基于HTC Vive 的車間虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計與研究

宋世坤

（四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種結(jié)合多媒體技術(shù)、圖形學(xué)和人機(jī)交互技術(shù)等科技發(fā)展的最新技術(shù)，綜合應(yīng)用光學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科，在計算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境，并利用多源信息融合的交互仿真使用戶達(dá)到沉浸式的效果，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)已漸漸滲透到生活中的各個方面，并在這些領(lǐng)域大放異彩，由于它具有基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性、體驗性和沉浸性，使比起文字描述、全景圖片等形式的展示方式更具有優(yōu)勢，本項目基于HTC Vive 頭盔手柄設(shè)備作為交互方式，以Unity3D 為主要開發(fā)工具，以車間為背景，真實(shí)還原生產(chǎn)車間中設(shè)備與房間，使用戶達(dá)到身臨其境的觀感。

本項目實(shí)現(xiàn)功能有：

（1）第一人稱與第三人稱漫游。支持真實(shí)三維場景瀏覽，支持多視角瀏覽、多視距瀏覽，第一人稱視角漫游：提供第一人稱視角漫游，通過交互手柄控制視點(diǎn)位置前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)，改變視角觀看內(nèi)容。第三人稱自由視角：提供第三人稱自由視角，通過交互手柄控制視點(diǎn)位置，自由旋轉(zhuǎn)、拖曳、放大、縮小，改變視角觀看內(nèi)容。

（2）人機(jī)交互與設(shè)計，文字、箭頭等展示效果的顯示與隱藏。提供交互界面，用戶可以瀏覽廠房的介紹信息，介紹內(nèi)容以文字方式表現(xiàn)，能夠通過交互操作隱藏和顯示文字信息。

（3）虛擬儀表和監(jiān)控界面設(shè)計和開發(fā)。系統(tǒng)通過虛擬儀表和監(jiān)控界面顯示車間內(nèi)部的工作狀態(tài)，虛擬儀表及監(jiān)控提供數(shù)據(jù)輸入接口，供其他系統(tǒng)或軟件將獲取到的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時傳入。

1 硬件與軟件工具簡介

1.1 浸入式虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備HTC Vive

HTC Vive 在2015 年巴薩羅那世界移動通信大會上首次公開面世，由HTC 與Valve 兩家公司聯(lián)合研發(fā)出的VR 虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，主要包含1 個頭戴式顯示器，2 個激光傳感定位器，2 個單手控制器，其中頭戴式顯示器通過左右眼觀看不同顯示屏蔽達(dá)到實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺，采用OLED 液晶屏來作為頭盔顯示器的屏幕，該屏幕雙眼合并的有效分辨率高達(dá)2100×1600 像素，其較高的分辨率可以有效降低畫面的顆粒感，從而達(dá)到不錯的用戶體驗，2 個手柄有多個功能按鈕，通過判斷是否按下的狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)豐富的交互功能，2 個定位系統(tǒng)采用的是Value 公司研發(fā)的Lighthouse 來作為產(chǎn)品的特有定位系統(tǒng)控制器，Lighthouse 由兩個基站構(gòu)成，其主要原理是通過發(fā)射的激光和光敏傳感器之間的相互交互來確定物體的運(yùn)動軌跡和位置，從而得到六自由度信息。

1.2 Unity3D三維引擎

本項目的仿真系統(tǒng)是基于Unity3D 平臺實(shí)現(xiàn)的，Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型開發(fā)工具。它是能夠?qū)㈤_發(fā)的產(chǎn)品發(fā)布到Windows、Linux、Mac、iOS、Android 等平臺上的輕量級引擎，具有操作簡單、跨平臺、所見即所得的模型實(shí)時渲染效果。同時由于社區(qū)的活躍，用戶許多豐富實(shí)用的插件資源，腳本是Unity3D 邏輯功能實(shí)現(xiàn)的核心，Unity 腳本支持三種語言，C#、JavaScript 和Boo 腳本，其中Boo 腳本用的較少，C#和JavaScript 為主流，將腳本拖到對應(yīng)的游戲?qū)ο笊?，設(shè)置好初始參數(shù)和對象，點(diǎn)擊程序運(yùn)行就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能了。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)車間漫游系統(tǒng)開發(fā)流程

2.1 三維虛擬場景的創(chuàng)建

前期根據(jù)需求分析得到需要創(chuàng)建的場景，進(jìn)行車間實(shí)地測試及現(xiàn)場調(diào)研，搜集對應(yīng)的數(shù)據(jù)和材料，確立平面圖，建筑風(fēng)格，場景面積大小，交互功能設(shè)計，動畫制作等方便后期制作。對于場景模型的建立，有多種方法，一種是利用Unity 引擎本身的建模功能創(chuàng)立物體，另外一種是利用專門建模軟件進(jìn)行制作，常見的建模軟件有3DMax、Maya 等，每個軟件有各自的優(yōu)勢，3DMax 適用于工程建模、室內(nèi)外場景等方面的指針而Maya 偏向于三維動畫、電影的制作，因此，本項目選擇3DMax 更加合適。充分利用3DMax 的可視化特點(diǎn)，從現(xiàn)場拍攝的圖片中，根據(jù)三維視圖和相關(guān)的數(shù)學(xué)攝像原理，得到車間中各個設(shè)備的大小，完成三維虛擬建模，建模過程中要遵循以下原則：①為了達(dá)到場景的流暢運(yùn)行，要盡可能地控制模型的面數(shù)；②對于看不見的部分，合理的刪除面片數(shù)據(jù)；③UV 拆分中UV 點(diǎn)均勻分布，防止后期貼圖出現(xiàn)畫面變形失真。三維模型優(yōu)化有很多的技巧，主流的有LOD 技術(shù)，這種技術(shù)是根據(jù)視點(diǎn)的遠(yuǎn)近選擇不同性能的模型，對于在遠(yuǎn)處的場景，選擇面數(shù)少的，不僅保全了模型的視覺效果不影響整體感官，而且提高了模型的繪制速度，使系統(tǒng)加載響應(yīng)更快。建立完模型后，保存后將其導(dǎo)出為.fbx 的文件，存入到Unity 項目Project 文件夾中。其中導(dǎo)入有物體的位置信息、材質(zhì)、貼圖、動畫等。最終參考效果間圖1。

