基于VR技術的虛擬花卉展覽系統設計與實現

摘 要：虛擬現實技術能夠給用戶帶來沉浸式、交互式的感受。本文首先介紹在虛似現實開發中常用的3ds max和Unity 3D兩種工具主要功能。接著，對花卉展仿真系統進行系統需求設定，提出系統設計的模塊功能，最后，給出實現需求的技術和實現策略。

關鍵詞：虛擬現實技術;三維建模;Unity 3D

福建漳州地處東南沿海地區，每年通過舉辦海峽兩岸花博會來推介當地特色花卉，擴大花卉交易量。2020年以來，受新冠疫情的影響，現場參觀人數受到了很大的限制，因此，借助虛擬現實技術來構建一套虛擬化可視化的花卉展覽場景模型，讓用戶產生沉浸式體驗，成為了一種較為可行的展覽替代方案。通過Unity3D 技術開發出花卉展覽應用場景，可使用戶足不出戶地實現對展出花卉的全角度觀賞。

1、相關技術

1.1 建模工具3ds max

3ds Max全稱3D Studio Max，是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，具有較強大的建模和渲染功能，可堆疊的建模步驟功能，使制作模型的過程有非常大的彈性。使用者可在該軟件中進行場景設置、建筑材質設計、場景動畫設置、運動路徑設置、計算動畫長度、創建攝像機并調節動畫游戲等操作，并將操作結果如模型、動畫應用、角色裝備、紋理、材質、LOD、燈光和攝影機等以FBX的文件格式傳輸至游戲引擎（如 Unity、Unreal Engine 和 Stingray）。

1.2 游戲引擎Unity 3D

Unity 3D是Unity Technologies公司開發的三維游戲制作引擎， 是實時3D互動內容創作和運營平臺。包括游戲開發、美術、建筑、汽車設計、影視在內的所有創作者，可借助Unity 3D將創意轉換為虛擬現實成果。Unity3D引擎開發的內容可以運行在瀏覽器、移動設備、游戲主機和增強現實與虛擬現實設備上。

2、系統需求

虛擬花卉展覽系統可為用戶提供第一人稱視角的瀏覽方式，系統按花卉種類劃分展館，客戶通過菜單方式進行展館的選擇。

當用戶靠近花卉時，花盆可緩慢旋轉，并在旁邊列出花卉的情況介紹，讓用戶能夠多角度、全方位的觀賞和了解花卉，為客戶營造出一個寧靜的、令人放松的舒適空間。

3、系統設計

虛擬花卉展覽系統設計功能模塊如圖1所示，可分為3D花卉素材庫和Unity3D漫游展館兩大模塊。其中3D花卉素材庫通過對花卉進行真實拍照后進行建立，3ds max建模出來的3D花卉模型庫和花卉建模所需要的通過Photoshop軟件加工后的花卉貼圖三部分組成。Unity3D漫游則是利用Unity3D引擎實現場館選擇、第一人稱漫游、花卉旋轉展示和人物碰撞檢測四部分功能。最后導出發布生成WebGL。

4、系統實現

4.1 數據采集

虛擬花卉展覽系統中花卉展覽主要是漳州本地的特色花卉，如蘭花、水仙花和三角梅等，由于這幾類花卉的品種繁多，造型各一，因此需要收集大量真實的花卉圖片從而形成分類花卉圖庫。開發人員利用相機到展覽館實地拍攝花卉，特別是花朵和花徑等部位的特寫鏡頭，方便后期3D建模對造型和細節進行控制。

4.2? 三維花卉制作

4.2.1構建花卉造型

花卉建模中，方式主要為幾何建模。開發人員需要再VR中重點對花朵和葉子進行加工處理。首先，選擇現有主流3ds max軟件，利用其強大的建模功能，對花卉進行整體建模，以水仙花為例 ，首先做兩條長方形的平面，兩頭削尖，再進行旋轉，做出葉子。使用圓柱體進行建模花根，再頭頂使用工具擠出放大，做出頭狀;使用線工具勾勒出葉子的形狀，轉化為樣條線進行調整。使用圓柱體制作花瓣，利用圓柱體上面和下面刪除，選擇線將上面花頭部分進行放大，紋路可以使用畫筆工具或者手動隨機選點進行繪制。將葉子進行多次復制，在隨機旋轉，使得葉子的轉動方向不同，更加真實，花瓣進行旋轉復制，將花蕊塞入花瓣中心，加上盆栽地盤，就可初步完成花卉建模工作。

