基于VR 技術(shù)的區(qū)域建設(shè)與漫游系統(tǒng)研究

郭亮，劉書廷

（1.長(zhǎng)春光華學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130031；2.長(zhǎng)春市第一實(shí)驗(yàn)銀河小學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130031）

為了培養(yǎng)青年學(xué)術(shù)骨干和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)， 加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)，增強(qiáng)科學(xué)研究能力，提升學(xué)校綜合競(jìng)爭(zhēng)力，長(zhǎng)春光華學(xué)院校特設(shè)立了青年科研基金項(xiàng)目。 該項(xiàng)目是以學(xué)校專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助，側(cè)重科學(xué)研究，主要圍繞學(xué)科建設(shè)和學(xué)校發(fā)展過程中需要解決的難點(diǎn)問題進(jìn)行選題和立項(xiàng)，由科研處負(fù)責(zé)組織和管理，面向全校從事教育教學(xué)和管理工作的現(xiàn)崗青年教職工，對(duì)年齡的要求為40 周歲以下，具有較強(qiáng)意識(shí)和創(chuàng)新精神的青年教師。在了解以上幾點(diǎn)要求的情況下，筆者嘗試申請(qǐng)了該次科研基金項(xiàng)目，在后續(xù)為期一年的不懈努力下，將所預(yù)期的科研內(nèi)容保質(zhì)保量的提前完成，以下是該項(xiàng)目的技術(shù)報(bào)告。

1 技術(shù)方法與技術(shù)方案

1.1 技術(shù)方法

（1）采用“資料搜集法”來搜集與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外資料與文獻(xiàn)。

（2）采用“經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法”來總結(jié)國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的成功案例，參加行業(yè)相關(guān)培訓(xùn)，關(guān)注資訊消息。

（3）采用“實(shí)驗(yàn)研究法”來進(jìn)行實(shí)際操作，并且針對(duì)在項(xiàng)目制作中出現(xiàn)的各類問題， 根據(jù)一定的理論知識(shí)進(jìn)行有計(jì)劃的修改，從而得到解決。用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可行性。

1.2 技術(shù)方案

（1）首先要充分搜集篩選相關(guān)內(nèi)容資料。

（2）在實(shí)際操作的基礎(chǔ)上不斷豐富理論內(nèi)容，盡量做到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。

（3）對(duì)建筑物內(nèi)部細(xì)節(jié)深入了解，精確模擬尺寸大小。 重點(diǎn)零件甚至需要分解開。

（4）利用Maya、3DMAX 等三維軟件制作場(chǎng)景模型。 注意模型面數(shù)，同時(shí)不能有穿插。

（5）通過繪圖軟件，盡可能還原建筑材質(zhì)與明暗效果。

（6）與Unity 2018 軟件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化。

（7）增強(qiáng)互動(dòng)性，添加互動(dòng)選項(xiàng)及操作面板，修改毛病。

2 具體研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 前期階段

前期階段包括題目構(gòu)思、情節(jié)設(shè)計(jì)、美術(shù)風(fēng)格、素材搜集。

題目構(gòu)思：在前文中已經(jīng)說明，主要是還原“長(zhǎng)春光華學(xué)院”兩個(gè)校區(qū)的所有建筑物模型。其目的是為了使參觀該校整體建設(shè)風(fēng)貌更加快捷方便和實(shí)現(xiàn)人人交互、人機(jī)交互等目的，從而增加娛樂性和趣味性，體驗(yàn)方式更偏向第一視角游戲的感受。

情節(jié)設(shè)計(jì)：主要是設(shè)計(jì)整個(gè)瀏覽游戲的運(yùn)行方式、游戲關(guān)卡等內(nèi)容，包括角色的視角定位、移動(dòng)方式、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、人人交互設(shè)計(jì)等，最終目的就是為了保證游戲能夠順利運(yùn)行下去。

美術(shù)風(fēng)格：是整個(gè)作品的主要設(shè)計(jì)風(fēng)格，該作品的美術(shù)風(fēng)格偏向?qū)憣?shí)效果， 主要是為了體現(xiàn)兩個(gè)校區(qū)的真實(shí)環(huán)境，其中也包含了校園周邊的自然環(huán)境、風(fēng)雨雷電效果模擬、大氣光照模擬、陰影效果模擬等內(nèi)容。

素材搜集：指真實(shí)場(chǎng)景的視頻與照片取材，項(xiàng)目中包括了第一教學(xué)樓、第二教學(xué)樓、行政樓、圖書館、A 食堂、B 食堂、AB 校區(qū)所有學(xué)生寢室、 四座門樓建筑、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)樓、光華會(huì)館等筑物共計(jì)14 座。 以及所有場(chǎng)景建筑物的真實(shí)尺寸比例數(shù)據(jù)， 所有樓體的材質(zhì)貼圖效果（光線充足情況下拍攝），所有展示牌的文字信息與照片信息，所有植被覆蓋位置等。

2.2 中期階段

中期階段包括建筑物模型制作、材質(zhì)貼圖繪制。其中建筑模型制作方面，所有模型使用Maya2016 軟件中的多邊形建模技術(shù)，通過調(diào)節(jié)三維空間視圖中的“點(diǎn)、線、面”位置來塑造物體，制作中不僅要考慮模型的真實(shí)度，還要考慮面數(shù)的合理性，過多的面數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品交互的流暢性，在制作該模型的時(shí)候，由于模型頂端較為復(fù)雜， 所以頂端位置的點(diǎn)與面數(shù)要多才能將物體的主體結(jié)構(gòu)完整地表現(xiàn)出來。

