基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的湖湘文化旅游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁金峰+陳小霞+++李華新

摘要：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)湖南省衡陽(yáng)市石鼓書院的湖湘文化景區(qū)進(jìn)行了虛擬再現(xiàn)。通過(guò)使用3ds MAX和Zbrush軟件以及Unity3D游戲開發(fā)引擎，建設(shè)具有漫游和交互功能的景區(qū)虛擬旅游系統(tǒng)，其中重點(diǎn)對(duì)石鼓書院的禹碑亭長(zhǎng)廊、石鼓書院大門、李忠公祠、武侯祠、大觀樓和合江亭進(jìn)行了詳細(xì)的三維建模和Unity3D建筑可視化交互設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；湖湘文化景區(qū)；3ds Max；Zbrush；

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16727800（2017）004008603

1虛擬景區(qū)與旅游

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱 VR）也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)生成各種虛擬環(huán)境，作用于用戶的視覺、聽覺、觸覺，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，沉浸其中[1] 。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，目前主要應(yīng)用于旅游、娛樂(lè)、教育、藝術(shù)以及軍工等方面。 虛擬景區(qū)與虛擬旅游是在現(xiàn)實(shí)旅游景觀造型的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬仿真來(lái)構(gòu)建一個(gè)能使用戶產(chǎn)生沉浸感，并具有交互性的虛擬環(huán)境[2]。我國(guó)虛擬旅游景區(qū)表現(xiàn)形式有3種，分別是二維虛擬旅游景區(qū)、三維虛擬旅游景區(qū)和 360°全景漫游虛擬旅游景區(qū)。與旅游發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)虛擬景區(qū)起步較晚，雖然發(fā)展速度較快，但整體水平不高，交互性不強(qiáng)，吸引力不夠。目前國(guó)內(nèi)虛擬旅游系統(tǒng)由于在景點(diǎn)還原表現(xiàn)形式上的缺陷，導(dǎo)致旅游系統(tǒng)交互性不強(qiáng)，用戶只能被動(dòng)接受景點(diǎn)圖片，無(wú)法主動(dòng)對(duì)景區(qū)進(jìn)行深入的交互和探索，導(dǎo)致旅游系統(tǒng)對(duì)用戶的吸引力大打折扣。

2虛擬旅游系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 地處衡陽(yáng)的石鼓書院是湖湘文化的重要發(fā)源地，本文以石鼓書院為藍(lán)本，設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)虛擬旅游系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳播湖湘文化的目的。 所謂虛擬旅游系統(tǒng)就是用戶與虛擬旅游景區(qū)的交互平臺(tái)，除了構(gòu)建虛擬景區(qū)環(huán)境外，還需要一個(gè)角色在虛擬環(huán)境中被用戶控制，通過(guò)鼠鍵控制人物視角，遍歷整個(gè)旅游景區(qū)。本例以3ds MAX軟件構(gòu)建三維虛擬旅游景區(qū)，再加以Unity3D等游戲引擎在電腦中再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界。湖湘文化虛擬旅游系統(tǒng)三維模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。湖湘文化虛擬旅游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括虛擬旅游環(huán)境的開發(fā)和虛擬交互平臺(tái)設(shè)計(jì)。虛擬旅游環(huán)境開發(fā)包括模型和三維場(chǎng)景構(gòu)建；漫游平臺(tái)設(shè)計(jì)包括三維圖形顯示和輸入命令控制。

