基于Unity 的《AR 槍械》的設(shè)計與實現(xiàn)

彭偉國，栗昊

（平頂山學(xué)院計算機學(xué)院（軟件學(xué)院），平頂山467000）

0 引言

隨著智能手機的普及，人們通過手機圖片和視頻去觀察了解事物，但是不能從三維視角下觀看物體的方方面面。AR 的優(yōu)勢就在于能夠把原本在現(xiàn)實物理世界中難以體驗到的真實的感官信息，通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[1]。而AR 技術(shù)的這一優(yōu)勢能幫助人們在虛實結(jié)合的場景中有更好的交互體驗。槍械并不是每個人都能接觸到的物品，但又有很多人對槍械特別感興趣。眾多人的愛好需求和社會現(xiàn)狀出現(xiàn)了矛盾，《AR 槍械》通過增強現(xiàn)實技術(shù)，將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間。AR 技術(shù)使真實場景與虛擬物體無縫對接，通過《AR 槍械》這一科普軟件，用戶能夠以立體真實的視角，增強用戶對槍械知識的學(xué)習(xí)興趣，了解槍械科技的發(fā)展。

1 項目策劃

《AR 槍械》能夠讓用戶通過掃描槍械平面識別圖來觀察三維的槍械模型，并且會出現(xiàn)槍械數(shù)據(jù)和槍械歷史，用戶可以通過閱讀屏幕上的內(nèi)容來了解所掃描的槍械的數(shù)據(jù)及歷史。并且三維槍械模型出現(xiàn)后，用戶可以通過滑動屏幕旋轉(zhuǎn)模型，滿足用戶全方位觀察槍械的需求。

啟動AR 程序，用戶能夠看到開始識圖、藏品、項目設(shè)置、項目幫助和退出項目等五個按鈕。用戶點擊開始識圖，項目會跳轉(zhuǎn)到識圖界面，用戶通過槍械識別圖獲取該槍械的三維模型。通過單個手指在手機屏幕上下左右滑動控制模型上下左右旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個手指間的距離變小時模型縮小，當(dāng)距離變大時模型放大。用戶可通過數(shù)據(jù)和歷史按鈕來查看該槍械的相關(guān)數(shù)據(jù)和歷史介紹。用戶也可選擇截圖、收藏和退出等功能。

用戶點擊藏品按鈕，項目會進入到藏品界面，在藏品界面用戶可查看槍械藏品的三維模型及該槍械的槍械數(shù)據(jù)和槍械歷史，用戶也可選擇取消收藏該槍械。通過設(shè)置按鈕可跳轉(zhuǎn)到設(shè)置界面，用戶可以通過滑條控制項目音效大小。通過射擊體驗按鈕可跳轉(zhuǎn)到射擊體驗場景，可以使用自己選擇的槍進行射擊體驗。通過項目幫助按鈕可跳轉(zhuǎn)到項目操作介紹界面，用戶點擊退出按鈕，退出項目界面。

2 項目實現(xiàn)技術(shù)

《AR 槍械》應(yīng)用程序主要運用Unity3D 游戲引擎、Vuforia 軟件開發(fā)工具包和C#腳本語言進行開發(fā)，項目UI 主要運用Photoshop 和Unity 軟件進行制作，項目中的槍械3D 模型主要運用Maya 軟件進行建模?！禔R 槍械》在項目策劃的基礎(chǔ)上，首先完成了槍械3D 模型、項目UI 等設(shè)計工作，然后進行AR 識圖、槍械收藏、資源加載、截圖、藏品展示、項目幫助、項目設(shè)置、射擊體驗等功能的開發(fā)。項目中的槍械數(shù)據(jù)使用JSON 進行存儲。項目模塊間采用了單例模式進行通信。

項目資源準備方面，除了模型、UI 效果圖之外，實現(xiàn)AR 槍械的關(guān)鍵一環(huán)就是識別圖的制作了。

首先，在Maya 中渲染出槍械模型的正視圖，保存其位置，作為AR 槍械模型的渲染圖；然后，在Vuforia的官網(wǎng)（https://developer.vuforia.com/）注冊并登錄賬號，通過官網(wǎng)Add Database 按鈕創(chuàng)建槍械數(shù)據(jù)庫Firearms?Database；最后，在數(shù)據(jù)庫界面點擊Add Target 按鈕，選取制作的渲染圖，完成一個識別圖的添加。重復(fù)前面步驟，添加其他槍械識別圖，完成識別圖數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。