圖1 車間內(nèi)部模型

2.2 HTC Vive與Unity的結(jié)合

按照官網(wǎng)的教程下載相應(yīng)的驅(qū)動，之后安放2 個激光定位傳感器，將頭盔和手柄控制器放在定位器可見的范圍內(nèi)，然后就是定位，即需要設(shè)置一個原點(diǎn)的位置，構(gòu)造一個虛擬的坐標(biāo)系統(tǒng)，一起設(shè)置好之后，便可以準(zhǔn)備開發(fā)了，雖然官方提供的SteamVR 插件提供了一個C＃接口，讓開發(fā)人員可以與Vive 設(shè)備進(jìn)行交互，但獲取控制器輸入狀態(tài)或設(shè)備姿勢會導(dǎo)致大量冗余代碼，主要為以下兩點(diǎn)：①您必須連續(xù)獲取正確的設(shè)備索引（2 個手柄控制器的哪一個），該索引由Steam-VR_ControllerManager 在連接控制器時確定；②定位SteamVR_ControllerManager 也會帶來更多的開銷，所以這里我們采用的是ViveInputUtility 插件，封裝了底層細(xì)節(jié)，讓我們開發(fā)更加簡單，ViveInputUtility 有以下一些特點(diǎn)，使用靜態(tài)函數(shù)獲取設(shè)備輸入按鈕事件跟蹤姿勢，使用ViveRaycaster 組件發(fā)送射線，可以實(shí)現(xiàn)多種碰撞檢測，包含2D、3D、UI 等。下面是一些C#腳本示例：

配置ViveInputUtility 插件的具體步驟如下：①打開Steam 平臺下載SteamVR 這是由Value 提供的官方庫，可以簡化Vive 開發(fā)；②在Unity 的AssestStore 中下載ViveInputUtility 插件；③導(dǎo)入到工程中，選擇默認(rèn)的推薦設(shè)置；④將ViveInputUtility 中的預(yù)設(shè)體拖到項目中，根據(jù)功能的需要，給相應(yīng)的物體加上可拖拽，可瞬移的腳本。

2.3 功能的開發(fā)與發(fā)布

（1）視角的切換

通過在場景中放置多個攝像機(jī)，當(dāng)獲取到手柄控制器按下扳機(jī)的指令時，進(jìn)行視角的切換，即隱藏第一人稱相機(jī)，將其狀態(tài)設(shè)置為GameObject.SetActive(false)，同時打開第三人稱相機(jī)進(jìn)行人物移動的跟隨，保持一定的距離。主要代碼如下：

（2）交互組件開發(fā)

HTC Vive 設(shè)備通過控制手柄來實(shí)現(xiàn)輸入信息，可以使用瞬移、點(diǎn)擊、拖拽等功能。實(shí)現(xiàn)瞬移功能時，要預(yù)先設(shè)置好可瞬移的區(qū)域，避免造成畫面的丟失。因為不能夠讓用戶可以走出到場景之外的區(qū)域或者穿越到不透明物體的內(nèi)部，這里采用虛擬碰撞器的原理，當(dāng)?shù)竭_(dá)邊界時，由于存在碰撞檢測算法，控制器便不能繼續(xù)往邊界之外移動了，瞬移地點(diǎn)的選擇方式為貝塞爾曲線，生成選擇地點(diǎn)的遠(yuǎn)近由用戶使用控制器手柄的方式，越高則可選擇的范圍越大，如果用戶將手柄舉起角度大于45 度，系統(tǒng)會鎖定這個距離的交點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)瞬時移動。使用瞬移的好處是減少不適感，由于要達(dá)到流暢的VR 體驗對硬件設(shè)備要求比較高，所以采用瞬移的方式具有普遍性，減少用戶的疲憊感和眩暈感。

3D 拾取技術(shù)，在漫游過程中，用戶可以通過發(fā)射射線與場景中的物體交互，其主要原理是由攝像機(jī)和屏幕上的位置確定一條射線，射線指向3D 世界，最先第一個可碰撞的物體與此射線相交的物體就是被選中的物體，通過捕獲這個消息，可以實(shí)現(xiàn)材質(zhì)的更改或者動畫的播放，從而達(dá)到交互的目的。

（3）打包發(fā)布

完成所有的場景創(chuàng)建和功能開發(fā)后，選擇要運(yùn)行的平臺操作系統(tǒng)，即可將整個平臺發(fā)布為可執(zhí)行.exe文件，連上HTC Vive 設(shè)備后，點(diǎn)擊運(yùn)行該應(yīng)用程序即可實(shí)現(xiàn)漫游效果。

3 結(jié)語

本項目通過對虛擬現(xiàn)實(shí)車間漫游的研究與實(shí)現(xiàn)，利用建模軟件3DMax 進(jìn)行車間實(shí)體場景的真實(shí)還原，通過HTC Vive 作為交互設(shè)備和Unity 作為開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了車間的交互式漫游體驗，實(shí)現(xiàn)了多種視角的漫游體驗，通過其交互功能更加生動了模擬真實(shí)生產(chǎn)中的過程，證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于展示與生產(chǎn)教學(xué)的有效性，同時這些技術(shù)也可以應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域的仿真，具有一定的借鑒性。