基于VR技術(shù)的虛擬場景漫游與交互設(shè)計(jì)

劉丙浩 李佳奇

摘 ?要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種具有極強(qiáng)沉浸性的交叉性技術(shù)，廣泛應(yīng)用于虛擬場景漫游項(xiàng)目的制作。文章以黨建展覽館為例，采用Maya作為場景建模工具，以Unity 3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了黨建展覽館項(xiàng)目第一人稱虛擬漫游，能夠?yàn)轶w驗(yàn)者提供全景展示、場景漫游、歷史事件介紹等服務(wù)。讓學(xué)生成為場景的直接參與者，提高學(xué)生的沉浸性、交互性，使其能夠更加直觀地感受三維空間，找到并解決項(xiàng)目中存在的問題，以此提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);場景漫游;黨建展覽館

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）21-0011-06

Abstract： Virtual reality technology is a cross technology with strong immersion， which is widely used in the production of virtual scene roaming projects. Taking the party construction exhibition hall as an example， this paper uses Maya as the scene modeling tool and Unity 3D virtual reality engine as the development tool to realize the first person virtual roaming of the party construction exhibition hall project， which can provide panoramic display， scene roaming， historical event introduction and other services for the experimenters. Make students become direct participants in the scene， improve students immersion and interaction， make them more intuitively feel the three-dimensional space， find and solve the problems existing in the project， so as to improve students ability of autonomous learning and problem-solving.

Keywords： VR technology; scene roaming; party construction exhibition hall

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality， VR）是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，同時(shí)也是一種多學(xué)科綜合交叉的技術(shù)。由于基于VR技術(shù)開發(fā)制作的虛擬場景，可以讓用戶在體驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)獲得身臨其境的感受，還可以通過事先制作完備的交互設(shè)計(jì)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)全景漫游、360°賞析物品等功能，因此VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于虛擬建筑漫游、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。本文以黨建展覽館為例，基于VR技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)與制作，由于項(xiàng)目具有實(shí)現(xiàn)第一人稱視角漫游和實(shí)時(shí)交互等優(yōu)勢，扭轉(zhuǎn)以往消費(fèi)者所得到的大都是圖片、視頻等形式二維視覺效果的弊端，提高消費(fèi)者的三維空間感受，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 ?虛擬場景漫游

虛擬場景漫游是虛擬漫游的一個(gè)方面，是虛擬場景搭建與虛擬漫游技術(shù)的結(jié)合，因其具有很強(qiáng)的沉浸性、交互性、構(gòu)想性，擺脫了在MAYA、3D MAX軟件中沿用固定的攝像機(jī)路徑進(jìn)行漫游的單一形式，這種漫游更加自由、靈活、方便。所以在虛擬展覽館、虛擬景點(diǎn)旅游、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。目前，在虛擬場景漫游項(xiàng)目的制作中，使用三維軟件進(jìn)行場景搭建是基礎(chǔ)，而虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是實(shí)現(xiàn)漫游、交互的關(guān)鍵。

2 ?Unity3D引擎

Unity3D引擎是一款可以實(shí)現(xiàn)3D互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。目前，該引擎是我校“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”課程中使用的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，也有很多高校和企業(yè)都在利用該引擎進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)。由于可以將項(xiàng)目發(fā)布到PC端、安卓端等端口供用戶體驗(yàn)，如若再配以專業(yè)的硬件設(shè)備，則可以讓用戶感受到身臨其境的效果，被廣泛應(yīng)用于ATM、AEC、游戲、影視動(dòng)畫以及Untiy教育等領(lǐng)域。

3 ?VR黨建展覽館整體設(shè)計(jì)與制作

本文所開發(fā)的VR黨建展覽館，是“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”課程中的一個(gè)綜合項(xiàng)目，其中在模型創(chuàng)建環(huán)節(jié)主要使用MAYA軟件，貼圖使用的是Photoshop軟件，運(yùn)行引擎使用的則是Untiy 3D軟件。在MAYA和Photoshop中進(jìn)行模型和場景美術(shù)制作，在Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中完成場景漫游和交互設(shè)計(jì)與制作，如圖1所示。

3.1 ?場景搭建和美術(shù)設(shè)計(jì)

該環(huán)節(jié)主要是通過MAYA軟件來完成，基本流程包括建模、貼圖、渲染等。側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)場景搭建的整體把握：

（1）展覽館墻體模型制作。展覽館內(nèi)部墻體為白色，前后有兩個(gè)門，兩面墻上有英雄人物介紹，一面墻上有長條狀LED顯示屏，屋頂有五星形狀的燈具。整體布局?jǐn)?shù)據(jù)為，長30米、寬6米、高4米。在建模環(huán)節(jié)，主要利用長方體進(jìn)行墻體的制作，如圖2所示。

