基于Unity 的《AR 槍械》的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭偉國(guó)，栗昊

（平頂山學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院（軟件學(xué)院），平頂山467000）

0 引言

隨著智能手機(jī)的普及，人們通過(guò)手機(jī)圖片和視頻去觀察了解事物，但是不能從三維視角下觀看物體的方方面面。AR 的優(yōu)勢(shì)就在于能夠把原本在現(xiàn)實(shí)物理世界中難以體驗(yàn)到的真實(shí)的感官信息，通過(guò)科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實(shí)世界被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[1]。而AR 技術(shù)的這一優(yōu)勢(shì)能幫助人們?cè)谔搶?shí)結(jié)合的場(chǎng)景中有更好的交互體驗(yàn)。槍械并不是每個(gè)人都能接觸到的物品，但又有很多人對(duì)槍械特別感興趣。眾多人的愛(ài)好需求和社會(huì)現(xiàn)狀出現(xiàn)了矛盾，《AR 槍械》通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間。AR 技術(shù)使真實(shí)場(chǎng)景與虛擬物體無(wú)縫對(duì)接，通過(guò)《AR 槍械》這一科普軟件，用戶能夠以立體真實(shí)的視角，增強(qiáng)用戶對(duì)槍械知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，了解槍械科技的發(fā)展。

1 項(xiàng)目策劃

《AR 槍械》能夠讓用戶通過(guò)掃描槍械平面識(shí)別圖來(lái)觀察三維的槍械模型，并且會(huì)出現(xiàn)槍械數(shù)據(jù)和槍械歷史，用戶可以通過(guò)閱讀屏幕上的內(nèi)容來(lái)了解所掃描的槍械的數(shù)據(jù)及歷史。并且三維槍械模型出現(xiàn)后，用戶可以通過(guò)滑動(dòng)屏幕旋轉(zhuǎn)模型，滿足用戶全方位觀察槍械的需求。

啟動(dòng)AR 程序，用戶能夠看到開(kāi)始識(shí)圖、藏品、項(xiàng)目設(shè)置、項(xiàng)目幫助和退出項(xiàng)目等五個(gè)按鈕。用戶點(diǎn)擊開(kāi)始識(shí)圖，項(xiàng)目會(huì)跳轉(zhuǎn)到識(shí)圖界面，用戶通過(guò)槍械識(shí)別圖獲取該槍械的三維模型。通過(guò)單個(gè)手指在手機(jī)屏幕上下左右滑動(dòng)控制模型上下左右旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個(gè)手指間的距離變小時(shí)模型縮小，當(dāng)距離變大時(shí)模型放大。用戶可通過(guò)數(shù)據(jù)和歷史按鈕來(lái)查看該槍械的相關(guān)數(shù)據(jù)和歷史介紹。用戶也可選擇截圖、收藏和退出等功能。

用戶點(diǎn)擊藏品按鈕，項(xiàng)目會(huì)進(jìn)入到藏品界面，在藏品界面用戶可查看槍械藏品的三維模型及該槍械的槍械數(shù)據(jù)和槍械歷史，用戶也可選擇取消收藏該槍械。通過(guò)設(shè)置按鈕可跳轉(zhuǎn)到設(shè)置界面，用戶可以通過(guò)滑條控制項(xiàng)目音效大小。通過(guò)射擊體驗(yàn)按鈕可跳轉(zhuǎn)到射擊體驗(yàn)場(chǎng)景，可以使用自己選擇的槍進(jìn)行射擊體驗(yàn)。通過(guò)項(xiàng)目幫助按鈕可跳轉(zhuǎn)到項(xiàng)目操作介紹界面，用戶點(diǎn)擊退出按鈕，退出項(xiàng)目界面。

2 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)技術(shù)

