VR技術在數字場館中的應用

王棟

摘要：在全球化、信息化、數字化的今天，VR作為先進的信息化、數字化技術，成為科技領域的一個重要入口，在模擬的三維虛擬世界中，使用者能夠享受更加真實、感同身受的體驗，是一種全新人機交互的形式，近年來虛擬現實產品獲得了廣泛的發展，本文研究VR技術在數字場館中的應用。

關鍵詞：VR 三維虛擬建模; 數字場館

VR是一門新興的信息技術，其能創造逼真的應用場景，讓使用者體驗到了從未有過的真實感，提供與場景的良好互動等特性，日益受到人們的歡迎和關注，未來隨著VR的發展和普及，VR將被應用于許多行業，如展覽、醫療、地產、旅游、培訓等，我們甚至可以預見，VR將會影響我們的生活習慣，與我們的日常緊密結合起來?？傊琕R是互聯網智能終端硬件發展的必然趨勢，將顛覆重塑眾多領域的生活生產形態，具有廣闊的應用領域和市場前景。[1]

在虛擬環境中，通過相應的設備，用戶可以與環境產生相互作用，根據用戶的操作，環境會作出相應的反應，用戶從而很自然的與虛擬世界中的對象進行交流，用戶從觀察者成為此環境的主人，用戶感覺進入了真實世界，VR提供了一個可以拓展思維想象的空間，這個空間可以設置為不受限制的現實空間，乃至現實中不可達的場景。從仿真技術研發角度來說，VR技術是仿真技術研發的一個重要方向，也是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合。[2]

1 場館三維虛擬建模

場館三維虛擬建模主要是進行場館漫游系統虛擬設計，在眾多因素中，視覺是最真觀、形象的用戶體驗，因此形象、逼真的呈現場景成為重要的功能需求，場館三維虛擬建模是基于圖形和圖像的混合建模。

首先從幾何建模來說，利用計算機輸出幾何實體，采用表示、控制、分析方法，利用已有的三維造型軟件，對虛擬的實體和環境的外觀采用人工建模方式進行處理，用計算機畫出許多各種多邊形所模擬的立方體外形，也即形體的描述和表達。其次基于圖像建模就是建立物體的幾何模型，幾何模型利用圖像（真實物照片）來做，基于圖像來確定物體外觀、物體幾何結構、動力學特性、光照明特性、反射特性。最后基于圖像的建模僅能提供虛擬環境，沒有實體場景對比，這種環境中難以實現用戶與實體之間的交互，如果用戶需要與場景中對象進行交互，這種對象須是幾何模型實體，虛擬建模的設計結果是要求具有逼真度、真實感、實時性，而基于圖形和圖像混合建模技術具備了這樣的優勢。

準備制作場館三維虛擬建模所需要的資料，收集CAD圖紙及相關數據資料，對CAD圖紙進行信息過濾，去掉圖層中不需要的部分，對于必須存在的圖層如：場館里的房間、標志、照明等要保留下來。由于三維場館模型圖建立在二維場館平面模型圖的基礎之上，所以二維場館平面圖的數據準確度、比例是否合適，對于三維場館虛擬圖的作用至關重要。二維場館虛擬建模底圖完成后，導入到3ds Max中，3ds Max是集建模、材料、燈光、渲染、動畫、輸出等于一體的全方位3D制作軟件，它可以為創作者提供多方面的選擇，滿足不同的需要。[3]創建模型時須要關心到的是，如果這個面是看不見的，可以刪掉，如果地方是看不見的，不需要建模，從而降低場景面數，提高場景交互運行速度。場館房間場景建模，房間分為辦公區和公共區，辦公區供場館工作人員使用，公共區為公眾使用的房間如健身房、閱讀區等，場館里燈模型的創建使用十字面片方法，模型被創造在可視紋理的平面物體上，場館里路面建模時，對底圖進行場館路面空出，使用環境反襯方法進行。

