基于暴風(fēng)魔鏡的太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫奇，樊嘉琪，程健

（北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100144）

0 引言

暴風(fēng)魔鏡是一款虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備，根據(jù)左右眼屏幕顯示圖像的不同，使用戶腦海中產(chǎn)生立體感的圖像，增強(qiáng)用戶的沉浸感；而在此基礎(chǔ)上運(yùn)行的三維場(chǎng)景是以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)三維技術(shù)將游戲元素以立體方式呈現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)信息融合和交互式的三維動(dòng)態(tài)視景使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中，從而給用戶帶來(lái)較為逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

三維場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)需要游戲引擎的支持[1]，通過(guò)游戲引擎將模型、圖片、聲音等不同的元素進(jìn)行整合從而形成較為逼真的三維環(huán)境。而Unity3D游戲引擎具有強(qiáng)大的編輯器功能，跨平臺(tái)性等特點(diǎn)，受到開(kāi)發(fā)人員的歡迎。為了開(kāi)發(fā)出較為逼真的太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)，結(jié)合暴風(fēng)魔鏡和Unity3D游戲引擎進(jìn)行研究是非常具有實(shí)際意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 畫面切換技術(shù)

畫面切換技術(shù)是將左右眼圖像交互顯示在屏幕上的方式[2]。因暴風(fēng)魔鏡本身包含立體眼鏡和立體顯示模式，這里需要將左右眼圖像（以垂直同步訊號(hào)分隔的畫面）分送到左右眼顯示設(shè)備，將垂直同步訊號(hào)作為快門切換同步訊號(hào)即可達(dá)成立體顯像的目的。在三維場(chǎng)景制作過(guò)程中，畫面切換技術(shù)應(yīng)用在場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)，場(chǎng)景加載等過(guò)程中。在這里為了避免立體顯像的閃爍影響用戶的體驗(yàn)，需要左右眼都需要保證能夠提供至少每秒60個(gè)畫面，也就是說(shuō)垂直掃描頻率必須達(dá)到120Hz或更高。

1.2 自動(dòng)漫游技術(shù)

為了增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)，需要設(shè)置自動(dòng)導(dǎo)航，讓用戶沿著固定的路徑進(jìn)行漫游。這里通過(guò)研究Camera Path Animator插件，掌握插件中的各個(gè)接口及功能的使用，在熟悉掌握Bezier和Hermite曲線的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置路線標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整轉(zhuǎn)向等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游，一般情況下，自動(dòng)漫游需要用戶來(lái)進(jìn)行選擇，若一旦選擇自動(dòng)漫游，不需要進(jìn)行手工控制；待自動(dòng)漫游結(jié)束后可通過(guò)手柄等方式來(lái)控制視角的切換。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可玩性，從不同角度，不同地點(diǎn)引入自動(dòng)漫游是非常有必要的。

1.3 異步加載技術(shù)

為了保證系統(tǒng)的順暢運(yùn)行，避免因模型加載過(guò)多

而影響系統(tǒng)的使用，這里涉及到異步加載，所謂的異步加載會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟一個(gè)異步任務(wù)將它們按照規(guī)定的次序或方式進(jìn)行加載并顯示出來(lái)，一般而言是通過(guò)設(shè)置資源腳本，掛載到某對(duì)象上，在執(zhí)行某場(chǎng)景時(shí)進(jìn)行判斷加載，比較適合加載較大的三維場(chǎng)景。因本系統(tǒng)涉及到較多的模型和圖片，若不使用異步加載，會(huì)在手機(jī)中出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，影響用戶體驗(yàn)。所以說(shuō)，研究異步加載技術(shù)非常具有必要。

1.4 角色動(dòng)畫技術(shù)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的真實(shí)性，提高用戶體驗(yàn)，需要在三維場(chǎng)景中添加虛擬人物，而虛擬人物需要涉及到角色動(dòng)畫，如走路，揮手等，這就要用到Unity3D的Anima?tion動(dòng)畫編輯器，將虛擬人物的動(dòng)畫序列進(jìn)行拆分，按照設(shè)定的順序和邏輯進(jìn)行播放，從而使系統(tǒng)更加真實(shí)和人性化，在本系統(tǒng)中使用到角色動(dòng)畫的有空姐，博士、游客等。

1.5 大氣層粒子特效技術(shù)

