基于Android虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉紅 王艷艷 北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院通信工程系

1 基于Android的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

信息時(shí)代促進(jìn)了Android移動(dòng)終端技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與融合。這兩種技術(shù)的迅速發(fā)展，為人們提供了更人性化的便捷服務(wù)。基于Android的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用戶(hù)直接使用制作好的虛擬搖桿UI,不需要復(fù)雜的輸入設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作，及時(shí)的在便于攜帶的Android移動(dòng)終端實(shí)時(shí)查看場(chǎng)景變化，不受網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間，地點(diǎn)的限制。

2 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開(kāi)發(fā)流程

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),第一部分的主要工作是利用3ds Max建模工具創(chuàng)建毛澤東故居的3D模型，然后在Phtooshop軟件制作故居周?chē)h(huán)境的紋理貼圖，將制作好的紋理貼圖賦予給模型，并導(dǎo)出模型為FBX格式，完成模型的導(dǎo)出工作；第二部分的主要工作是將模型導(dǎo)入到Unity工程中，渲染場(chǎng)景，設(shè)置場(chǎng)景參數(shù)，給模型添加AudioSouse腳本，導(dǎo)入EasyTouch5.0.12資源包，制作虛擬搖桿UI，并編寫(xiě)互動(dòng)腳本。完成基于Android虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)操作，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)

攝像機(jī)是一個(gè)非常重要的用于顯示虛擬場(chǎng)景的組件，在Unity3D的攝像機(jī)用來(lái)將虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)到屏幕上。攝像機(jī)可以用Perspective（透視）或Orthographic（正交）方式投影渲染對(duì)象。本系統(tǒng)采用攝像機(jī)的正交投影，運(yùn)用“Up”、“Down”、“Left”、“Right”鍵控制攝影機(jī)向左、向右、向前、向后運(yùn)動(dòng)。設(shè)置攝像機(jī)渲染路徑，利用鼠標(biāo)、搖桿等輸入設(shè)備控制虛擬場(chǎng)景漫游的觀察角度，實(shí)現(xiàn)第一人稱(chēng)場(chǎng)景漫游。

2.2.2 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是兩個(gè)物體相互接近利用碰撞器來(lái)檢測(cè)對(duì)象是否發(fā)生碰撞，通過(guò)PlayerSlideDoor對(duì)象進(jìn)行控制碰撞器被觸發(fā)，PlayerSlideDoor對(duì)象綁定TriggerOnTag腳本處理碰撞。碰撞器是Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的組件，它包含諸如BoxCollider，CapsuleCollider，SphereCollider，MeshCollider，WheelCollider，TerrianCollider等類(lèi)，這些碰撞器應(yīng)用的場(chǎng)合不同，本系統(tǒng)選擇BoxCollider，首先為碰撞檢測(cè)的對(duì)象添加BoxCollider，開(kāi)啟觸發(fā)器功能，再修改其size屬性，確保可以完全包圍待檢測(cè)對(duì)象，最后設(shè)置BoxCollider的IsTrigger屬性為ture。完成以上步驟之后，通過(guò)TriggerOnTag腳本處理碰撞事件，編寫(xiě)互動(dòng)腳本，并將其指定于待檢測(cè)對(duì)象。

2.2.3 3D拾取

在虛擬環(huán)境漫游過(guò)程中，用戶(hù)需要通過(guò)觸擊2D屏幕瀏覽3D物品，或利用鼠標(biāo)選取環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，這個(gè)過(guò)程需要3D拾取技術(shù)。3D拾取是將2D信息轉(zhuǎn)化成3D信息，所以必須對(duì)信息進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)計(jì)算得出正確的結(jié)果。