3虛擬旅游系統(tǒng)模型構(gòu)建

3.1系統(tǒng)模型構(gòu)建

3.1.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料采集 為了能準(zhǔn)確直觀地進(jìn)行景區(qū)建模設(shè)計(jì)，需要到石鼓書院景區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察，并對(duì)景區(qū)重點(diǎn)建筑進(jìn)行測(cè)量，得到場(chǎng)景建筑與建筑之間的距離，建筑的長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)，然后根據(jù)采集數(shù)據(jù)和地圖以一定比例進(jìn)行縮放，形成一個(gè)固定的比例尺，使模型各部分比例縮放相同，模型更逼真。同時(shí)對(duì)石鼓書院景區(qū)建筑細(xì)節(jié)進(jìn)行拍照，利用3ds MAX中的網(wǎng)格進(jìn)行建模以增加模型的精確度。3.1.2地形模型建造 虛擬旅游區(qū)場(chǎng)景最基本模型是地形，地形的比例直接影響各建筑之間的位置，所以地形模型與現(xiàn)實(shí)地形比例應(yīng)與建筑模型比例盡可能一致，這樣才能把地形對(duì)建筑的影響控制到最小，從而達(dá)到更逼真的效果。 本例中利用百度地圖的準(zhǔn)確性，把石鼓書院整個(gè)平面圖導(dǎo)入3ds MAX中，將整個(gè)地形勾勒出來(lái)，然后確定各建筑的位置，再根據(jù)各建筑所處地形，在3ds MAX中采用多邊形拉伸、擠壓、衰減等命令完成地形模型的構(gòu)建。地形包括平坦地形如道路、臺(tái)階等，凹凸不規(guī)則的自然景觀地形可采用層疊法得到。3.1.3植物模型建造 植物屬于自然景觀，是虛擬旅游區(qū)景觀中不可或缺的部分，在現(xiàn)實(shí)景區(qū)中扮演著重要角色，能多樣化點(diǎn)綴人文景觀，襯托出生機(jī)勃勃的景象。 由于植物在景區(qū)中分布廣泛，場(chǎng)景范圍較大，而且植物多樣化，考慮到實(shí)時(shí)漫游需求，在虛擬場(chǎng)景中應(yīng)減少真正的植物模型，以植物貼圖辦法來(lái)顯示效果。同時(shí)為減少工作量和資源消耗，在自然景觀中擬采用相同的植物模型，采用層疊法達(dá)到效果。 在 3ds MAX中使用多邊形擠出工具做出樹干，然后用若干平面交叉在一起形成樹葉，得到一個(gè)植物模型，在虛擬場(chǎng)景中同類樹可共用一個(gè)模型，以節(jié)約系統(tǒng)資源。3.1.4水體模型建造 石鼓書院位于湘江和蒸水河的交匯處，水體為動(dòng)態(tài)水體，需要表現(xiàn)出波紋、漣漪以及倒影等效果，在3ds MAX中運(yùn)用噪波衰減配合關(guān)鍵幀實(shí)現(xiàn)波紋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生水面漣漪的效果，在Unity3D中直接創(chuàng)建，再根據(jù)需求分別進(jìn)行渲染3.1.5建筑模型建造 石鼓書院是個(gè)古人文景區(qū)，建筑皆為古建筑，雕梁繡柱、殿堂樓閣、高臺(tái)厚榭、朱甍碧瓦，一些細(xì)節(jié)如建筑檐角、雕紋等很難在虛擬系統(tǒng)中刻畫還原。 石鼓書院旅游區(qū)建筑平面圖采用 AutoCAD完成，然后導(dǎo)入到 3ds MAX 中建模。閣樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用粗略建模。根據(jù)閣樓對(duì)稱特點(diǎn)，得到閣樓內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)采集的景區(qū)照片分別對(duì)建筑的屋頂、外側(cè)門窗、四周屋檐采用精細(xì)建模、次精細(xì)建模方式。外側(cè)面大部分采用精細(xì)建模，再在Unity3D中整合。建模過(guò)程中模型面數(shù)要盡可能精簡(jiǎn)，以保證系統(tǒng)流暢運(yùn)行。3.1.6人物雕像模型建造 人文景區(qū)大多有許多雕像，石鼓書院也不例外，像石鼓書院的石鼓、大觀樓前的先賢孔子都是雕像，在3ds MAX中建模需要花很多時(shí)間。本例運(yùn)用ZBrush 軟件，采用雕刻方法刻畫人物雕像，得到次模型后再導(dǎo)入3ds MAX中對(duì)雕像細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使其與現(xiàn)實(shí)更逼真。

3.2系統(tǒng)模型優(yōu)化

由于虛擬旅游系統(tǒng)資源有限，為了能夠在有限資源下使程序運(yùn)行流暢，在模型建完后需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。在3ds MAX中，模型的面數(shù)對(duì)系統(tǒng)流暢程度影響最大，模型的面數(shù)越多，系統(tǒng)消耗資源就越大，從而導(dǎo)致游戲流暢度降低，所以模型優(yōu)化工作之一就是減少模型的面數(shù)[3]。 減少面數(shù)并不是對(duì)模型面數(shù)隨意減少，只有那些直接添加材質(zhì)而沒有貼圖并且看不到的面才能優(yōu)化，否則會(huì)導(dǎo)致模型或貼圖變形而影響模型外觀。 因?yàn)闆]有參照物，初步建立的模型一般存在數(shù)據(jù)量大、比例不協(xié)調(diào)等問(wèn)題。比例協(xié)調(diào)物體的建模效果能增加三維場(chǎng)景的真實(shí)感，這需要在建模時(shí)注意協(xié)調(diào)模型間的比例，并適當(dāng)降低模型的面數(shù)。場(chǎng)景三維模型初步建成后，在3ds MAX環(huán)境中除去冗余的多邊形，同時(shí)調(diào)整貼圖模式，減少Vary燈光使用等，通過(guò)這些措施優(yōu)化模型，以達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的目的。

