沉浸式虛擬海底仿真系統構建及關鍵技術研究

李婷婷,唐 媛,付力婭

(大連東軟信息學院 數字藝術與設計學院,遼寧 大連 116023)

0 引 言

近年來,隨著科技的不斷發展,以計算機技術、虛擬網絡為特征的信息社會正在越來越多地改變著信息的傳播方式[1-2]。沉浸式虛擬現實(Immersive Virtual Reality,IVR)是虛擬現實技術的一種,沉浸式虛擬現實強調利用計算機生成一種模擬環境,使用戶沉浸到該環境中,與虛擬世界中的物體進行自然的交互,通過視覺、聽覺和觸覺等獲得對虛擬世界的感知[3-4]。從20世紀80年代開始,國內外學者們嘗試采用先進的虛擬現實技術構建“數字海洋”并為體驗者提供逼真的感受。例如：Miandji等基于GPU技術模擬海洋水面細節特征[5];Li等通過shader編程實現大范圍海面光照效果[6];潘牧野和劉篤仁基于Direct3D構建了3D場景中的水面效果[7];王平俠和胡瓊杰利用VC編程實現了海洋世界中的水泡效果,為虛擬海洋模擬提供參考[8]。上述海洋水體生成方法大都從海洋平面的構建及渲染出發,對于如何真正發揮數字技術對海洋生物環境展示及動態交互需要進行深入的分析和細致的研究。由此,該文基于虛擬現實技術開發沉浸式海底世界交互系統,采用3D立體模型建構虛擬海底世界,為海底生物運動設定軌跡路線并實現語音交互功能,使得海洋生物能夠更加形象、立體、直觀地呈現在廣大觀眾面前,為海洋知識的傳播提供更多的渠道選擇和更為立體的展示空間。

1 系統設計

1.1 流程設計

沉浸式虛擬現實技術海底交互系統采用模塊化方式,利用市面主流引擎進行開發,目前市面主流引擎包括Unity、Unreal、Cocos2D、CryEngine等[9]。其中,Unity和Unreal可以算得上是目前市場上最熱門的引擎,也各自擁有為數眾多的開發者。Unity引擎是由Unity Technologies公司開發,可以輕松實現三維視頻特效及虛擬漫游交互效果[10]。因此,本項目基于Unity引擎實現,系統流程設計如下：

首先,進行角色設計,將海底生物以2D形式進行展示。然后,在3ds Max、Maya等三維軟件構建模型和貼圖,完成3D立體模型的制作,并將角色模型導出fbx格式文件作為海底世界場景素材。接下來,將制作完成的3D立體模型導入Unity引擎中進行場景搭建。最后,根據用戶提出的交互指令基于C#腳本進行交互漫游、碰撞檢測、特效實現等交互功能開發,并實現渲染輸出,系統流程設計如圖1所示。

圖1 系統流程設計

1.2 交互設計

沉浸式虛擬現實技術的海底交互系統內設計實現一群海洋生物在海洋內游動,并且可以根據用戶指令進行交互行為。沉浸式虛擬場景下交互有很多種方式,例如：語音交互、手勢交互、觸覺交互和多通道交互等[11]。該系統交互主要分為兩種方式：一種是鼠標交互,體驗者通過鼠標點擊海洋生態系統屏幕即可從屏幕上方隨機出現一種海洋生物。另一種采用語音交互,體驗者通過麥克說出海洋生物名字,系統在感知到語音輸入后在屏幕上方出現對應的海洋生物形態,并伴隨語音介紹。這兩種交互方式可以滿足不同體驗者的參觀需求,提升參觀者的好奇心,激發人們熱愛海洋,保護海洋的環保意識。

1.3 角色設計

角色方面主要采用卡通形式,利用PS軟件繪圖功能設計了一些海洋世界生物,包括：海龜、燈籠魚、小丑魚、燕魚、河豚、水母、鱔魚、章魚、箭魚、海馬等。在設計海洋世界生物過程中遵循生物一致性、畫面整體性、比例協調性等原則,在充分考慮到用戶體驗及美感后設計海底生物如圖2所示。

圖2 角色設計

2 系統實現

2.1 場景搭建

在三維空間中采用3ds Max軟件或者Maya軟件制作海底生物造型,包括藻類、珊瑚以及海底浮游生物。將制作完成的海底生物模型導入Unity引擎中搭建海底世界,并用在海洋生物表面加入顏色、陰影、亮度、紋理等表面屬性,從而使得整個景物模型更加逼真,如圖3所示。

圖3 場景搭建

2.2 系統交互

在沉浸式海底世界交互系統中,為提升參觀者的交互性,設計了鼠標交互和語音交互兩種方式,參與者可以通過鼠標在海洋世界屏幕上點擊任意地方或是通過麥克說出魚類的名字,系統接收到指令后都會在屏幕上彈出具體魚類信息,并實例化出氣泡特效,具體實現方法如下：

if(檢測到交互信息)

{

GameObject GO =Instantiate(fishPrefab[Random.Range(0, fishPrefab.Length)], spawnPosition.position, Quaternion.identity)as GameObject;

GO.GetComponent ().enabled = true;

GO.GetComponent ().enabled = false;

GO.transform.Find ("Bubbles").gameObject.SetActive (true);