3 項目功能設(shè)計

在軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中，類圖設(shè)計起到承上啟下的作用，對上是用例分析的結(jié)果，對下是系統(tǒng)代碼設(shè)計的藍本[2]。類圖也是描述系統(tǒng)詳細功能設(shè)計的有效方式之一，能夠描述系統(tǒng)設(shè)計中類與類之間的聯(lián)系，也能夠?qū)︻惖膬?nèi)部構(gòu)成加以說明[3]。AR 識圖、資源加載、藏品展示是整個項目里面最核心的幾個功能，在進行項目開發(fā)的初期，首先要完成各個功能模塊的類圖設(shè)計。

3.1 AR識圖功能設(shè)計

AR 槍械軟件啟動后，當(dāng)用戶點擊應(yīng)用軟件上的識圖功能，打開相機，相機對準識別圖進行識別，根據(jù)不同的槍械識別圖，用戶能識別出不同的槍械模型，并對識別出的模型進行放大縮小和旋轉(zhuǎn)操作。

AR 識圖類圖如圖1 所示，類GameManger 和類MyDefaultTrackableEventHandler 之間是依賴關(guān)系。設(shè)計單例類GameManger 儲存識別的槍械的名字，在該類中設(shè)計string 類型name 字段儲存槍械名稱，設(shè)計方法SetFirearmsName（）獲取槍械名稱。設(shè)計類MyDefault?TrackableEventHandler 解析識別圖數(shù)據(jù)庫以及實現(xiàn)模型的加載，在該類中設(shè)計GameObject 類型的pregabs儲存槍械模型資源，設(shè)計方法OnTrackingFound（）加載模型，設(shè)計方法OnTrackingLost（）刪除模型。

圖1 AR識圖功能類圖

3.2 資源加載功能設(shè)計

當(dāng)用戶掃描槍械識別圖時，加載對應(yīng)的槍械模型，當(dāng)用戶點擊菜單欄中的數(shù)據(jù)按鈕時會加載并顯示當(dāng)前槍械的數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶點擊菜單欄中的歷史按鈕時會加載并顯示當(dāng)前槍械的歷史信息。

資源加載類圖如圖2 所示，資源加載功能有關(guān)類的設(shè)計如下：類CollectionUIManager 和類UIManager 都與類InventoryManager 存在依賴關(guān)系，類InventoryMan?ager 和類Firearms 組合關(guān)系。設(shè)計類InventoryManager通過JsonLoadFirearms（）方法實現(xiàn)對Item.Json 文件的解析，解析槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab。類Col?lectionUIManager 和類UIManager 實現(xiàn)對類Inventory?Manager 解析的槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab 加載到相應(yīng)位置。設(shè)計類UIManager，在該類中設(shè)計方法DataButtonClick（）和HistoryButtonClick（）實現(xiàn)在識圖場景當(dāng)用戶點擊數(shù)據(jù)或者歷史按鈕時，顯示對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖2 資源加載功能類圖

3.3 藏品展示功能設(shè)計

藏品展示功能為了滿足藏品場景的互動性和簡潔性進行單獨設(shè)計，當(dāng)用戶點擊主界面的藏品按鈕，進入藏品界面，在藏品界面的右邊是收藏的槍械列表，左邊是槍械的數(shù)據(jù)以及歷史，中間是槍械模型，用戶能滑動中間屏幕旋轉(zhuǎn)、放大和縮小槍械模型，也能滑動歷史Panel 查看完整的歷史介紹。當(dāng)用戶點擊藏品列表的槍械時，在對應(yīng)位置顯示所點擊槍械的模型、數(shù)據(jù)以及歷史。

藏品展示功能類的設(shè)計如下：類CollectionUIMan?ager 和類InventoryManager 之間是依賴關(guān)系，類Inven?toryManager 和類Firearms 之間是組合關(guān)系。在類Col?lectionUIManager 中設(shè)計方法Init（）實現(xiàn)控制藏品場景中槍械列表的刷新；對類InventoryManager 解析的槍的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab 加載到相應(yīng)位置，設(shè)計方法CollectionButtonClickTo（）實現(xiàn)當(dāng)用戶點擊槍械列表中的槍械圖標時，加載對應(yīng)槍械的數(shù)據(jù)、歷史和槍械模型Prefab。類Firearms 用來存放槍械對象，在類Inven?toryManager 中設(shè)計方法JsonLoadFirearms（）解析的槍械數(shù)據(jù)，槍械數(shù)據(jù)都是按照類Firearms 對象的狀態(tài)儲存在內(nèi)存中，方便查找。

藏品展示功能的類圖設(shè)計如圖3 所示。

圖3 藏品展示功能類圖

4 項目功能實現(xiàn)

