基于圖像核心的VR技術在數字媒體藝術設計中的應用

毛 煒

（浙江工業大學之江學院設計學院，浙江 紹興 302030）

導語

虛擬現實技術（Virtualreality，簡稱VR）作為一種能夠模擬真實世界、建立虛擬環境的計算機技術，能夠讓使用者沉浸在虛擬環境中并能幫助人們進行不同互動體驗從而激發創意。任何一款成熟VR系統都必須要以使用者“第一視角”為核心，通過相關設備操作使用者可在3D虛擬環境中自由移動，可與虛擬場景進行互動并且可在虛擬場景中自由切換。

1. VR技術概述

1.1 VR技術界定及組成

VR技術是一種能夠模擬真實世界、建立虛擬環境計算機技術。VR技術通常是基于計算機、電子技術利用傳感器采集使用者信息從而形成高度逼真的虛擬環境，進而實現與使用者視覺、聽覺、觸覺、力度、動作等多個方面交互，讓使用者形成身臨其境的感覺。虛擬現實是研究人員在對自然界探索中，逐漸發展起來的一種科學技術，以模仿自然使其更好地發揮作用。[1]具體如下：

計算機設備。作為VR技術中心，計算機設備往往要求有高性能硬件設備來實時地處理和反饋數據。如使用者想要建立非常復雜的虛擬環境就需要一臺超級計算機。

輸入資訊裝置。感官是人類大腦唯一載體，為實現用戶真實虛擬現實，需要多個傳感器對用戶原始感知數據進行檢測和收集并產生融合信息，將其反饋到計算機上，主要傳感器包括數據手套、頭部跟蹤器、移動手柄、3D鼠標、動作捕捉器等。

資訊輸出裝置。VR技術的終極目標是為使用者創造近乎于現實的虛擬世界，從視覺、聽覺、觸覺等各方面都能給使用者帶來真切體驗。該系統包括頭盔顯示器、三維聲音合成器、力反饋系統等。

應用程序。應用軟件是指在特定應用中模擬真實特定內容，該軟件具體內容取決于VR技術實際應用。

1.2 VR技術特征

VR技術是當今最為天然的人機界面，它能提供全方位聽覺、視覺、觸覺和嗅覺，讓使用者可通過最直接方式進行互動。VR技術特征具有沉浸性、交互性、構想性等特征。由于這3個英文詞匯特征都是“I”英文，因此VR技術特征也被簡單地稱為“3I”。概念圖如圖1所示。

圖1 VR技術特征

沉浸性。VR技術最突出特征就是沉浸式。使用者在使用鼠標和鍵盤時，也可與計算機進行交互，沉浸式體驗是其他科技所不能取代的。

交互性。在VR技術出現以前媒介技術也是可進行互動的，但是目前媒介技術還處于一維、二維水平，它作用主要是通過對用戶命令進行執行和反饋（交互方式如圖2所示），比如通過鼠標、鍵盤來控制計算機運行。VR技術強調是互動自然，使用者一舉一動都會在游戲中得到即時反饋，與真實游戲世界沒有什么區別，如使用者想要使用虛擬杯子，那么它就會自動地被舉起，并且能夠感覺到它重量。[2]

圖2 交互方式

構想性。構想性泛指使用者在接收輸出裝置所提供資訊后，借由想象創造出虛擬情境。VR頭盔在一定程度上將使用者與現實世界隔離開來，并利用計算機運算技術將感知信息傳達給使用者，從而為使用者創造全新虛擬環境。這些想象力可反映使用者意圖和想法，比如城市規劃、模擬軍事實驗、訓練醫療手術等。

2.基于圖像核心的VR技術在數字媒體藝術游戲設計中應用的原則

2.1 項目策劃

VR游戲策劃節點要保證游戲內容不能太復雜，規避與其他網游內容雷同，既要華麗還要保證劇情發展。這樣可讓體驗者在看到規劃后對游戲情況有個大概解，鼓勵體驗者從這個角度積極探索游戲。一般來說游戲策劃設計都是先確定大致思路，然后再去做，具體策劃則需要各個部門及其人員進行交流，特別是程序員和美術設計師，要想做出高質量作品，就必須建立起良好合作關系。

2.2 繪制原畫

基于圖像核心的VR游戲應在設計之前就已經做好充分準備，因缺少對原畫設計的重視度，造成后期模型和動作設計反復修改的案例較為常見，不僅浪費大量時間和精力，也讓整個團隊工作效率大打折扣。所以，在原畫設計中，角色、場景、道具都必不可少，在設計師、投資商、設計師共同努力下，才能完成原畫設計。