}

2.3 碰撞檢測

系統中使用射線來完成相關的算法,它的定義為：射線上的點=射線的原點+t*射線的方向,t用來描述它距離原點的位置,它的范圍是[0,無限遠)。平面被描述為：

XndotX=d

其中,Xn是平面的法線,X是平面上的一個點,d是平面到原點的距離,碰撞檢測部分代碼如下所示：

Ray rayNoraml = new Ray(Vector3.zero,Vector3.up*10);Debug.DrawRay(transform.position,transform.forward,Color.red,10);

if (Input.GetMouseButtonDown(0))

{

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

if(Physics.Raycast(ray,outhit,1 000,1 <

{

Debug.Log(hit.collider.name);

Debug.Log(hit.point);

if (hit.collider.tag == "Enemy")

{undefined}

}

}

2.4 粒子特效

粒子特效可以增加場景美觀性,大多數場景特效都采用粒子系統完成。粒子系統的原理是將若干粒子組合在一起,通過改變粒子的屬性來模擬海底世界自然效果[12]。像海底世界中的氣泡從形狀、大小和顏色方面都是富于變化的,如果用傳統的建模方法,很難比較真實地模擬它。但是,粒子系統卻可以解決海底世界中的氣泡模擬問題[13]。

在實際系統應用中,為了逼真地模擬虛擬世界中的海底效果,需要將氣泡粒子構建成不斷運動演化的粒子系統,每一個粒子都有自己的“生命”。在粒子的一生中要歷經四個階段。階段1：“出生”。在這一過程中粒子系統會按照初始的定義屬性產生一定量的粒子。階段2：“成長”。在這一過程中,粒子系統會按照模擬的氣泡運動規律進行運動。階段3：隨著時間推移,粒子的生命值在不斷下降,進入“衰老”時期。階段4：當粒子的生命值降低至0,粒子死亡,被系統清除[14]。

具體實現時,繪制粒子氣泡的步驟如下：

Step1：分析氣泡物理特性,根據氣泡物理特點定義粒子屬性。

Step2：分析氣泡在海洋中的運動規律,建立氣泡粒子的動態運動規律。

Step3：根據粒子氣泡屬性分析結果定義系統中氣泡粒子的初始化參數值。

Step4：根據氣泡粒子屬性變化動態改變其運動規律。

Step5：刪除系統中生命值已經為0的粒子。

Step6：每隔固定時間重新繪制氣泡粒子。

其中,Step3～6反復執行,模擬氣泡的動態變化過程。

(1)粒子出生及成長。

粒子系統是一個統一的整體,這個系統中包含了若干個粒子,粒子的出生是根據粒子系統屬性進行賦初值的過程,每個粒子在獲得屬性后將按照粒子系統運動規律進行動態演變,從而表現出動態效果,具體實現代碼如下：

temp=Time.time;

if (temp - temp2>intervalTime) {

Vector3 newPosition;

newPosition=new Vector3(Random.Range(transform.position.x-1, transform.position.x+1), Random.Range(transform.position.y-1, transform.position.y+1), Random.Range(transform.position.z-1, transform.position.z+1));

Instantiate(Bubble[Random.Range(0, Bubble.Length)], newPosition, Quaternion.identity);

temp2 = Time.time;

intervalTime = Random.Range (minTime, maxTime);

(2)粒子衰老及死亡。

粒子的整個生命過程中是動態變化的,為了表現出粒子的動態特性,粒子在運動過程中會伴隨著生命衰亡,當生命值降低至0時,系統默認粒子死亡,將停止繪制粒子,具體實現代碼如下：

void Update () {

if(transform.GetChild (0).localPosition.y>40)

{

Destroy (gameObject);

}

}

3 實驗與分析

隨著虛擬現實技術的興起,體驗者在產品體驗效果上的需求不斷提高,沉浸式虛擬現實頭盔不斷推陳出新,先后開發了多種機型,比較出名的有Oculus Rift DK1、Oculus Rift DK2、Oculus Rift CV1和HoloLens等[15],如圖4所示。

圖4 沉浸式虛擬現實頭盔

為了驗證系統運行效果,該文進行了大量仿真試驗。仿真試驗在配置為Intel 酷睿i3 9300、CPU頻率 3.7～4.3 GHz、DDR4 2 400 Mhz 8G內存及Intel HD Graphics 630(128 M)核心顯卡的PC機上,沉浸式頭盔選用Oculus Rift DK2,編譯環境為Visual Studio 2017,代碼編寫采用C#語言,基于Unity平臺實現,運行測試效果如圖5～圖12所示。

圖5 海底世界效果測試

圖6 海底氣泡效果測試

圖7 燈籠魚交互效果測試

圖8 海馬交互效果測試

圖9 劍魚交互效果測試

圖10 鯊魚交互效果測試

圖11 水母交互效果測試

圖12 小丑魚交互效果測試

4 結束語

虛擬現實技術為保存和傳播海洋文化提供了非常好的條件。一方面,可以借助人機交互、視頻及3D建模等先進的數字技術對海洋生物特征進行最大限度的保存。另一方面,可以最大程度地保證海底交互系統中海洋生物的真實性。未來沉浸式海底交互系統可以用于數字博物館的構建。數字博物館作為城市文化建設的一部分,關乎城市的對外形象,反映著城市人文和歷史,是城市形象的綜合體現。虛擬現實技術背景下構建的沉浸式海底世界交互系統可以突破傳統藝術在表現形式上的局限性,從單一感官的信息傳遞演變為多感官的,交互式的展示形式,使體驗者能夠體驗實時的形象化交互,對未來數字博物館的發展起到推動作用。