4.2.2 紋理映射

紋理映射即為紋理貼圖技術，此技術可以使制作出來的花卉模型真實感增強。在采集花卉素材時，利用高倍鏡頭采集花卉中的細節，經過UV展開圖將事先采集的圖像“覆蓋”到物體模型的表面，通過對花卉進行貼圖制作提高花卉的真實感。

4.2.3法線帖圖

法線貼圖是三維計算機圖形中一種凹凸貼圖技術的應用，可以在不增加模型多邊形的情況下，在濃淡效果中添加細節，使物體具有特殊的立體視覺效果。利用Photoshop法線貼圖插件將合適的平面貼圖處理生成法線貼圖，然后在3ds max模型烘焙后導入Unity3D中。

4.3 素材導入unity進行交互設計

4.3.1場館選擇

利用Untiy編輯多個場景，每個場景建一個花卉主題館，通過OnGUI系統中Button控件來讓用戶選擇場景，使用Application中的LoadLevel方法實現場景的切換。

4.3.2第一人稱漫游

通過Unity系統中的CharacterControl組件定義第一人稱、第三人稱和隱含角色等功能。在場景中添加第一人稱角色后，攝像機就可像角色的眼睛一樣在世界中漫游。

4.3.3人物碰撞檢測

第一人稱在展館中漫游時，為了能夠真實模仿現實中的場景，Unity3D中提供碰撞體的物理組件，能夠快速解決用戶在漫游中穿墻的問題。Unity3D中提供Box Collider、Spher Collider、Capsule Collider、Mesh Collider等多種碰撞體，場景中的物品和墻體可以根據不同的形狀選擇合適的碰撞體，以達到更好的體驗功能。

4.3.4花卉旋轉展示

在漫游觀賞花卉時，為了讓用戶能夠更直觀、全方位的看到花卉的全貌，系統在實現過程中，利用Untiy3D中射線功能，通過第一人稱中攝像頭發射射線，選擇用戶想觀賞的花卉，使花卉慢速旋轉。實現的部分代碼如下：

if （Physics.Raycast（transform.position， transform.forward， out hit， Mathf.Infinity）） {

if （hit.collider.tag == "hua"） {

for （i = 0; i < 100; i++） {

speed += Time.deltaTime;

jiaza.fillAmount = speed * 0.01f;

if （jiaza.fillAmount == 1）{

a.gameObject.SetActiveRecursively（true）; }} }

else {

speed = 0;

a.gameObject.SetActiveRecursively（false）; }

}

4.4 發布

Unity3D支持開發者跨越多平臺，包括臺式機、移動設備、VR設備和Web平臺。Unity3D通過導出WebGL的方式發布到web端，就可以直接在支持html5標準的瀏覽器中運行。

5、總結

本文中利用 3ds Max 等軟件更好地構筑逼真的花卉模型，然后借助于在VR中流行的Unity3D將制作的花卉模型更好的進行融合，使得這些模型對象與人們在 VR 系統中進行交互。VR 與Web技術的融合，構筑一個融合影像、聲音等諸多多媒體元素為一體 3D 虛擬漫游環境，通過Web平臺可以更為便捷地使用VR技術，而VR的加入，其中漫游技術，讓人們產生身臨其境之感。

參考文獻：

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[3]李旭洋等.基于Unity3D動畫虛似檢修車間漫游系統開發[J].鐵路計算機應用，2021，30（6）：46-51

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作者簡介：簡惠冰（1980--），女，漢族，福建省漳州市人，工程碩士，講師，研究方向是虛擬現實技術.

基金項目：福建省教育廳中青年教師教育科研項目“虛擬現實福建各地市花三維展示系統開發研究”（JZ181190）.