虛擬現實技術漫游系統在軌道車輛上的研究及應用

李芳　邱利偉　王會艷

【摘 要】研究軌道車輛虛擬展示及漫游系統，以3ds Max和Virtools為開發工具，采用輕量化建模方法，解決了海量數據渲染慢和人機實時交互困難的問題。建立虛擬展示平臺，實現以虛擬樣車代替實物模型，為進行產品虛擬體驗及設計方案提供了展示平臺和技術手段。

【關鍵詞】虛擬展示；輕量化；人機交互

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0245-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.115

Research and application of virtual reality technology roaming system in track vehicle

LI Fang QIU Li-wei WANG Hui-yan

（zhongche tangshan locomotive vehicle co.， LTD.，Tangshan Hebei 063000，China）

【Abstract】To study the virtual display and roaming system of rail vehicles， with 3ds Max and Virtools as development tools，a lightweight modeling method is used to solve the problem of massive data rendering and real-time interaction between man and machine. The virtual display platform is established to replace the physical model with virtual prototype， and the platform and technical means are provided for the product virtual experience and design scheme.

【Key words】Virtual display； Lightweight； The human-computer interaction

0 前言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支。現階段，虛擬現實技術已經被廣泛應在工業、醫學、航空、教育等多個領域，取得了很大成就。構建的軌道列車虛擬展示系統，解決海量數據渲染慢和人機實時交互困難的問題，促進鐵路行業的發展水平是勢在必行的。借助虛擬現實漫游展示系統實現軌道車輛的虛擬展示，為進行造型、內裝布置及美工方案變化等提供更先進的研發手段，為設計方案的評審、展示及為公司對新產品進行決策提供方便。將虛擬展示技術應用到軌道列車設計中，可大大減少實物模型和樣車的制造，減少開發成本，縮短開發周期；通過模擬真實場景，供參觀者深入體驗產品的優勢與特色，能展示公司研發制造能力，協助市場營銷，提升企業形象與知名度。

1 虛擬現實漫游系統功能設計

構建軌道列車虛擬展示系統，需要實現列車的外觀和內飾漫游展示、列車駕駛控制、多種設計方案的設備模型切換、顏色紋理切化等功能，及總體天氣系統界面設計。總體技術路線規劃如下圖1：

2 虛擬現實漫游系統數據處理

2.1 三維模型的數據輕量化

虛擬現實場景在計算機上運行是否流暢，與場景中的模型個數、模型面數、模型貼圖這三個方面的數據量相關。軌道列車工程數據量龐大，必須進行模型精簡，只有在前期制作中處理好這三個方面的數據量，以創建出最優化的虛擬現實場景，才能在后期運行時保持較好的幀速率，避免出現運行不流暢、卡幀、停頓等現象。

①減少模型的面數和數量。采用3ds Max多邊形建模方法，對看不見的地方不用建模，或者刪除看不見的面。這樣做有利于提高貼圖的利用率，降低整個場景的面數，以提高交互場景的運行速度。

②對于復雜圖形采用紋理映射。對于復雜圖形采用紋理貼圖的方式來代替多邊形表示模型的細節，從而減少模型的數量，如頂部格柵和通風孔的模型，數量大面數多，實時渲染時會出現鋸齒與閃爍現象，利用貼圖的方式來表現，效果細膩，真實感也很強。

③盡量使用規范和不易混淆的命名規則。模型命名還不規范時，制作虛擬現實交互容易給程序員造成混淆，影響交互功能的制作。

2.2 烘焙技術的應用

烘焙（Render To Texture）技術就是將3ds Max場景中的光影信息渲染成一張貼圖的方式，而后把這個烘焙好的貼圖導入到Virtools編輯器中，再貼回到場景中去，從而得到一個具有真實光影效果的虛擬現實場景。烘培前需要通過多角度地渲染效果圖，來查看燈光效果，以達到后理想的展示效果。

①使用Lighting Map的烘焙方式具有很大優勢。它支持大部分的材質，如多維材質、復合材質等，它僅記錄光線明暗信息，烘焙出來的效果光感好。而且Lighting Map后的模型貼圖坐標可以再次更改，發現貼圖坐標不合適時，可以返回到Max里重新調整后無需再次進行烘焙，導入Virtools編輯器里，其烘焙效果依然存在，避免重復工作。

②適當地降低烘焙時的紋理尺寸。眾所周知，紋理圖越大渲染的效果就越好。烘焙紋理也是一樣。烘焙紋理的大小直接影響最終效果。但紋理過大，對計算機的系統資源的消耗也就越大，渲染速度也會相對變得很慢。因此，對于一個復雜的場景，需要有計劃地進行烘焙設置，對表面積比較大的、多邊形面復雜的應優先考慮使用較大的紋理尺寸。這樣便可節約有限的系統資源，從而獲得高質高效的烘焙結果。

