陳瑩瑩,張悅欣,張梓妍,郭梓錕,伍源昊,胡垂立

(廣州工商學(xué)院,廣東 廣州 528000)

1 建模與虛擬現(xiàn)實交互的主要功能

廣州工商學(xué)院建模與虛擬現(xiàn)實交互主要有以下幾個功能:廣州工商學(xué)院中室內(nèi)外建筑、實驗設(shè)備、石碑等模型和三維墻體、河流、地形的構(gòu)建。用戶可以通過HTC Vive 設(shè)備對虛擬場景進(jìn)行控制、探索,同時可實現(xiàn)碰撞檢測、射線檢測,達(dá)到虛擬場景中漫游的效果。用戶通過使用HTC Vive 設(shè)備,可以看到廣州工商學(xué)院各個代表性地方的景色與特色,并且實現(xiàn)一定的人機(jī)交互。本系統(tǒng)的整體內(nèi)容框架包括以下幾個方面[1]:

(1)充分做好前期調(diào)研,收集整理資料。繪制學(xué)校模型總體布局、局部建筑的平面展開圖紙以及路線的圖紙和采集拍攝,用PS 繪制紋理與所需素材。

(2)借助3dMAX 搭建廣州工商學(xué)院虛擬建筑與場景,后期再進(jìn)行精細(xì)化處理,能夠在虛擬的地理環(huán)境中按照特定的運動學(xué)和動力學(xué)實現(xiàn)應(yīng)用,強(qiáng)化虛擬場景真實感。

(3)再將搭建好的校園場景以fbx 格式文件導(dǎo)出,導(dǎo)入Unity,結(jié)合Unity3D 引擎,創(chuàng)建地形、燈光、天空等,利用C#開發(fā)語言實現(xiàn)交互,在廣州工商學(xué)院虛擬交互系統(tǒng)中設(shè)置自由交互式漫游、自動尋徑漫游、導(dǎo)航查詢等功能。

(4)與HTC Vive 結(jié)合,做到用戶能實現(xiàn)觀覽、點擊、移動、拾取等沉浸式交互操作。

2 構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景的要點

2.1 模型的構(gòu)建

在3dMax 工具上搭建校園主體模型。兩棟教學(xué)樓與實驗樓,充分展現(xiàn)特色教室、嶄新多媒體課室和智慧教學(xué)課室;特色實訓(xùn)實驗室,數(shù)字媒體教育設(shè)備、食品質(zhì)量與安全化學(xué)工具一應(yīng)俱全;圖書館主要有借閱室、圖書儲放室、書本資源儲量展示數(shù)據(jù)等;體育場的搭建主要為跑道和籃球場、足球場的布局建模。各模型的UV 拆分、貼圖紋理用PS 軟件和數(shù)位板作為輔助。使用V-Ray 插件制造墻面、跑道等的凹凸感、質(zhì)感、光線的設(shè)置、擺放與調(diào)整參數(shù)來增強(qiáng)實感等,最后應(yīng)把場景坐標(biāo)整合歸位[2]。

2.2 模型的渲染與交互

建好的模型需導(dǎo)入Unity3D 實現(xiàn)交互[3],因此模型的渲染與交互需要注意以下幾點:

(1)邊數(shù)和法線細(xì)節(jié)問題。由于邊數(shù)太多的模型計算起來復(fù)雜度高,渲染慢,因此把超過四邊形以上的面數(shù)通過連接點與點來減少邊數(shù),最后3D 里的模型渲染時都是要利用圖形計算技術(shù)計算后確定光線和貼圖,邊數(shù)為3 或4 的面利于建模軟件對模型進(jìn)行自動優(yōu)化,這樣導(dǎo)入Unity3D 時可避免一些卡頓的情況。

(2)若模型中有需要重復(fù)制作的部分,盡量用復(fù)制和旋轉(zhuǎn)代替鏡像。因為鏡像會反法線,若忽略法線問題,貼圖時則會出現(xiàn)錯誤,甚至出現(xiàn)黑面等情況。由于大部分是建筑,建筑的搭建也應(yīng)注重現(xiàn)實比例等。

(3)做透明貼圖時要單獨給一個材質(zhì)球,不把非透明部分與透明部分一起放在同個材質(zhì)球上,才能盡量避免一個材質(zhì)球貼進(jìn)去后整體貼圖都變成透明的錯誤發(fā)生。

(4)最后用簡易的游戲引擎——Marmoset Toolbag3檢查游戲模型和貼圖顯示效果,不用打開Unity3D,效率會更高。

3 Unity3D 設(shè)計開發(fā)中的要點

3.1 天空盒與地形的創(chuàng)建

Unity 里天空盒的創(chuàng)建應(yīng)先創(chuàng)建材質(zhì),準(zhǔn)備6 張資源圖,然后先在Window 窗口找到 Lighting,選好就可以調(diào)用,6 個面分別對應(yīng)6 個方向,若將6 張?zhí)炜蘸谢蛘呒y理圖片導(dǎo)入Unity 時,將它們的Wrap Mode 設(shè)置為Clamp 模式,這樣圖像的邊緣才會無縫縫合[4]。