（2）兩個(gè)展臺(tái)模型制作。本次制作的內(nèi)容是展覽館中的一間展覽室，因此所需模型的數(shù)量較多，其中還包括兩個(gè)展臺(tái)，所以各個(gè)展臺(tái)的位置、比例都需要提前設(shè)計(jì)好。展臺(tái)高為1.2米，寬為1.2米，玻璃架外寬為1.4米，如圖3所示。

（3）LED顯示屏模型制作。通過縮放擠出等命令由長方體變形而來，長3.5米，高1.2米。主要用來播放相關(guān)視頻，豐富展覽館的內(nèi)部環(huán)境，如圖4所示。

（4）汽車、槍支模型制作。這兩個(gè)模型是主要的展示物品，需要仔細(xì)認(rèn)真地完成每一個(gè)制作環(huán)節(jié)，例如：輪胎、車門、車座椅等模型都需要制作。然而由于模型細(xì)節(jié)過多，若一一制作，過多的面數(shù)必定會(huì)影響項(xiàng)目運(yùn)行速度，所以對(duì)汽車和槍支內(nèi)部不可見的零件進(jìn)行了簡化處理，如圖5所示。

（5）人物展板模型制作。主要是在長方體的基礎(chǔ)上，按照一定的尺寸進(jìn)行縮放擠出，此外還需執(zhí)行復(fù)制、擺放步驟。

3.2 ?美術(shù)設(shè)計(jì)

美術(shù)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)預(yù)想的畫面效果，對(duì)模型進(jìn)行UV拆分，然后使用Photoshop軟件進(jìn)行貼圖的繪制與處理。該項(xiàng)目中第一類貼圖的制作主要是對(duì)現(xiàn)有素材進(jìn)行校色、剪切、摳圖等處理;由于場景中一些特定的圖形圖案需要制作者親自設(shè)計(jì)，因此第二類貼圖的制作基本上是由制作者自己繪制的。

主要考查學(xué)生對(duì)燈光、色彩的掌握情況：

（1）展覽館墻體貼圖制作。由于展覽館墻體不會(huì)有過多的圖案，因此展覽館墻體貼圖采用的是整體亮白色。

（2）人物展板貼圖制作。這部分貼圖制作工作量比較大，展板數(shù)量多，需要在Photoshop軟件中逐一調(diào)整素材大小比例關(guān)系，最終在MAYA軟件中將貼圖指定給模型。

（3）汽車、槍支貼圖制作。在建模時(shí)考慮到面數(shù)過多會(huì)影響場景在Untiy 3D引擎中的運(yùn)行效率，對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化處理。為此對(duì)這兩個(gè)模型貼圖的繪制要精細(xì)、逼真，除了常規(guī)的color貼圖之外，還繪制了凹凸貼圖，通過貼圖的細(xì)節(jié)彌補(bǔ)模型細(xì)節(jié)方面的缺失，從而提高體驗(yàn)者的視覺效果，如圖6所示。

3.3 ?漫游環(huán)節(jié)效果制作

在將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎之前，對(duì)場景進(jìn)行了清理和優(yōu)化：

（1）刪減重疊的面，尤其是刪掉在漫游過程中看不到的面。

（2）過濾掉不需要的材質(zhì)球、空組、空節(jié)點(diǎn)等無效數(shù)據(jù)。

（3）刪除在模型制作階段創(chuàng)建的所有燈光、攝像機(jī)，避免與Untiy 3D引擎中的燈光、相機(jī)產(chǎn)生沖突。

在Unity3D中新建一個(gè)項(xiàng)目文件并以英文命名，這樣可以避免文件損壞。然后，將搭建好的場景導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，為下一步的工作做好準(zhǔn)備。

制作自動(dòng)漫游大致分為兩步：

（1）第一人稱視角的漫游效果制作。首先，在場景中加載、激活Xdreamer插件，創(chuàng)建一個(gè)Xdreamer根節(jié)點(diǎn);然后，新建一個(gè)“行走相機(jī)”，這樣就可以通過W、A、S、D四個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)模擬人走路的視角;最后，創(chuàng)建碰撞體，避免行走相機(jī)穿出墻體，如圖7所示。

（2）自動(dòng)漫游效果制作。在已創(chuàng)建Xdreamer根節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，新建一個(gè)“動(dòng)畫相機(jī)”，然后根據(jù)展覽館內(nèi)部的空間布局，新建多個(gè)cube作為錨點(diǎn)，將它們放置在設(shè)計(jì)好的路線上形成一條路徑，用來控制漫游相機(jī)的移動(dòng)路徑，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊“動(dòng)畫相機(jī)”按鈕即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游效果，如圖8所示。