③UV平鋪參數在烘培過程需手動編輯。雖然3ds Max可以自動生成UV平鋪參數，操作非常便捷，但它的平鋪結果時常不能讓人滿意。從烘焙后的結果可以看出，紋理圖中很多空間浪費，并且當物體多邊形既復雜又非常細小時，總是會不可避免的產生一些過小的簇，這些簇在烘焙時常常被忽略，造成黑塊和黑斑。只有通過手工調節才可以解決這一問題。并能較為有效、合理地利用有限的面積，提高烘焙紋理的利用率。

2.3 動態載入技術的應用

虛擬現實作品的運行畫面每一幀都是靠顯卡和CPU實時計算出來的，載入圖片以及壓縮成預覽圖對硬件的消耗較大，一次將這些圖片全部載入系統會耗費非常多的時間，還有可能造成程序的長時間不響應。因此在Virtools中采用了動態載入技術，進行實時場景優化，使列車在進行漫游展示的時候只載入當前畫面的模型和圖片，隱藏視野之外的場景，以降低硬件的承受壓力，提高演示質量。

2.4 模塊的封裝

Virtools中為場景添加交互是通過行為模塊（BB）實現的，使用“Draw Behavior Graph”命令，將各個結構模塊進行封裝，組成一個BB系統，并把必要的可調參數“拉”出來，以便以后的自定義設置，圖3是對于“模塊”的封裝，它可以方便的裝配在場景中的其它模型上，可應用于各類基于Virtools開發的虛擬現實產品中。

3 虛擬現實漫游系統功能實現

通過對虛擬現實技術的研究構建的軌道列車虛擬展示系統，可滿足人機交互、動態漫游、方案變換等。

3.1 漫游展示功能

采用動態展示技術，虛擬漫游環境的圖形渲染是“實時”的，可以任意設置視點，控制前后左右移動，并依據在車廂內人眼的視覺活動范圍設定攝像機視角為向上30°向下150°之間自由旋轉，通過雙擊鼠標實現局部視圖放大功能。系統提供自動漫游和手動漫游兩種方式自由切換。

3.2 系統界面設計

虛擬列車漫游展示系統界面設計，按鈕采用二維幀添加材質，給材質添加附有相應功能文字的圖片，通過BB實現點擊觸發命令。點擊上方三角按鈕可使整個菜單出現或隱藏，通過該菜單可以快速的進入各個車廂，切換手動漫游和自動漫游方式，進行天氣功能切換，聲音及背景音樂的開關，打開操作幫助說明文檔等。

3.3 模擬列車駕駛

模擬列車啟動狀態，點擊啟動按鈕，列車受電弓升起，然后推動速度手柄，列車隨之啟動，速度逐漸達到最高速，最后模擬車輛進站。監測駕駛室內速度手柄推上去多少，反饋回列車當前的目標速度。根據列車的目標速度漸進加速或減速。并根據實際速度移動列車。當列車接近到車站1公里范圍內時，列車轉由車站控制進站減速，并?？空_的位置。停靠完成后，用戶可以再次推速度手柄啟動列車。

3.4 門的開關控制

在列車中漫游過程中，通過觸發條件檢測，可實現自動開門及關門。開關動畫通常在3ds Max中事先設定好，導入Virtools之后通過觸發條件檢測，執行開門和關門的動畫。也可以在Virtools中使用腳本控制，通過點擊按鈕觸發。

3.5 方案材質顏色變換選擇

通過鼠標檢測漫游快捷鍵激活該部位能夠實現的交互需求，可以方便的選擇取可切換的內容。如操縱臺方案可選擇切換、座椅面料紋理可選擇切換等。

3.6 數據處理

列車虛擬現實系統制作完成之后，直接將整個作品以CMO文件格式保存，在需要的時候可以再進行修改和編輯，以滿足不斷發展的各種功能需求。把整個作品以VMO文件格式保存，這種文件可以直接傳播或者發布到網絡上，需要用戶安裝Virtools Web Player播放插件，就可以進行交互操作，我們通常進行方案演示也是通過這種格式進行的。利用Virtools提供的SDK開發工具包，將作品打包成單一的EXE文件，這樣系統就可以在任何的WINDOWS平臺直接運行。

4 結束語

通過虛擬現實技術漫游系統在軌道車輛上的應用研究，解決了海量數據渲染慢和人機實時交互困難的問題，設計和實現了一個可以應用于基于Virtools的各類虛擬軌道列車的漫游展示系統，漫游及交互功能的實現，為進行軌道列車虛擬體驗及設計方案等提供了展示平臺和技術手段。

【參考文獻】

[1]李蘇陽.《3ds max動畫設計與制作》. 北京電子工業出版社，2010.

[2]法國達索公司. 《Virtools Bible》.

[3]謝陽等.《基于Virtools的虛擬商場漫游系統的設計與實現》. 遼寧石油化工大學學報，2012.