學(xué)校內(nèi)的厚德廣場和桃李園地形選擇在Unity3D里建造,因為Unity3D 可較方便地繪制地形的高度、特定高度和平滑地形,并且在Brushes 畫筆工具欄中,畫筆的形狀及大小可以自由選擇,可以畫坑洼與突起的高地,給地形加貼圖也較為方便,添加樹、草地、土壤等的素材時,則選擇Trees 按鈕把素材貼圖拖進(jìn)第一欄里即可為場景方便快捷地增添許多小素材。

3.2 VR 交互模塊創(chuàng)新設(shè)計

以廣州工商學(xué)院三維虛擬交互系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)為主線,根據(jù)虛擬系統(tǒng)實時性與交互性的特點要求,從系統(tǒng)建設(shè)的功能需求、體系模塊設(shè)計、系統(tǒng)框架設(shè)計等幾個方面展開研究。

(1)界面布局設(shè)計上應(yīng)盡量簡潔,一目了然,方便用戶初次使用就能從界面上清楚理解各項功能以及操作方法。系統(tǒng)具備交互漫游的功能,用戶可以從各個方向和角度觀察虛擬的場景,或者按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑進(jìn)行漫游,并通過觸發(fā)手柄改變視點,實現(xiàn)以本人視角漫游校園。在實現(xiàn)基本漫游功能的基礎(chǔ)上,用戶還可以通過交互設(shè)備實現(xiàn)情景交互體驗。交互操作包括實體的幾何變換、模型拾取、射線和碰撞檢測等。

(2)學(xué)校智慧教學(xué)中心的智慧課室模塊,通過手柄射線實現(xiàn)碰撞檢測,可以使HTC Vive 手柄與場景中三維模型或者 UI 發(fā)生碰撞檢測,交互展現(xiàn)學(xué)校智慧課室特色信息與資源、學(xué)生信息動態(tài)、多媒體視頻教學(xué)播放等功能。

(3)圖書館模塊,通過 UI 交互和數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合,開發(fā)出圖書信息檢索模擬平臺,實現(xiàn)了學(xué)校圖書館總儲量、排行榜的信息和虛擬閱讀、圖書信息檢索的模擬。

(4)實驗實訓(xùn)室模塊,通過數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)的實訓(xùn)室,介紹攝影攝像的多種設(shè)備和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)備工具以及使用說明,用手柄實現(xiàn)對設(shè)備的拾取與組裝等交互效果等。

(5)在Unity3D 里,用編譯軟件添加事件的發(fā)生,主要運用C#語言來實現(xiàn),后期熟練代碼語言可以運用JavaScript 來實現(xiàn)更多較高級的交互操作。后期再以HTC Vive 為沉浸式交互體驗平臺,實現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)中相機(jī)視角的實時自主轉(zhuǎn)換功能。

3.3 Unity3D 與HTC Vive 設(shè)備結(jié)合的要點

HTC Vive 里的射線檢測技術(shù)很重要,因為在三維世界里,射線是基于空間中一個點沿著某一方向發(fā)射的一條直線,當(dāng)其遇到目標(biāo)對象時則停止發(fā)射,射線一般用于檢測碰撞。因此,可以實現(xiàn)HTC Vive 手柄與場景中三維模型或者 UI 發(fā)生碰撞檢測,其實現(xiàn)流程為手柄發(fā)出檢測射線,系統(tǒng)判斷射線是否與目標(biāo)發(fā)生碰撞,若不是,則循環(huán)重新檢測,若是發(fā)生事件的響應(yīng),則結(jié)束。

使用Unity+HTC Vive 做VR 時如何創(chuàng)建用戶體驗感較強(qiáng)的菜單,接收手柄射線的菜單以及拿起虛擬實驗設(shè)備進(jìn)行觀察或操控手柄點擊實現(xiàn)虛擬演示等操作。其中應(yīng)該注意代碼腳本的設(shè)置,避免出現(xiàn)用戶體驗不好的效果,像按鈕的抖動導(dǎo)致點擊不準(zhǔn)確、組件的渲染順序不當(dāng)導(dǎo)致場景物品被遮擋等問題。

4 結(jié)語

三維虛擬校園交互是一個重點,它在數(shù)字信息化、校園教育、分布規(guī)劃、宣傳展示方面起到重要作用?，F(xiàn)今以一個真實校園的漫游沉浸式平臺來身臨其境地全方位了解校園是人們的迫切需求,在這樣的現(xiàn)實背景下,三維虛擬校園仿真交互系統(tǒng)應(yīng)運而生。建立虛擬校園漫游仿真交互系統(tǒng)是全面構(gòu)建智慧校園的基礎(chǔ),對智慧校園的建設(shè)具有重要的意義。