擬現實技術設計的荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館具有真實性、交互性、易實現性等特點，較好地滿足了消費者的使用需求，促進了水產品與現代科技結合，為農業信息化提供了可靠手段。

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（責任編輯：杜能鋼）