《AR 槍械》應(yīng)用程序主要運(yùn)用Unity3D 游戲引擎、Vuforia 軟件開(kāi)發(fā)工具包和C#腳本語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目UI 主要運(yùn)用Photoshop 和Unity 軟件進(jìn)行制作，項(xiàng)目中的槍械3D 模型主要運(yùn)用Maya 軟件進(jìn)行建模。《AR 槍械》在項(xiàng)目策劃的基礎(chǔ)上，首先完成了槍械3D 模型、項(xiàng)目UI 等設(shè)計(jì)工作，然后進(jìn)行AR 識(shí)圖、槍械收藏、資源加載、截圖、藏品展示、項(xiàng)目幫助、項(xiàng)目設(shè)置、射擊體驗(yàn)等功能的開(kāi)發(fā)。項(xiàng)目中的槍械數(shù)據(jù)使用JSON 進(jìn)行存儲(chǔ)。項(xiàng)目模塊間采用了單例模式進(jìn)行通信。

項(xiàng)目資源準(zhǔn)備方面，除了模型、UI 效果圖之外，實(shí)現(xiàn)AR 槍械的關(guān)鍵一環(huán)就是識(shí)別圖的制作了。

首先，在Maya 中渲染出槍械模型的正視圖，保存其位置，作為AR 槍械模型的渲染圖；然后，在Vuforia的官網(wǎng)（https://developer.vuforia.com/）注冊(cè)并登錄賬號(hào)，通過(guò)官網(wǎng)Add Database 按鈕創(chuàng)建槍械數(shù)據(jù)庫(kù)Firearms?Database；最后，在數(shù)據(jù)庫(kù)界面點(diǎn)擊Add Target 按鈕，選取制作的渲染圖，完成一個(gè)識(shí)別圖的添加。重復(fù)前面步驟，添加其他槍械識(shí)別圖，完成識(shí)別圖數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建。

3 項(xiàng)目功能設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，類圖設(shè)計(jì)起到承上啟下的作用，對(duì)上是用例分析的結(jié)果，對(duì)下是系統(tǒng)代碼設(shè)計(jì)的藍(lán)本[2]。類圖也是描述系統(tǒng)詳細(xì)功能設(shè)計(jì)的有效方式之一，能夠描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中類與類之間的聯(lián)系，也能夠?qū)︻惖膬?nèi)部構(gòu)成加以說(shuō)明[3]。AR 識(shí)圖、資源加載、藏品展示是整個(gè)項(xiàng)目里面最核心的幾個(gè)功能，在進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的初期，首先要完成各個(gè)功能模塊的類圖設(shè)計(jì)。

3.1 AR識(shí)圖功能設(shè)計(jì)

AR 槍械軟件啟動(dòng)后，當(dāng)用戶點(diǎn)擊應(yīng)用軟件上的識(shí)圖功能，打開(kāi)相機(jī)，相機(jī)對(duì)準(zhǔn)識(shí)別圖進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)不同的槍械識(shí)別圖，用戶能識(shí)別出不同的槍械模型，并對(duì)識(shí)別出的模型進(jìn)行放大縮小和旋轉(zhuǎn)操作。

AR 識(shí)圖類圖如圖1 所示，類GameManger 和類MyDefaultTrackableEventHandler 之間是依賴關(guān)系。設(shè)計(jì)單例類GameManger 儲(chǔ)存識(shí)別的槍械的名字，在該類中設(shè)計(jì)string 類型name 字段儲(chǔ)存槍械名稱，設(shè)計(jì)方法SetFirearmsName（）獲取槍械名稱。設(shè)計(jì)類MyDefault?TrackableEventHandler 解析識(shí)別圖數(shù)據(jù)庫(kù)以及實(shí)現(xiàn)模型的加載，在該類中設(shè)計(jì)GameObject 類型的pregabs儲(chǔ)存槍械模型資源，設(shè)計(jì)方法OnTrackingFound（）加載模型，設(shè)計(jì)方法OnTrackingLost（）刪除模型。

圖1 AR識(shí)圖功能類圖

3.2 資源加載功能設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶掃描槍械識(shí)別圖時(shí)，加載對(duì)應(yīng)的槍械模型，當(dāng)用戶點(diǎn)擊菜單欄中的數(shù)據(jù)按鈕時(shí)會(huì)加載并顯示當(dāng)前槍械的數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶點(diǎn)擊菜單欄中的歷史按鈕時(shí)會(huì)加載并顯示當(dāng)前槍械的歷史信息。

