基于三維技術(shù)的虛擬展廳的設(shè)計與應(yīng)用

唐翠蘭 陶 欣 陳泰東

（韶關(guān)學(xué)院教育技術(shù)系，廣東 韶關(guān) 512005）

1 引言

虛擬展廳是基于三維技術(shù)的一種高互動3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境，可以讓使用的人體驗到一種足不出戶便如同親臨現(xiàn)場的感覺。虛擬展廳運用三維建模的技術(shù)，通過運用照相機對現(xiàn)有場景進(jìn)行各種不同角度的拍攝，根據(jù)照片參考建立基本模型，再利用后期程序技術(shù)加工渲染，最后得到360度任意瀏覽的立體虛擬實景?，F(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，越來越多人在選擇傳統(tǒng)展廳之外，會有機會接觸虛擬展廳。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維技術(shù)的運用也越來越成熟，加上高真實度的虛擬漫游系統(tǒng)和極致體驗感的交互環(huán)節(jié)，虛擬展廳將越來越快地進(jìn)入大眾的視野，被大眾所接受。

2 研究背景

2.1 傳統(tǒng)實體展廳的不足

進(jìn)入大數(shù)據(jù)信息高速時代，傳統(tǒng)實體展廳的不足逐漸顯現(xiàn)。傳統(tǒng)實體展廳的主要形式為實體、靜態(tài)形式。參觀者需要親身實地移動到展廳所處的地理位置，然后進(jìn)行實地的參觀瀏覽。在這個過程中，參觀者需要移動自身的位置，并且在路程上也要花費時間金錢，最后再進(jìn)入實體展廳參觀。

傳統(tǒng)實體展廳在沒有導(dǎo)游的情況下，參觀者只能通過展廳的固定靜態(tài)文字信息以及圖片，再結(jié)合擺放好的實體物品自行參觀研究。對于已經(jīng)陳列擺放好的物品或景物，若無法對其進(jìn)行人為移動，則難以進(jìn)行全方位全角度的參觀欣賞。

對于傳統(tǒng)實體展廳所展示的信息，只有具體規(guī)模上已展示出來的文字或者圖片，無法再即時進(jìn)行拓展，內(nèi)容十分有限。若參觀者想要更快更全面地了解自己想要研究的相關(guān)信息和資料，則無法快速地進(jìn)一步瀏覽和查詢。

在便捷程度上，傳統(tǒng)的實體展廳可能還需要提前預(yù)約，在路上的時間也將有所消耗。若人流量較大的情況下，參觀者也無法隨心所欲地根據(jù)自己的節(jié)奏計劃進(jìn)行詳細(xì)的研究欣賞。

綜上所述，傳統(tǒng)實體展廳可能已經(jīng)無法滿足部分新興企業(yè)以及新時代網(wǎng)絡(luò)用戶的需求，另外，對于不具有充足時間、缺乏足夠精力，以及金錢預(yù)算不充裕的參觀者來說，受限于時間和地理環(huán)境的不可抗力因素，也是傳統(tǒng)實體展廳的不足。

2.2 虛擬展廳的優(yōu)勢

首先，相比傳統(tǒng)的實體展廳，虛擬展廳的優(yōu)勢在于不需要在固定的時間與固定的地點進(jìn)行。因此大大縮小了虛擬展廳在時間地點上的限制。只要使用者擁有相應(yīng)的設(shè)備，就可以在任意時間地點進(jìn)行虛擬展廳的參觀，且不限時長。

其次，不同的虛擬展廳可以展現(xiàn)完全不一樣的功能，這些功能甚至可以一鍵切換，快速移動、翻閱、轉(zhuǎn)移等。根據(jù)設(shè)計者制作的虛擬展廳，可以自動播放相關(guān)信息、歷史資料等等，提供智能導(dǎo)游功能。參觀者可以得到全方位詳細(xì)的關(guān)于展廳的介紹。而且虛擬展廳還可以更好地進(jìn)行內(nèi)容傳播，可以被不同的企業(yè)或行業(yè)所運用，能夠以較低的消費門檻進(jìn)入觀眾的視野，從而達(dá)到宣傳、普及教育知識的目的。