3.4 ?交互功能制作

交互功能的制作，能夠?qū)崿F(xiàn)人與環(huán)境的互動(dòng)，本項(xiàng)目中主要圍繞以下三種交互功能進(jìn)行制作：

（1）汽車、槍支模型旋轉(zhuǎn)效果制作。首先，新建一個(gè)button，將其命名為“坦克旋轉(zhuǎn)”，將按鈕的文本名稱改為“汽車自動(dòng)旋轉(zhuǎn)”;然后，新建一個(gè)狀態(tài)機(jī)，創(chuàng)建“按鈕點(diǎn)擊”組件，并且對(duì)“按鈕點(diǎn)擊”組件進(jìn)行重命名，分別為“汽車旋轉(zhuǎn)”和“槍支旋轉(zhuǎn)”，將“汽車旋轉(zhuǎn)”和“槍支旋轉(zhuǎn)”的按鈕組件拖拽到“按鈕點(diǎn)擊”屬性中的插槽里面;最后到狀態(tài)庫中找到“自動(dòng)旋轉(zhuǎn)”組件，將汽車模型、槍支模型分別拖到“旋轉(zhuǎn)”組件對(duì)象節(jié)點(diǎn)上，然后測試、調(diào)整旋轉(zhuǎn)一周使用的時(shí)間和鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)的速率，邏輯交互編輯連接：“進(jìn)入”—“汽車旋轉(zhuǎn)”/“槍支旋轉(zhuǎn)”—“自動(dòng)旋轉(zhuǎn)”。

（2）熱點(diǎn)介紹效果制作。首先，在編輯器窗口中找到所需的工具包，新建“熱點(diǎn)”（關(guān)閉自動(dòng)縮放功能）調(diào)整大小比例和位置;然后，新建一個(gè)“image”，選擇之前在Photoshop中制作的圖案將其導(dǎo)入到image中;最后，新建一個(gè)文本框，輸入與人物相符的簡介，調(diào)整文本的字體、字號(hào)、顏色、行間距等項(xiàng)目。其他的人物介紹或物品介紹與所舉例子相同，因此可以通過復(fù)制的方法，快速設(shè)計(jì)、制作出其他項(xiàng)目的文字介紹，但是文本介紹必須與人物信息相符。邏輯交互編輯連接：“進(jìn)入”—“熱點(diǎn)點(diǎn)擊”—“文字介紹”。

（3）多媒體素材的播放與暫停。首先，創(chuàng)建Xdreamer根節(jié)點(diǎn)，將所需的視頻素材先后拖入到資源面板、項(xiàng)目制作窗口，關(guān)閉Paly on Awake屬性（運(yùn)行狀態(tài)下自動(dòng)播放），命名為“視頻”;然后，創(chuàng)建一個(gè)按鈕，并且將按鈕名稱改為“視頻播放”;最后，在狀態(tài)庫/多媒體選擇“視頻”組件中，將視頻素材拖拽到“視頻”組件屬性中的“視頻源”節(jié)點(diǎn)上。邏輯交互編輯連接：“進(jìn)入”—“視頻播放”，如圖9所示。

3.5 ?界面布局及UI設(shè)計(jì)與制作

在VR黨建展覽館項(xiàng)目的開發(fā)制作過程中，使用Photoshop軟件進(jìn)行UI的設(shè)計(jì)與制作，主要使用了鋼筆、仿制圖章等工具，用到的UI圖標(biāo)很多，例如：行走相機(jī)、漫游相機(jī)、視頻播放等。該環(huán)節(jié)最重要的目標(biāo)是使UI風(fēng)格統(tǒng)一、顏色統(tǒng)一、比例統(tǒng)一，如圖10所示。

3.6 ?項(xiàng)目功能測試與發(fā)布效果制作

在這一測試環(huán)節(jié)中，最重要的一點(diǎn)是測試運(yùn)行狀態(tài)下漫游功能及交互功能能否順利實(shí)現(xiàn)，有沒有運(yùn)行上的BUG;另一點(diǎn)是檢查界面布局是否美觀、大方，是否存在不合理的地方，如存在不合理之處則再次修改和完善，直至項(xiàng)目的運(yùn)行和界面布局沒有任何瑕疵，最后執(zhí)行“發(fā)布”。

4 ?結(jié) ?論

虛擬現(xiàn)實(shí)場景漫游技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一個(gè)模塊，也是一項(xiàng)綜合的計(jì)算機(jī)技術(shù)。本文所開發(fā)的VR黨建展覽館是課程教學(xué)中一個(gè)綜合的教學(xué)項(xiàng)目，使用MAYA、Photoshop和Unity3D三個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)了黨建展覽館兩種不同的漫游方式，以及多個(gè)交互設(shè)計(jì)。以實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)和制作為載體，提高課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生的操作技能和解決實(shí)際問題的能力。

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作者簡介：劉丙浩（1993.03—），男，漢族，山東濱州人，講師，碩士，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)、新媒體;李佳奇（1994.08—），女，漢族，河北石家莊人，助教，碩士，研究方向：環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。