資源加載類圖如圖2 所示，資源加載功能有關(guān)類的設(shè)計(jì)如下：類CollectionUIManager 和類UIManager 都與類InventoryManager 存在依賴關(guān)系，類InventoryMan?ager 和類Firearms 組合關(guān)系。設(shè)計(jì)類InventoryManager通過(guò)JsonLoadFirearms（）方法實(shí)現(xiàn)對(duì)Item.Json 文件的解析，解析槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab。類Col?lectionUIManager 和類UIManager 實(shí)現(xiàn)對(duì)類Inventory?Manager 解析的槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab 加載到相應(yīng)位置。設(shè)計(jì)類UIManager，在該類中設(shè)計(jì)方法DataButtonClick（）和HistoryButtonClick（）實(shí)現(xiàn)在識(shí)圖場(chǎng)景當(dāng)用戶點(diǎn)擊數(shù)據(jù)或者歷史按鈕時(shí)，顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖2 資源加載功能類圖

3.3 藏品展示功能設(shè)計(jì)

藏品展示功能為了滿足藏品場(chǎng)景的互動(dòng)性和簡(jiǎn)潔性進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，當(dāng)用戶點(diǎn)擊主界面的藏品按鈕，進(jìn)入藏品界面，在藏品界面的右邊是收藏的槍械列表，左邊是槍械的數(shù)據(jù)以及歷史，中間是槍械模型，用戶能滑動(dòng)中間屏幕旋轉(zhuǎn)、放大和縮小槍械模型，也能滑動(dòng)歷史Panel 查看完整的歷史介紹。當(dāng)用戶點(diǎn)擊藏品列表的槍械時(shí)，在對(duì)應(yīng)位置顯示所點(diǎn)擊槍械的模型、數(shù)據(jù)以及歷史。

藏品展示功能類的設(shè)計(jì)如下：類CollectionUIMan?ager 和類InventoryManager 之間是依賴關(guān)系，類Inven?toryManager 和類Firearms 之間是組合關(guān)系。在類Col?lectionUIManager 中設(shè)計(jì)方法Init（）實(shí)現(xiàn)控制藏品場(chǎng)景中槍械列表的刷新；對(duì)類InventoryManager 解析的槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab 加載到相應(yīng)位置，設(shè)計(jì)方法CollectionButtonClickTo（）實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶點(diǎn)擊槍械列表中的槍械圖標(biāo)時(shí)，加載對(duì)應(yīng)槍械的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab。類Firearms 用來(lái)存放槍械對(duì)象，在類Inven?toryManager 中設(shè)計(jì)方法JsonLoadFirearms（）解析的槍械數(shù)據(jù)，槍械數(shù)據(jù)都是按照類Firearms 對(duì)象的狀態(tài)儲(chǔ)存在內(nèi)存中，方便查找。

藏品展示功能的類圖設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 藏品展示功能類圖

4 項(xiàng)目功能實(shí)現(xiàn)

4.1 AR識(shí)圖功能實(shí)現(xiàn)

在SampleScene 場(chǎng)景的Hierarchy 面板中鼠標(biāo)右鍵創(chuàng)建Vuforia Engine Image，并在該Image 的Inspector面板中點(diǎn)擊選擇Image TargetBehavior 中的Type 為Predefined，Database 為FirearmsDatabase，ImageTarge為槍械中的一個(gè)，并將Image 的名稱改為選擇的Imag?eTarge 的名稱一致。重復(fù)上述步驟完成所有槍械Im?age 的制作。

為所有Image 槍械添加MyDafaultTrackableEven?tHandler 腳本，在這個(gè)腳本中編寫(xiě)名字為OnTrack?ableStateChanged（）方法，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)通過(guò)該方法中的Stattus 屬性去解析識(shí)別到的圖片是否是當(dāng)前Image圖片，如果不是繼續(xù)識(shí)別，如果是當(dāng)前圖片將調(diào)用名字為OnTrackingFound（）方法將該槍械模型加載到內(nèi)存中，通過(guò)GameObject 類型的gameobj 去索引模型，通過(guò)Instantiate 方法將gameobj 加載到場(chǎng)景中，完成對(duì)應(yīng)槍械模型的加載，實(shí)現(xiàn)識(shí)圖功能。AR 識(shí)圖功能效果圖如圖4 所示。