2.3 模型貼紙

制作場景低膜時需使用3DsMax軟件來完成，將它放入ZBmsh進行詳細處理。ZBrush作為新時代背景下游戲角色建模的重要依據，隨著游戲不斷更新人物建模效率也會越來越高，可通過畫板來對模型進行科學處理，以此滿足數字媒體藝術游戲設計。且該軟件具有UV功能，可讓設計者在進行設計和制造時更容易控制軟件運行，以此降低成本。由于大部分VR游戲互動要求相對較高，所以對游戲需求也非常高。假定模型面數不斷增加，勢必給計算機系統操作帶來困難，所以在進行建模時應注意對模型進行點、線優化，以保證在運行過程中能夠正常工作。而在繪制貼片時，要將ZBrush與Photoshop相結合，前者可使人物和場景細節得到優化，后者則可保證后期處理。[3]

2.4 實現交互

VR游戲種類較為常見的有冒險類、射擊類、解謎類，其中最受歡迎的是VR類射擊類。采用VR技術設計沉浸式游戲場景，配合高科技操縱桿，既能給玩家帶來緊張、刺激的感受，又能將注意力集中到虛擬環境中。要使這個游戲模式成為現實，使用Unity3DSteamVR和VRIK非常關鍵。前者可在官方網站上免費下載，主要是為處理玩家視角，即通過VR技術構建交互模型后，依托關鍵校本及交互預制體，根據使用者目光、接觸實現反饋、交互。

3.基于圖像核心的VR技術在數字媒體藝術游戲設計中應用的要點

3.1 3DMax基礎建模

采用3DMax建模軟件對場景中可互動物體進行基本復原，并對具有動畫效果物體進行動畫化處理。在基本造型方面采用基于NURBS的多邊形造型技術。3DMax中通過修改程序，例如：放樣、倒角、柔體、編輯多邊形、編輯網格等。同時，可在項目前期工作中先對場景中家具和互動物件進行初步建模、貼圖、渲染工作。例如：以游戲“餐桌”該模型建立的過程為例。

首先，建立幾何體—長方體—在場景中畫出矩形物體—調整參數，緊接，選中長方形物體—右擊—將其轉化成可編輯多邊形—選中可編輯多邊形命令—右擊—目標屬性—點擊標簽—在它屬性面板下面選中點目標—調整每個頂點，以獲得想要結果，形成不規則桌子腿。由于采用模型LOD層次優化技術，所以在建模時也按順序保留不同精度模型，并將其用于不同層次優化。最后，根據基本建模工作繪制該模型。根據該項目總體設計風格，采用Photoshop圖像處理工具進行圖像處理，并在3DMax上進行貼圖、繪制，最終得到*.FBX。

3.2 碰撞檢測

碰撞檢測是計算機繪圖和虛擬現實領域中最基礎的一種實現方法。由于現實中無法穿越墻壁，因此要做到真實（科幻類游戲等需要特殊技術游戲除外）必須具備真實物體所有屬性，碰撞檢測就是其中重要環節。同時，碰撞探測也是最簡單、最直觀和物體進行交流的方法。在具體設計中應以第一人稱方式進行游戲活動設計，并以第一人稱方式來表示用戶在場景中的位置和動作，以此實現游戲內容具有更多自然人特征，同時可增加一些物理性質如重力、剛性等。由于物體本身特性，“人”在畫面中會有一種自然向下推壓，若沒有撞擊物體，那么控制系統就會繼續朝下直至符點數滿溢為止。在程序設計過程中，則需要人工增加。此外，當使用者希望與場景中物品互動時，需要在沖突物體上增加實體屬性。

此外，在應用Unity3D進行游戲開發時，一般有兩種方式來探測虛擬場景中的沖突：一是通過建立基本幾何模型來包裹被期望對象，用立方體將目標對象包起來，然后將立方體隱藏起來；另外一種方法是將Box Collider（或Sphere Collider，Capsule Collider）屬性添加到對象自身。游戲對象碰撞可由剛性部件和碰撞部件（Collider）來進行。碰撞觸發功能可分為兩大類：碰撞器和觸發器。每個類別包括3個類別，分別是進入、保持和退出。其中，運動學剛體觸發是具有Rigid body屬性Collider，而剛性體則是帶有Trigger屬性Kinematic。

3.3 物體屬性

碰撞檢測作為以圖像為核心的虛擬產品中不可缺少的重要因素，其設計準則與計算方式雖不盡相同，但卻具有一定規律性。一般來說，物品都有生成、移動、碰撞、拾取、銷毀、觸發等多種動作，不同物品擁有的行為類型和數量不盡相同，其行為方向也各不相同。文章所涉及對象屬性，主要是指與使用者互動的對象，例如瓷器、油畫、植物等。為顯示這些道具能夠進行互動，在場景設計時增加一些特別高亮處理，利用手勢識別裝置可對道具進行多個角度拍攝。