4材質(zhì)及貼圖制作與優(yōu)化

材質(zhì)及貼圖是三維建模完成后在物體著色方面最引人注目、也是最擬真的方法，能使整個(gè)虛擬旅游系統(tǒng)真實(shí)感更加強(qiáng)烈，本例貼圖和材質(zhì)制作過(guò)程包括現(xiàn)場(chǎng)照片采集、處理圖片、貼圖渲染。 石鼓書院屬于古式閣樓建筑，大部分是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，材質(zhì)相似，而且建筑的部件都是單一材質(zhì)，無(wú)需UVW貼圖。為了減少工作量和系統(tǒng)資源消耗，模型大部分多邊形直接賦予材質(zhì)球即可。本例先采集建筑物材質(zhì)照片，然后通過(guò)3ds MAX軟件進(jìn)行材質(zhì)模擬，得到接近最真實(shí)的材質(zhì)后導(dǎo)出材質(zhì)球，最后在模型完成后直接賦予材質(zhì)。小部分使用貼圖方式，如門上的對(duì)聯(lián)、石碑上的碑文等。 對(duì)三維模型賦予材質(zhì)和貼圖后，需要對(duì)模型賦予塌陷命令，將模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，目的是減少建模過(guò)程中出現(xiàn)多余的命令，降低內(nèi)存和CPU的占用率，提高電腦運(yùn)行速度。對(duì)模型使用塌陷后會(huì)把所有附加在三維模型上的修改器、材質(zhì)貼圖等固定在模型上，此步驟在模型完成建模與材質(zhì)賦予之后進(jìn)行，否則塌陷后模型將不能進(jìn)行修改。

5引擎設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模型設(shè)計(jì)完成后，將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中實(shí)現(xiàn)交互功能。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的可創(chuàng)建互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合游戲開發(fā)工具[4]，如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型創(chuàng)建。

5.1模型導(dǎo)入準(zhǔn)備工作

由于Unity3D與3ds MAX兩個(gè)軟件的開發(fā)商不同，模型不能直接從3ds MAX導(dǎo)入到Unity3D中，需要在3ds MAX中進(jìn)行一些設(shè)置，使模型在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 在軟件3ds MAX導(dǎo)出模型前，需先在3ds MAX中將系統(tǒng)默認(rèn)單位設(shè)置進(jìn)行修改。3ds MAX中，默認(rèn)的單位是毫米（mm），而在Unity3D中默認(rèn)的單位是米（m），兩者相差百倍，如果不進(jìn)行相應(yīng)處理，會(huì)出現(xiàn)unity中模型非常小的情況。 另外在三維模型導(dǎo)出前，必須在 3ds MAX 中把模型的方向軸 y 軸設(shè)置為向上。因?yàn)樵?ds MAX中，模型的z軸是向上的，而Unity3D中是y軸向上。導(dǎo)出模型前必須確認(rèn)所有多邊形整合好且方向軸Y向上，如果部分多邊形方向軸y軸沒有向上，則這個(gè)多邊形在Unity3D中將會(huì)與模型脫離，形成模型散架。 在3ds MAX中處理完后，將模型以.maxl文件格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入到Unity 3D軟件中形成虛擬旅游系統(tǒng)場(chǎng)景。

5.2功能實(shí)現(xiàn)

虛擬旅游系統(tǒng)包括人機(jī)交互、碰撞檢測(cè)等功能。人機(jī)交互功能是實(shí)現(xiàn)漫游的重點(diǎn)，本文使用第一人稱控制角色遍歷虛擬場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。碰撞檢測(cè)是控制角色與模型間的物理反應(yīng)，在Unity3D中，對(duì)物體分別添加相應(yīng)的碰撞器，設(shè)置障礙物，當(dāng)角色遇到障礙物時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)穿插、陷落等bug現(xiàn)象。模擬物體遇到障礙物時(shí)的物理反應(yīng)，如當(dāng)角色遇到墻壁時(shí)不能繼續(xù)前進(jìn)等。 添加碰撞器后，需要對(duì)模型添加場(chǎng)景光照（Lightmapping），以增強(qiáng)場(chǎng)景立體感，使場(chǎng)景看起來(lái)更加真實(shí)。在Unity3D中，先選定模型然后在Inspector視圖勾選Static復(fù)選框，使得模型標(biāo)記為Static，Unity3D會(huì)默認(rèn)這些物體為不移動(dòng)的靜態(tài)物體，然后這些標(biāo)記為Static的模型會(huì)受到場(chǎng)景燈光的影響。接下來(lái)修改燈光參數(shù)，如光源方向、Bounces 數(shù)值、Resolution數(shù)值等，最后生成Lightmaps。 Unity3D自帶人物插件，下載安裝即可，只需要修改一些參數(shù)即可控制角色動(dòng)作，如前進(jìn)、跑步、跳躍等，用戶可通過(guò)鼠鍵來(lái)控制角色漫游，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

6結(jié)語(yǔ)

本虛擬旅游系統(tǒng)借助3ds MAX建模還原虛擬場(chǎng)景，結(jié)合Unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了石鼓書院虛擬旅游系統(tǒng)，使景區(qū)具有更強(qiáng)的展示效果和視覺表現(xiàn)力，促進(jìn)公眾關(guān)注和了解湖湘文化，實(shí)現(xiàn)便捷的互動(dòng)旅游。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）