4.1 AR識圖功能實現(xiàn)

在SampleScene 場景的Hierarchy 面板中鼠標右鍵創(chuàng)建Vuforia Engine Image，并在該Image 的Inspector面板中點擊選擇Image TargetBehavior 中的Type 為Predefined，Database 為FirearmsDatabase，ImageTarge為槍械中的一個，并將Image 的名稱改為選擇的Imag?eTarge 的名稱一致。重復(fù)上述步驟完成所有槍械Im?age 的制作。

為所有Image 槍械添加MyDafaultTrackableEven?tHandler 腳本，在這個腳本中編寫名字為OnTrack?ableStateChanged（）方法，當(dāng)程序運行時通過該方法中的Stattus 屬性去解析識別到的圖片是否是當(dāng)前Image圖片，如果不是繼續(xù)識別，如果是當(dāng)前圖片將調(diào)用名字為OnTrackingFound（）方法將該槍械模型加載到內(nèi)存中，通過GameObject 類型的gameobj 去索引模型，通過Instantiate 方法將gameobj 加載到場景中，完成對應(yīng)槍械模型的加載，實現(xiàn)識圖功能。AR 識圖功能效果圖如圖4 所示。

圖4 AR識圖功能效果圖

4.2 資源加載功能實現(xiàn)

在項目場景的Hirerarchy 面板創(chuàng)建空物體，創(chuàng)建InventoryManager 的腳本并加載在空物體上，通過腳本中的JsonLoadFirearms 方法，以文件讀寫的方式讀入Items.Json 文件中槍械編號、槍械名稱、槍械收藏狀態(tài)、槍械歷史、槍械重量等槍械資源。通過firearmsList 列表存儲JSON 解析的全部槍械數(shù)據(jù)，然后通過GetFire?armsState（）方法獲取某個槍械的所有數(shù)據(jù)。

在識圖場景，當(dāng)用戶識別槍械后，用戶點擊菜單欄中的數(shù)據(jù)按鈕，該按鈕通過監(jiān)聽事件通過MainMe?nuButtonClick（）方法通過GameManager 類獲取當(dāng)前槍械的名稱name 字段，在通過DataButtonClick（）方法將槍械名字name 發(fā)送給InventoryManager 類的GetFire?armsText 方法，該方法將返回一個Firearms 對象，該對象存儲著當(dāng)前槍械的數(shù)據(jù)信息，獲當(dāng)前數(shù)據(jù)后，將槍械數(shù)據(jù)發(fā)送給Datapanel 面板寫的DataText 的Text 文本，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；當(dāng)用戶點擊HistoryButtonClick按鈕時，重復(fù)數(shù)據(jù)按鈕方法，將槍械歷史顯示在屏幕上。

4.3 藏品展示功能實現(xiàn)

藏品展示功能的實現(xiàn)效果圖如圖5 所示，該功能的實現(xiàn)步驟如下：

（1）給藏品場景中的Canvas 掛在CollectionUIMan?ager 腳本，當(dāng)場景運行時，該腳本將通過Init 方法獲取場景中的藏品展示列表CollectionPanel 以及面板下的所用子物體。

（2）在場景中的Hirerarchy 面板中創(chuàng)建一個空物體，命名為InventoryManager，再掛載InventoryManager腳本，當(dāng)場景運行時，該腳本將運行腳本中的JsonLoad?Firearms（）方法，將Items.Json 文件中的數(shù)據(jù)讀入Fire?List 列表中。Items.Json 文件中通過State 存儲槍械的狀態(tài)，通過查看FireList[n].state 的值來確定槍械是否收藏。

（3）在場景中類CollectionUIManager 通過UpdateS?ceneCollectionFirearmsList（）方法將從InventoryManager類的GetCollectionNameList（）方法中獲取的收藏中的槍械名稱存儲TextList 列表內(nèi)，并依次在CollectionPan?el 通過Init（）方法將槍械名稱加載到藏品列表中，在屏幕上顯示。根據(jù)當(dāng)前列表中槍械名稱，通過Resource.load（）方法將槍械對應(yīng)的圖片，從Resource 文件夾內(nèi)加載到列表中。

5 結(jié)語

AR 槍械這款應(yīng)用程序，用戶通過手機掃描槍械識別圖，識別出槍械模型；用戶通過資源加載功能讀寫槍械配置資源，以在UI 界面顯示槍械數(shù)據(jù)信息和歷史信息；用戶通過藏品展示功能，收藏喜愛的槍械。另外，用戶還可以運用槍械模型進行射擊體驗，享受射擊的快樂。

圖5 藏品展示功能效果圖