再次，建立在三維模型基礎(chǔ)上的虛擬展廳，可以對物品以及展覽品進(jìn)行全方位的解讀和展示。使用者可以通過操縱軟件使得展覽品360度翻轉(zhuǎn)，可以看到靜態(tài)實體物品所看不到的背面或底面細(xì)節(jié)等等，通過縮放功能也可以使三維物品進(jìn)行放大縮小，觀察細(xì)節(jié)或者是全景。這對于需要用不同的方式研究觀察物體的使用者來說，是非常大的優(yōu)勢。

虛擬展廳獨有的強大交互性能，也能為使用者增強使用感受。因為虛擬展廳是虛擬信息和物品的展現(xiàn)，且能夠進(jìn)入大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)，所以當(dāng)使用者想要了解關(guān)于某個產(chǎn)品的更具體信息和來源時，只需要輕輕一點，就可以對物品的各種詳細(xì)信息一覽無余。使用者也可以通過不同鏈接看到更多關(guān)于產(chǎn)品的信息。若升級體驗效果，還可以伴有人聲解讀，或者是身臨其境般的效果音和影片展示等等。

3 三維虛擬漫游實現(xiàn)的可行性

3.1 三維建模技術(shù)的實現(xiàn)

在實際建模之前，我們將要對建模對象和環(huán)境進(jìn)行拍照采樣等操作（圖1）。首先去到實地考察并確定虛擬展廳的大致地形，對地理面貌進(jìn)行全方位觀察并匯總，直至可以達(dá)到作為建模參考的標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。對于全方位廣角地理環(huán)境與地形的觀察理解，可以采用無人機技術(shù)或者是使用衛(wèi)星所拍攝的高清晰圖。對于花草樹木等自然景觀，無法做到完全一致的，盡量選擇貼近原貌并且無違和感的進(jìn)行三維創(chuàng)作。

圖1 三維建模虛擬展廳流程邏輯圖

圖2 地形建模

在基本的三維建模技術(shù)中，可以采用虛幻引擎。虛幻引擎是游戲公司EPIC開發(fā)的一款有助于三維建模設(shè)計的專業(yè)軟件，是一個面向游戲機以及個人電腦的完整游戲開發(fā)平臺，此軟件提供了游戲開發(fā)者所需要的大量核心技術(shù)、數(shù)據(jù)生成工具和基礎(chǔ)支持等。虛幻引擎提供了軟件3D Studio Max以及Maya將模型傳入虛幻引擎中，而其中擁有的貼圖坐標(biāo)、網(wǎng)格拓?fù)湫畔?、材質(zhì)名稱、平滑組、骨骼結(jié)構(gòu)和骨骼動畫數(shù)據(jù)等也能置入其中。虛擬引擎所具有的可視化地形編輯器，還能夠?qū)崟r展現(xiàn)地形的變化，這是非常強大且實用的一項功能。

所有在現(xiàn)代數(shù)據(jù)編輯工具中使用的基本功能，虛幻引擎都具備，如：多層撤銷/重復(fù)功能，拖拽，拷貝粘貼，自定義快捷鍵和顏色配置，視圖管理等等。

在虛幻引擎中建模的大多數(shù)角色都是由兩個網(wǎng)格模型建立的：一個是具有幾千多邊形的實時網(wǎng)格，一個是有數(shù)百萬多邊形的細(xì)節(jié)網(wǎng)格。在這里虛擬引擎提供了一個分布式計算的程序，它可以對細(xì)節(jié)網(wǎng)格進(jìn)行光線跟蹤，并且從高多邊形幾何結(jié)構(gòu)中生成一張法線貼圖，在游戲中賦予其實時網(wǎng)格。這種技術(shù)所帶來的成效是在游戲中的網(wǎng)格即便帶有高多邊形網(wǎng)格的所有光影細(xì)節(jié)信息，也依然可以十分容易地實時渲染。例如，使用法線貼圖實現(xiàn)的超過1億個三角形的效果，最后實際上只有50萬個三角形。虛幻引擎還包含了案例過程部分和100%的源代碼，其中就包括引擎本身、編輯器、Max/Maya導(dǎo)出插件和所有該公司內(nèi)部開發(fā)的游戲代碼。