在材質(zhì)貼圖的制作上， 首先需要將模型拓展UV，這里使用的工具是拓展UV 軟件headus3Dtools， 此款軟件操作簡(jiǎn)單功能強(qiáng)大， 能夠快速將模型的UV 拆分開來， 并且可以修改坐標(biāo)與MAYA、3DMAX 等三維軟件完美的契合， 對(duì)后面繪制材質(zhì)貼圖起到了重要的鋪墊作用。

接下來是將拓?fù)浜肬V 的模型洪培成AR 環(huán)境光貼圖， 目的是將明暗關(guān)系通過Maya 軟件計(jì)算出來，具體步驟是在Maya2016 軟件中將模型粗模平滑成精模，兩種模型位置相交， 再使用MR 渲染器洪培出環(huán)境光貼圖并將貼圖導(dǎo)出。

使用了Photoshop 配合BodyPaint 3D 來完成貼圖的繪制， 具體操作步驟是將模型與貼圖導(dǎo)入到Body-Paint 3D 中進(jìn)行固有色上色。 再將固有色貼圖導(dǎo)入至Photoshop 中設(shè)置圖層混合，得出具有明暗關(guān)系的顏色貼圖。再將貼圖導(dǎo)入到BP 中繪制成最終材質(zhì)。 除此之外，部分標(biāo)志性建筑模型都是通過調(diào)整UV 拓?fù)鋱D，結(jié)合素材照片剪切修改出來的，保證了貼圖的真實(shí)性，項(xiàng)目中所有模型均使用以上介紹的方式制作。

2.3 后期階段

所有模型完成后， 導(dǎo)入至Unity 2018 進(jìn)行交互設(shè)置。 該軟件可以創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)比較流行。模型導(dǎo)入后，需要在軟件中修改坐標(biāo)參數(shù)，很多材質(zhì)、明暗、光影方面的細(xì)節(jié)也需要在Unity中設(shè)置。平臺(tái)中也植入了一個(gè)籃球場(chǎng)投籃的小游戲，同時(shí)對(duì)車輛的移動(dòng)也添加了關(guān)鍵幀動(dòng)畫， 增添了些許樂趣。最后是模擬日常風(fēng)、霜、雨、雪、晝夜等自然現(xiàn)象，豐富畫面的真實(shí)感，以上設(shè)計(jì)可使用Unity 提供的自然環(huán)境資源包，美化場(chǎng)景。

在unity 中， 預(yù)制體對(duì)應(yīng)面向?qū)ο缶幊讨械念悾螒蛭矬w對(duì)應(yīng)面向?qū)ο缶幊讨械膶?duì)象。 我們通過腳本語(yǔ)言編寫的是類中的方法（或稱類的行為），它是儲(chǔ)存在類中的函數(shù)，由引擎本身調(diào)用。 Unity 提供的函數(shù)接口有多種， 其中創(chuàng)建腳本時(shí)即給出了兩種最為簡(jiǎn)單實(shí)用的函數(shù)。 其一是start()函數(shù)，在游戲?qū)ο蟊怀跏蓟瘯r(shí)調(diào)用。另一個(gè)是update()函數(shù)，在每個(gè)游戲循環(huán)周期調(diào)用，可以理解為每幀調(diào)用。 可以說正是腳本語(yǔ)言可以方便地讓引擎開發(fā)的游戲種類有了無限的可能， 不過易于開發(fā)的腳本會(huì)稍微對(duì)游戲的運(yùn)行效率有一些影響。 在vr 漫游的項(xiàng)目中，顯示文字，更改天氣，移動(dòng)物體都是通過不同的腳本函數(shù)實(shí)現(xiàn)。Unity 提供了豐富的腳本函數(shù)，通過調(diào)用這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)很多功能。

3 不足之處和解決方式

3.1 與網(wǎng)站對(duì)接問題

在與網(wǎng)站進(jìn)行對(duì)接時(shí)，由于軟件的制作體積較大，在網(wǎng)頁(yè)中體現(xiàn)虛擬瀏覽時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重卡頓現(xiàn)象， 所以暫時(shí)放棄了與校園網(wǎng)站對(duì)接的功能。

3.2 VR 造成的眩暈問題

用戶在長(zhǎng)時(shí)間使用VR 設(shè)備瀏覽虛擬校園時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短暫眩暈感， 這種眩暈感并不是單個(gè)用戶的特別事例， 而是人類本身對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所帶來的虛擬現(xiàn)實(shí)的正常生理反應(yīng)， 目前的硬件配置解決不了此項(xiàng)問題，但我們可以通過在虛擬世界盡量避免加速度，移動(dòng)盡量使用激光筆（傳送槍）這種瞬移傳送的方式，如果一定要平滑地移動(dòng)可以在起步時(shí)和停止時(shí)增加阻尼以減小加速度帶來的不適，或者使用萬象跑步機(jī)來同步跟蹤移動(dòng)信號(hào)，以上方式都會(huì)有效緩解眩暈帶來的不適。

3.3 尚需深入研究的問題

從2008年至今，VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)10 個(gè)年頭，成型的產(chǎn)品早已經(jīng)融入人們?nèi)粘Ｉ钪?，流行趨?shì)逐漸再往AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)甚至MR 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)上轉(zhuǎn)變。 筆者制作該項(xiàng)目的初衷是想呈上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的末班車，以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，逐漸向著AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)轉(zhuǎn)變， 畢竟AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能夠模擬的內(nèi)容更適合技術(shù)研發(fā)，對(duì)該?？蒲许?xiàng)目的深入研究起到推進(jìn)效果，同時(shí)也對(duì)促進(jìn)該校數(shù)字媒體類專業(yè)的發(fā)展以及畢業(yè)生就業(yè)有所幫助。