3.4 用戶界面和音響效果設計

3.4.1 UI與音效設計

3.4.1.1 UI設計

用戶接口指的是手機App、軟件、網頁、車載平臺和各種電子產品。作為使用者和手機的溝通工具，通過圖形、色彩、排版等藝術設計要素，擔負起互動和信息傳遞重任。普通用戶界面設計中UI設計原則如圖3所示。

圖3 UI設計原則

①跟蹤攝像機：因用戶是隨機地在場景中運動，所以必須實時地跟蹤攝像機，并在用戶視線中顯示。

②高亮提示：互動物品作為導航，它具有引導使用者進行探索的作用。如圖4所示。

圖4 高亮提示

③透過墻壁：進行突出UI提示使用者目前所在位置，并引導使用者不斷探索突出物體。

3.4.1.2 音效設計

音效作為一種很有吸引力的互動產品，它能為使用者帶來不同體驗，如緊張、愉悅、興奮等，而音效則是其中必不可少的因素，它能讓使用者在游戲中感受到更深層刺激，從而增加互動沉浸感。在使用過程中通過與游戲軟件交互，可獲得豐富、愉悅和滿足的用戶體驗。文章從游戲音響效果設計基本原理出發，結合VR游戲教學特色，歸納出一些重要聲效特性。見圖5。

圖5 音效作用示意圖

Unity3D為開發人員提供3大部分：音頻源、音頻片段、音頻監控，為開發人員提供簡單、快速聲音效果。音效采用Unity3D音響系統進行音響設計，利用三維立體音響效果，增強音響空間感。

3.5 交互方法設計

3.5.1 手勢識別交互設計

傳統游戲操作模式主要依靠鼠標、操縱桿、觸摸屏進行操作，但隨著VR技術的發展，各種觸覺設備不斷涌現，豐富玩家游戲體驗，帶來一種全新人機互動模式。文章所討論手勢識別互動，是以Leap Motion Controller為基礎，進行一種互動設計。[6-7]Leap Motion核心功能是檢測9塊骨骼29個關節，它能識別出毫微級微小位移，能檢測手指、手掌、手腕、手指等物體（比如鉛筆、鋼筆等），具體互動方式要依據教學目標設置和教學對象而定，而手指基本手勢如圖6所示。

圖6 基本手指姿勢

Leap Motion軟件將某一動作作為姿勢。Leap Motion將被探測到的姿勢都加入Gesture object，開發人員可根據畫面姿勢來獲得姿勢物體。本課題目的在于盡量以最小化方式來達到教學目的，所以在手勢選取上要兼顧其敏感性和簡便性，并依據手的運動規律，選取3種姿態。

Circle-單指畫圈見圖7。Leap Motion可識別出手指在空氣中圓形動作，并返回圓形動作。這種姿勢具有連續性，如手指或所用工具太遠，以及動作太慢，其動作就會停止，這一動作在很大程度上是作為場景轉換函數。[8]

圖7 食指畫圈的手勢

Swipe-手直線移動。Leap Motion認為，手指直線動作就像是在做連續動作。這種姿態主要是指用戶在場景中進行漫游動作，在這個動作中一只手前后左右運動與“人”在虛擬環境中前后運動相對應。

雙手在可辨認范圍內張開，保持不動。這個動作是根據對方屬性來判定，這個動作可用來喚醒用戶界面，當兩只手都張開的時候，界面就會出現在屏幕中央，如你手有動作，界面就會消失。

3.5.2 頭戴顯示技術與射線定位設計

Oculus在Unity3D開發平臺支持下OculusRiftDK2頭戴式顯示器在游戲技術指南中互動設計。首先，做硬件配置，計算機配置越好，運行起來就越順暢，否則會導致幀速下降，隨之而來就是頭昏眼花、惡心，因此在使用過程中，硬件結構及軟件驅動均可滿足設計要求。通過頭盔角度變化來實現交互式操作，在游戲中，光線探測執行情況：在與不同標記互動物體發生碰撞時，相應文字或影像說明會出現在物體旁邊。技術上，Unity3D在5.0之后，還提供Oculus聲音支持，在Unity發行版中，可選擇“File-Building-Player設置”，并在彈出面板下添加虛擬現實支持，再添加OculusSdks。

結論

綜上所述，通過虛擬現實技術用戶與系統交互變得更加直觀，系統可以根據用戶視角來做出自己判斷，也可以通過系統為用戶提供一種視覺上的體驗。但是現在虛擬現實系統并沒有太多應用，而且隨著虛擬現實硬件價格越來越低，虛擬現實應用也越來越少。本文針對當前虛擬現實技術發展狀況，分析其在數碼媒體藝術游戲領域的應用，旨在為廣大學者提供理論參考。