因此在虛擬展廳的三維建模上運用到虛擬引擎技術(shù)，將會大大提高建模的速度和效果。且運用該技術(shù)時，將不用過多考慮三維模型的面數(shù)限制，這也全面提高了建模的自由度。

之后，在對應(yīng)擁有相關(guān)建筑的地方建立簡單基礎(chǔ)的模型，確定其比例和位置。然后再將做好的整張地圖包括建筑一起，導(dǎo)入到常用的三維建模軟件如3D Max或Maya中。對主要的房子建筑、裝飾等模型，繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化的修飾建模。在建模的步驟完成后，就繼續(xù)展UV，然后畫貼圖。在多人進(jìn)行的合作工程中，三維建模的模型部分可以分工合作，可以大大加快工程進(jìn)度。當(dāng)最重要且基礎(chǔ)的三維模型和貼圖都完成以后，便可以進(jìn)行打光操作，烘焙光照貼圖，進(jìn)一步提升環(huán)境氛圍。上述的虛幻引擎技術(shù)可以實現(xiàn)動態(tài)全局光照，此項功能優(yōu)化了我們的使用體驗，但是仍存在光源溢出屏幕就不會發(fā)光之類的問題，因此打光之后還要進(jìn)行烘焙光照貼圖，然后再疊加使用lumen（動態(tài)全局光照技術(shù)）。

綜上所述，三維建模技術(shù)可以完全適合運用到虛擬展廳的制作中。

3.2 虛擬漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

VR（Virtual Reality）即虛擬現(xiàn)實，是美國VPL公司創(chuàng)始人拉尼爾所提出的，是一種在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。其中，計算機生成的、可交互的三維環(huán)境成為虛擬環(huán)境（即Virtual Environment，簡稱VE）。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。而虛擬漫游系統(tǒng)主要是指在虛擬的環(huán)境下，用戶進(jìn)行簡單操作，便可以實現(xiàn)一種模擬移動、漫游的效果。在不同場景的接入點置入移動觸發(fā)點，便可以使用戶在不同的場景間移動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)場效果。對于三維模型和墻體等等，需要設(shè)置為不可穿越，只留出可供用戶移動穿梭的場地，便形成了漫游環(huán)境的通道。

3.3 交互環(huán)節(jié)的實現(xiàn)

交互是指計算機或多媒體程序可以通過編程人員或者使用者，通過編寫好的程序以及發(fā)出指令控制程序與計算機的運行。程序在接受使用者的指令而后做出反應(yīng)的這一過程及行為，稱之為交互。利用虛幻引擎里的藍(lán)圖功能，可以更方便簡單地實現(xiàn)一些基本的交互效果，甚至可以免除很多代碼的輸入設(shè)置操作。

以自動開關(guān)的門為例。創(chuàng)建藍(lán)圖后，打開藍(lán)圖的編輯頁面，首先確認(rèn)互動目標(biāo)這個藍(lán)圖在世界場景（虛擬展廳）中的坐標(biāo)原點，需要一個SceneComponent作為Root，也可以根據(jù)個人的習(xí)慣使用引擎默認(rèn)的根組件，方法多樣。之后需要一個StaticMesh放置建立的模型，這個模型擁有不同分工組件，需要在組件中添加相應(yīng)的StaticMeshComponent并命名。根據(jù)門打開的方式來設(shè)置開門的速度和時間，創(chuàng)建對應(yīng)的TimeLine組件。為了讓使用者在遠(yuǎn)離門的時候不產(chǎn)生開門的狀況，要加入BoxCollision組件，這個組件可以確認(rèn)距離并作出對應(yīng)程序反應(yīng)。

虛擬漫游展廳一旦面向網(wǎng)絡(luò)開放，則會有許多未接觸過此項目的用戶使用。為了讓這些使用者更直觀方便地使用三維虛擬展廳，應(yīng)用程序的設(shè)置中最好加入基本的文字指引與操作提示，讓使用者知道可以通過什么按鍵進(jìn)行何種操作。因此我們在藍(lán)圖的制作時，可以添加相應(yīng)的TextRender組件，以提供文字提示。最后總結(jié)一下對交互的要求，便可以對藍(lán)圖進(jìn)行邏輯編寫了。