3D拾取技術(shù)之所以復(fù)雜，是因?yàn)樵摷夹g(shù)跨越了流水線的多個(gè)階段。從攝像機(jī)投射空間到viewport的變換中，攝像空間中的一個(gè)頂點(diǎn)v經(jīng)過(guò)線性插值變換將投影平面上的2D投影點(diǎn)變換到齊次裁剪空間CVV中，通過(guò)CVV裁剪，并且頂點(diǎn)進(jìn)行透視除法，將從4D齊次形式變回成3D齊次形式，再經(jīng)過(guò)Viewport Transformation最終將點(diǎn)變換到viewport中。將點(diǎn)的位置信息進(jìn)行處理后，再通過(guò)逆處理將頂點(diǎn)從viewport中變換到投影平面。因此用戶(hù)在手機(jī)屏幕上點(diǎn)擊一個(gè)位置，即點(diǎn)擊事件的觸發(fā)，實(shí)際上得到的是viewport中的點(diǎn)擊位置，標(biāo)記為p0（XP0,YP0），通過(guò)線性插值公式如公式（1），把P0變換到CVV中得到P1（XP1,YP1），緊接著將P1通過(guò)線性插值的逆運(yùn)算變換到plane of projection中，得到P2（XP2,YP2），X方向的線性插值逆運(yùn)算變換公式如公式（2）所示：Y方向變換公式同理計(jì)算。P2就是點(diǎn)擊的位置處于投影面的2D點(diǎn)，拾取一個(gè)3D對(duì)象，需要將2D信息拓展到3D中，需要進(jìn)行線性模型中的射線ray方式，在屏幕上點(diǎn)擊位置確定一條射線，射線射向3D模型，從攝像機(jī)到屏幕空間的觸摸點(diǎn)發(fā)出一條射線，這條射線第一個(gè)撞到的3D物體默認(rèn)是被選中的物體。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 3D模型的構(gòu)建

三維虛擬毛澤東故居構(gòu)建需要注意場(chǎng)景尺寸、單位長(zhǎng)度、模型塌陷、命名、坐標(biāo)、貼圖格式、材質(zhì)等。制作流程如圖2所示：

圖2 3D模型制作流程

3.2 毛澤東故居模型

從3ds Max導(dǎo)入到Unity3D的Assets文件中，需要注意3ds Max和Unity3D兩個(gè)軟件中默認(rèn)的單位長(zhǎng)度，為了最大程度地簡(jiǎn)化3ds Max導(dǎo)出及Unity3D導(dǎo)入FBX文件的工作，3d Max系統(tǒng)單位設(shè)置為“厘米”，Unity3D系統(tǒng)單位設(shè)置為“米”。三維虛擬毛澤東故居場(chǎng)景構(gòu)建設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 場(chǎng)景構(gòu)建設(shè)計(jì)

3.3 毛澤東故居的場(chǎng)景優(yōu)化

資源的使用會(huì)影響性能，所以完成場(chǎng)景構(gòu)建后需要場(chǎng)景優(yōu)化。為了優(yōu)化場(chǎng)景，則需減少模型數(shù)量，所以可以將相同材質(zhì)的模型合并在一起；減少材質(zhì)貼圖數(shù)量，可以將多張貼圖合并，模型共享一張貼圖，并且盡可能壓縮貼圖，減少位數(shù)。

3.4 虛擬毛澤東故居發(fā)布與展示

在安卓端的產(chǎn)品使用方法比較簡(jiǎn)單，如圖4所示，首先把虛擬毛澤東故居app拷貝到安卓手機(jī)中，或者通過(guò)掃描生成的二維碼，然后安裝，打開(kāi)app運(yùn)行，這樣就可以體檢虛擬毛澤東故居3D漫游。手機(jī)界面效果如圖5所示。

圖4 毛澤東故居app安裝流程

圖5 手機(jī)界面效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以3ds Max為工具完成建模,利

用unity3d引擎，采用C#編寫(xiě)腳本，使用攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬毛澤東故居系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)虛擬搖桿控制移動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)環(huán)境漫游及場(chǎng)景切換，展示室外構(gòu)造及周?chē)h(huán)境的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便,開(kāi)發(fā)成本低,場(chǎng)景的真實(shí)感和交互性在Android移動(dòng)終端完全能夠滿足用戶(hù)需求。

基于Android虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探索了通過(guò)可游、可視、可互動(dòng)、可聽(tīng)的有趣虛擬展示方式讓用戶(hù)感受良好的情境體驗(yàn)，更有助于用戶(hù)的信息感知。同時(shí)也是對(duì)毛澤東故居歷史文化傳播方式的新探索。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)代的出現(xiàn)，將給各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)全新的體驗(yàn)和變化，推動(dòng)了新時(shí)代的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并且給人們帶來(lái)生活方式的改善和社會(huì)的進(jìn)步。

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