圖4 AR識(shí)圖功能效果圖

4.2 資源加載功能實(shí)現(xiàn)

在項(xiàng)目場(chǎng)景的Hirerarchy 面板創(chuàng)建空物體，創(chuàng)建InventoryManager 的腳本并加載在空物體上，通過(guò)腳本中的JsonLoadFirearms 方法，以文件讀寫(xiě)的方式讀入Items.Json 文件中槍械編號(hào)、槍械名稱、槍械收藏狀態(tài)、槍械歷史、槍械重量等槍械資源。通過(guò)firearmsList 列表存儲(chǔ)JSON 解析的全部槍械數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GetFire?armsState（）方法獲取某個(gè)槍械的所有數(shù)據(jù)。

在識(shí)圖場(chǎng)景，當(dāng)用戶識(shí)別槍械后，用戶點(diǎn)擊菜單欄中的數(shù)據(jù)按鈕，該按鈕通過(guò)監(jiān)聽(tīng)事件通過(guò)MainMe?nuButtonClick（）方法通過(guò)GameManager 類獲取當(dāng)前槍械的名稱name 字段，在通過(guò)DataButtonClick（）方法將槍械名字name 發(fā)送給InventoryManager 類的GetFire?armsText 方法，該方法將返回一個(gè)Firearms 對(duì)象，該對(duì)象存儲(chǔ)著當(dāng)前槍械的數(shù)據(jù)信息，獲當(dāng)前數(shù)據(jù)后，將槍械數(shù)據(jù)發(fā)送給Datapanel 面板寫(xiě)的DataText 的Text 文本，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；當(dāng)用戶點(diǎn)擊HistoryButtonClick按鈕時(shí)，重復(fù)數(shù)據(jù)按鈕方法，將槍械歷史顯示在屏幕上。

4.3 藏品展示功能實(shí)現(xiàn)

藏品展示功能的實(shí)現(xiàn)效果圖如圖5 所示，該功能的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）給藏品場(chǎng)景中的Canvas 掛在CollectionUIMan?ager 腳本，當(dāng)場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)，該腳本將通過(guò)Init 方法獲取場(chǎng)景中的藏品展示列表CollectionPanel 以及面板下的所用子物體。

（2）在場(chǎng)景中的Hirerarchy 面板中創(chuàng)建一個(gè)空物體，命名為InventoryManager，再掛載InventoryManager腳本，當(dāng)場(chǎng)景運(yùn)行時(shí)，該腳本將運(yùn)行腳本中的JsonLoad?Firearms（）方法，將Items.Json 文件中的數(shù)據(jù)讀入Fire?List 列表中。Items.Json 文件中通過(guò)State 存儲(chǔ)槍械的狀態(tài)，通過(guò)查看FireList[n].state 的值來(lái)確定槍械是否收藏。

（3）在場(chǎng)景中類CollectionUIManager 通過(guò)UpdateS?ceneCollectionFirearmsList（）方法將從InventoryManager類的GetCollectionNameList（）方法中獲取的收藏中的槍械名稱存儲(chǔ)TextList 列表內(nèi)，并依次在CollectionPan?el 通過(guò)Init（）方法將槍械名稱加載到藏品列表中，在屏幕上顯示。根據(jù)當(dāng)前列表中槍械名稱，通過(guò)Resource.load（）方法將槍械對(duì)應(yīng)的圖片，從Resource 文件夾內(nèi)加載到列表中。

5 結(jié)語(yǔ)

AR 槍械這款應(yīng)用程序，用戶通過(guò)手機(jī)掃描槍械識(shí)別圖，識(shí)別出槍械模型；用戶通過(guò)資源加載功能讀寫(xiě)槍械配置資源，以在UI 界面顯示槍械數(shù)據(jù)信息和歷史信息；用戶通過(guò)藏品展示功能，收藏喜愛(ài)的槍械。另外，用戶還可以運(yùn)用槍械模型進(jìn)行射擊體驗(yàn)，享受射擊的快樂(lè)。

圖5 藏品展示功能效果圖