虛擬漫游展廳的交互功能可以通過手柄控制，也可以使用VR眼鏡設(shè)備的視覺停留點。如果所用的瀏覽設(shè)備是電腦端或者手機端，還可以用鍵盤或者點擊來實現(xiàn)。

在制作虛擬展廳時，可以安排以下的交互效果：選擇物品進(jìn)行詳細(xì)的信息羅列顯示、放大縮小圖片、彈出相關(guān)名詞的解釋或鏈接、提供地點快速轉(zhuǎn)移的方式，以及各種依據(jù)用戶操作而產(chǎn)生反應(yīng)的效果。

4 三維虛擬展廳的應(yīng)用

4.1 建模與漫游系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用

建模與漫游系統(tǒng)結(jié)合，即是利用三維建模這種方式構(gòu)筑漫游的系統(tǒng)場景。以三維模型作為主要物體和背景，建立起可以供用戶“漫游”的場所。三維展廳就是利用這種方式，構(gòu)建出了一個可以讓用戶自行移動參觀瀏覽的虛擬展廳。當(dāng)模型場景完成之后，可利用后續(xù)的流程軟件，搭建其內(nèi)部的漫游系統(tǒng)。

在以建模為基礎(chǔ)開展的虛擬漫游中，需要有以下幾種特性：（1）仿真性

句中“爪牙之利，筋骨之強”，能翻譯成“爪子和牙齒的鋒利，筋骨的強健”嗎？顯然太別扭。倒過來，“利”和“強”分別作“爪牙”“筋骨”的定語，意思為“鋒利的爪子和牙齒，強壯的筋骨”。

作為供用戶游玩參觀的展廳，其三維建模必須要達(dá)到一定的仿真性，要像現(xiàn)實那樣可以看清圖片，房屋材質(zhì)，比例正確，不然則會像玩游戲一般脫離虛擬現(xiàn)實展廳的效果。

（2）可動性

用戶在虛擬展廳中漫游時必須感覺到自己是真實可動的。在有道路的地方如若不能行走，則會顯得十分突兀。當(dāng)用戶從一個場景位移到另一個場景時，如果銜接轉(zhuǎn)換的效果不夠流暢、過于拖沓，則大大降低了漫游的體驗感。

（3）操作性

漫游展廳時對于展廳內(nèi)部的模型部件可否操作、燈光按鈕以及圖片文字可否翻閱，也是影響展廳漫游效果的因素。更強的交互會帶來更好的體驗感，但過于虛擬非現(xiàn)實的設(shè)計如虛幻彈窗等等，又會使展廳脫離現(xiàn)實，顯得過于魔幻。所以操作性的安排和設(shè)計，也是會影響三維建模展廳漫游種類和體驗的特性之一，需要努力找到其中的平衡點。

建模與漫游系統(tǒng)的結(jié)合越自然流暢，整個三維虛擬展廳質(zhì)量越高，帶來的用戶體驗效果就越好。因此這兩者的結(jié)合是十分重要且需要提升的關(guān)鍵。

4.2 配合VR設(shè)備后的實際應(yīng)用

佩戴VR設(shè)備以后，用戶將會仿佛置身于一個虛擬的現(xiàn)實環(huán)境中，四周360度都會是建好的模型場景。這種全景可視度不只是水平方向上的360度，而且豎直方向上的垂直360度都可以根據(jù)用戶的頭部轉(zhuǎn)動而觀測到。用戶既能在展廳內(nèi)抬頭看見天花板和燈，也能低頭看見地板。因此佩戴VR設(shè)備以后，配合頭盔上的陀螺儀傳感器，畫面就會隨著用戶頭部的轉(zhuǎn)動而改變不同方向的畫面，設(shè)置調(diào)整得越好，真實感越強。這樣便能營造出虛擬環(huán)境里的“沉浸感”。