由于行星中有不少氣態(tài)行星，為了增加真實(shí)性，在場(chǎng)景中增加大氣層是非常必要的。這里使用體積霧插件Fog Volume；它是一種體積霧的渲染器，用來(lái)模擬大規(guī)模的氣體效果，可用來(lái)調(diào)整在外觀和性能上的需求。有了Fog Volume，可以在游戲中體驗(yàn)乘坐宇宙飛船穿越大氣層的樂(lè)趣，增加了趣味性。

2 太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了完成基于暴風(fēng)魔鏡太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，除了需要研究暴風(fēng)魔鏡相關(guān)技術(shù)外，也需要研究Unity3D游戲引擎本身的模型加載和自動(dòng)漫游技術(shù)，為了使三維環(huán)境更加具有真實(shí)性，研究與Unity3D相關(guān)的Camera Path Animator自動(dòng)漫游插件、Fog Volume體積霧插件，從場(chǎng)景搭建、角色控制等方面將太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)劃分成角色漫游、場(chǎng)景加載、場(chǎng)景特效、暴風(fēng)魔鏡SDK等部分，其設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 角色控制

角色控制是整個(gè)太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)的核心，其中包括角色漫游和角色動(dòng)畫。為了使系統(tǒng)較為真實(shí)，設(shè)置了同伴、空姐、博士等虛擬人物，通過(guò)添加角色動(dòng)畫使不同的虛擬人物活動(dòng)起來(lái)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)。角色動(dòng)畫通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是通過(guò)Unity3D中的An?imation動(dòng)畫編輯器，拆分角色動(dòng)畫，在系統(tǒng)運(yùn)行后，自動(dòng)循環(huán)的播放其動(dòng)畫；二是通過(guò)JavaScript編程讓人物移動(dòng)，通過(guò)腳本文件來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，從而通過(guò)手柄來(lái)控制人物向不同的方向移動(dòng)，從而形成不同的動(dòng)畫效果。

角色漫游分自動(dòng)漫游和手柄控制兩種方式，自動(dòng)漫游是虛擬人物乘坐宇宙飛船、在設(shè)定好的路徑中，沿著設(shè)定的路徑去游覽各大行星；手柄控制是通過(guò)藍(lán)牙通信方式，將上、下、左、右發(fā)送到手機(jī)上進(jìn)行控制。角色漫游涉及到碰撞檢測(cè)，若沒(méi)有碰撞檢測(cè)，無(wú)法檢測(cè)到執(zhí)行的操作或移動(dòng)的方向等操作。

圖1 太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)劃分

2.2 場(chǎng)景控制

場(chǎng)景控制分為場(chǎng)景搭建和場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)兩部分，場(chǎng)景搭建要考慮到星球分為氣態(tài)行星和巖質(zhì)行星。巖質(zhì)行星包括水星、金星、火星，這三個(gè)星球根據(jù)地表不同，額外需要登陸場(chǎng)景。因飛船從地球出發(fā)，所以地球上需要地球基地場(chǎng)景。而其他木、土、天王、海王星均為氣態(tài)星球，飛船都需要穿過(guò)不同大氣層才能近距離觀察星球。所以說(shuō)，場(chǎng)景搭建是太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有搭建好場(chǎng)景，才能實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)。

場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)是在碰撞檢測(cè)技術(shù)下實(shí)現(xiàn)的，由系統(tǒng)中的用戶分別觸碰各種物體，達(dá)到切換場(chǎng)景的效果。比如在地球基地，就由“我”來(lái)觸碰宇宙飛船，從而跳轉(zhuǎn)到飛船內(nèi)部場(chǎng)景。因?yàn)閳?chǎng)景眾多，在系統(tǒng)中處處體現(xiàn)。

2.3 UI繪制

在場(chǎng)景搭建細(xì)節(jié)處理上，UI設(shè)計(jì)是不可缺少的環(huán)節(jié)，它讓游戲劇情更加真實(shí)合理化，例如基地方向標(biāo)，基地監(jiān)測(cè)宇宙圖、飛船行駛準(zhǔn)則等二維圖片，需要分別結(jié)合到不同場(chǎng)景中推動(dòng)劇情發(fā)展。而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，圖片分辨率大小、重繪度、圖片是否壓縮等都是需要考慮的問(wèn)題。