2 模型紋理貼圖

在貼圖時要具有對場館的真實理解和分析，貼圖的質量和尺寸直接影響了模型的美觀程度，經過細致的調整貼圖才能使虛擬場景擁有體驗的真實感。制作紋理貼圖可以利用相機實地拍攝的方法，采集場館的紋理圖片，建議使用三腳架固定拍攝，這樣正射貼圖紋理更自然、真實，如果有無法拍攝的位置，可以使用相關紋理在Photoshop軟件里繪制。拍攝出來的圖片在Photoshop軟件里，利用位移和仿制等工具把圖片處理成無縫貼圖。在做模型之前需要整理出自己的貼圖庫，這樣在做模型的時候，從貼圖庫里能找到對應的貼圖，貼的就比較方便了。貼圖庫按照類型進行歸類，貼圖的名稱按照場景模型名稱保存，貼圖不能出現前綴名相同情況，否則在烘焙后系統自動將名稱相同貼圖轉化，在導入VRP后，其中一張前綴名相同的貼圖會被另一張貼圖所取代。在虛擬場景中，如果場景容納的數據量很大，那么需要對該場景進行優化，通過簡單模型和合適貼圖來展現，同時在虛擬場景中，建議使用最少的面數模型和最少的貼圖來實現。采用紋理貼圖建?？梢院喕Ｐ蛷碗s過程進行細節處理，相對固定材質更有真實效果。

3 場景烘焙制作

將場景中所布置好的燈光效果與貼圖的紋理結合，運行轉變成新的貼圖，再貼回原模型，目的是為了得到具有光影效果場景。烘焙前的檢查很重要，要先對虛擬展示場景的各個角度進行渲染，觀察是否有重疊、破面等不理想的情況，進行調整，通過渲染的效果觀察燈光效果，這也是節約虛擬展示場景制作時間的必要工作。在烘培的時候有時可能會出現軟件崩潰，所以及時做好備份，方便及時找到文件再次烘焙。烘焙完成后導入到VRP軟件平臺的貼圖是紋理與光照結合成的新貼圖展示，這樣以普通貼圖的方式就能達到較好的虛擬展示。數字場館場景模型較多，在制作時的烘焙速度跟計算機的性能有直接關系。當多邊形與面之間細密存在的物體進行UV平鋪設置時，會出現很小的簇，導致整體場景會出現黑斑、黑塊現象，這時可以在合理范圍內，把Threshold Angle值增加或者手工調節簇等。從烘培對模型的要求來說虛擬場景初始建模時盡可能避開多邊形密集分布的地方，這樣可以更好的提高烘培質量。

4 虛擬場館交互設計

完成了上面的內容之后，三維場館虛擬圖的設計場景依然只是一個靜態的場景，交互設計是能讓場景動起來的重要步驟，交互設計可以讓用戶與虛擬場館中的對象模型進行實時的交流互動。在VRP 中構建 GUI 窗口，進行風格、尺寸等屬性設定，進行該窗口導入并設定內容，進行結構布局分配。首先是VRP 編輯器，我們可以利用它進行 3D 場景向 VRP 編輯界面導入進行編輯與制作的操作。其次是VRP腳本編輯器，利用該編輯器可以根據場館需要來設置各種交互功能，它是所有交互腳本的一個集合，可以通過它給模型、圖片等添加交互腳本。對于系統函數來說，是自帶函數，如在程序運行時，進行變量值設置、開啟背景音樂等。所用觸發函數響應VRP場景的鼠標移出、移出模型等觸發事件。最后是ATX 動態貼圖編輯器，該編輯器用于編輯動畫貼圖，為了實現場館視覺的真實感，用戶可借助它編輯獨立幀文件，設置每幀的停留時長，從而做到非等時動畫序列，在做這種效果時，先制作類似的模型，然后結合動態貼圖，效果會更好。在運行時，可看到模型顯示的是動態圖片，類似于avi效果。如場館里的景觀處的噴泉就是以ATX動態貼圖實現。

5 生成文件發布

在用VRP編輯器制作調整好場館虛擬設計場景之后，需要將做好的場景打包，通過VRP 編輯器的打包功能，編譯成可執行文件，生成虛擬數字場館系統，如果要增強場景的漫游功能效果，可利用腳本編輯器進行干預，完成解說、音樂等添加。

6 結束語

通過VR技術創造出虛擬數字場館，用戶雖然接觸的是虛擬現實技術創建的模型，但用戶感覺到如同在真實世界中一樣的感覺，而過去的人機交互所無可比擬的，而從數字場館的應用我們也可以推導出，VR技術將越來越深入到我們平常的工作、生活、學習中，我們也可以預見，VR技術將得到更好的發展，更好的服務于人們。

參考文獻

[1]楊栗洋，陳建英，曾華林. ?VR戰略：從虛擬到現實的商業革命[M]. 北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]周錫冰. ?VR新未來[M]. 北京：中國人民大學出版社，2018.

[3]易盛. 虛擬現實：沉浸于VR夢境[M]. 北京：清華大學出版社，2019.