在虛擬展廳中，可以通過操作展示，讓用戶實現(xiàn)超越現(xiàn)實的體驗操作，比如在文物上端浮空展現(xiàn)對應(yīng)圖片和文字信息，或者插入一段環(huán)境音效，讓用戶回歸當(dāng)時的氣氛環(huán)境，這樣會使整個參觀過程更加具有震懾力和氛圍感染力。

4.3 更多可應(yīng)用情況

三維虛擬展廳建成以后，可運用到的范圍很多。除了普通的作為某個展館的線上參觀方式以外，還可以起到宣傳作用。三維虛擬展館可以作為一種科普手段，讓人們更加了解其中的知識，也可以作為一種有趣的游戲?qū)W習(xí)形式，讓新時代的孩子更感興趣更快接受，從而培養(yǎng)他們對于參觀展廳和文物歷史的興趣。對于專業(yè)人士，虛擬展廳的資料和圖片信息也更容易收集整理，可以全方位加上細(xì)節(jié)顯示展品，起到了很好的輔助參考用途。

5 技術(shù)難點

基于三維技術(shù)的虛擬展廳，在制作過程中的難點如下：首先是建模的部分，建模作為一切的基礎(chǔ)，同時也是虛擬展廳質(zhì)量最直觀的表現(xiàn)。要把模型建造地真實還原、符合現(xiàn)實原樣，這是第一個完全依賴于技術(shù)的難點。其次是一開始對于虛擬展廳的設(shè)計，如確定布局、室外的地形高度、建筑分布距離等等，都是前期比較困難的地方（圖3）。

圖3 建筑高度與布局的確認(rèn)

在材質(zhì)方面，要收集每件文物或者建筑的材質(zhì)圖片，但是在鋪建地形貼圖時，追求良好效果的路線則會遇到一些技術(shù)難點，那就是地形材質(zhì)用一張貼圖在巨大地形上不斷重復(fù)，會造成很明顯的重復(fù)感。因為地形材質(zhì)的映射方式為Z軸映射，所以在斜率高的面上貼圖拉伸嚴(yán)重。解決方法是用幾張不同大小的噪波疊加，然后控制地表材質(zhì)亮度在0.5～1cd/m2內(nèi)隨機且不重復(fù)，這樣就能獲得不同的紋理變化，同時使用voronoi噪波（噪波類型）來消除重復(fù)效果（圖4）。

圖4 地面材質(zhì)紋理置換

之后便是編程代碼，交互和漫游系統(tǒng)的設(shè)置會出現(xiàn)難點，每樣物體的可接觸點、交互的效果、持續(xù)時間、漫游的范圍控制與轉(zhuǎn)場效果等等都要有詳細(xì)的設(shè)定。最后所有的環(huán)節(jié)結(jié)合在一起，成為完整的虛擬漫游空間。

6 結(jié)語

三維虛擬展廳是基于三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)所建立的產(chǎn)品。在分析傳統(tǒng)展廳的不足、虛擬展廳的優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，探討了三維虛擬漫游實現(xiàn)的可行性，包括以下三種技術(shù)的實現(xiàn)方式，首先是三維建模技術(shù)的實現(xiàn)，建模的好壞是直觀體現(xiàn)整個展廳質(zhì)量的基礎(chǔ)；然后是虛擬漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)，虛擬漫游與VR結(jié)合，兩者共同影響著用戶的沉浸代入體驗感；最后是交互環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，交互環(huán)節(jié)的設(shè)置決定了用戶可以操作的范圍，也代表了一小部分可玩性，增強物體和圖片文字的操作性，會讓三維虛擬展廳的實用性更強。

對于三維虛擬展廳的應(yīng)用，也作出了一定范圍的討論，探討了建模與漫游系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，以及配合VR設(shè)備后的實際應(yīng)用。三維虛擬展廳的可應(yīng)用范圍很廣，實用性強，便捷性也很大。三維虛擬展廳的設(shè)計與應(yīng)用融合了多種技術(shù)，作為時代前沿的新興品，三維虛擬展廳在未來的發(fā)展空間還會繼續(xù)擴大。