2.4 音頻特效

音頻特效是游戲中的重要組成部分，本游戲主要通過(guò)“向?qū)еv解”展現(xiàn)教育意義，所以在游戲制作中需要大量宇宙知識(shí)文本的撰寫和聲音錄制工作。除了要在不同場(chǎng)景、不同情況下播放語(yǔ)音、背景音樂(lè)，還需要在游戲中添加人物行走、開(kāi)門、登陸等特殊音效，增加系統(tǒng)的真實(shí)性和趣味性。Unity3D游戲引擎支持AIFF、WAV、MP3等格式[3]，可以依據(jù)游戲的需要來(lái)選擇不同的格式，這里注意的是需要添加Audio Source控件，將相應(yīng)的音樂(lè)或音效拖入到對(duì)應(yīng)的控件中，后再通過(guò)腳本以便執(zhí)行音樂(lè)或音效的播放。

2.5 場(chǎng)景特效

場(chǎng)景特效包含粒子系統(tǒng)和氣態(tài)星球兩個(gè)部分。粒子系統(tǒng)分為流體粒子、破碎粒子、煙霧粒子等幾類，在宇宙飛船和地球基地中分別有所體現(xiàn)。而在氣態(tài)星球中，則應(yīng)用大氣層粒子特效技術(shù)，模擬不同氣體包圍星球、氣體緩慢移動(dòng)的效果。

場(chǎng)景特效的加入不僅可以美化游戲界面加強(qiáng)游戲的觀賞性,同時(shí)還可以使用戶在虛擬的世界中體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)世界中很難經(jīng)歷的一些景象[4]。

2.6 暴風(fēng)魔鏡SDK

暴風(fēng)魔鏡的SDK是暴風(fēng)魔鏡所提供的軟件開(kāi)發(fā)工具包，用于在不同環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，方便程序員在不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境下調(diào)用。在這里使用的是Unity3D開(kāi)發(fā)包，具體操作是用虛擬現(xiàn)實(shí)攝像機(jī)替換Unity場(chǎng)景中的主攝像機(jī)，完成左右眼分屏，并獲取手機(jī)的陀螺儀數(shù)據(jù)，啟用頭部跟蹤以調(diào)整玩家視角，后使用圖像抗鏡片畸變函數(shù)，進(jìn)行圖像和顏色的特殊處理；為了便于控制，開(kāi)啟手機(jī)藍(lán)牙來(lái)連接暴風(fēng)魔鏡的手柄，更好地控制角色漫游。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文通過(guò)研究Unity3D游戲引擎中的角色控制、場(chǎng)景加載、暴風(fēng)魔鏡SDK等技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)，從而證明暴風(fēng)魔鏡和Unity3D游戲引擎聯(lián)合開(kāi)發(fā)的可行性和實(shí)用性。游戲開(kāi)發(fā)所需的軟件環(huán)境是Unity3D，硬件為暴風(fēng)魔鏡5代。

圖2是在地球基地的漫游截圖，玩家在“博士”的講解下，熟悉地球基地以及各個(gè)設(shè)備的作用，后通過(guò)地球基地進(jìn)入到宇宙飛船，如圖3所示。

圖2 地球基地截圖

圖3 宇宙飛船內(nèi)部截圖

圖4 外太空及火星截圖

圖3是聽(tīng)“博士”介紹八大行星，跟著向?qū)У囊暯莵?lái)查看八大行星的外貌特征，圖4是通過(guò)宇宙飛船看到的太空?qǐng)鼍耙约皥?chǎng)景跳轉(zhuǎn)后的火星場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在掌握Unity3D和暴風(fēng)魔鏡SDK的相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)的劇情實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)系三維展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，包括場(chǎng)景搭建、角色漫游、音頻特效等技術(shù)，從而體現(xiàn)出Unity3D的強(qiáng)大性和兼容性。為了增加游戲的真實(shí)性，重點(diǎn)研究了自動(dòng)漫游技術(shù)、Fog Volume氣體效果以及碰撞檢測(cè)技術(shù)；因制作過(guò)程中時(shí)間精力有限，在教育方法上稍顯單一，趣味性不強(qiáng)，需要在娛樂(lè)性上得到進(jìn)一步完善和體現(xiàn)。

[1]李杰,孫奇,陳愛(ài)玲.基于Unity3D的音樂(lè)交互游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版）,2017,（19）:62-65.

[2]百度百科“VR眼鏡”詞條[EB/OL].http://https://baike.baidu.com/item/VR%E7%9C%BC%E9%95%9C/18675220?fr=aladdin,2017-10-25/2017-10-31

[3]楊娜,李杰,廖金巧.基于Unity3D的三維生態(tài)莊園游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2015（01）:45-48.

[4]謝韜.基于Unity3D粒子系統(tǒng)的游戲特效實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版）,2015（24）:30-32.1.