基于VR技術(shù)的計算機(jī)配件模型設(shè)計方法

王 雪，王出航，劉曉理

(長春師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130032)

1 研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，更多的學(xué)習(xí)者開始關(guān)注計算機(jī)配件，配件價格上調(diào)以及品種繁多加大了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)配件知識的難度。三維模型的發(fā)展已處于成熟階段，三維模型被廣泛應(yīng)用于教育、游戲和影視特技等行業(yè)，三維模型與VR技術(shù)的結(jié)合可以為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建逼真的虛擬學(xué)習(xí)場景。近些年，我國逐漸加大對VR行業(yè)的支持力度，為VR技術(shù)的發(fā)展提供了良好契機(jī)。將VR技術(shù)應(yīng)用于對計算機(jī)配件的研究與學(xué)習(xí)中，能夠有效幫助學(xué)習(xí)者解決現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中的諸多問題，及時了解硬件市場的最新動向。VR技術(shù)突破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)手段的局限，全面實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)場景立體化、真實(shí)化，使枯燥的學(xué)習(xí)過程變得活靈活現(xiàn)，減輕學(xué)習(xí)者的厭學(xué)心理，使學(xué)習(xí)者可以在一個生動活潑的虛擬環(huán)境內(nèi)學(xué)習(xí)。為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)多種問題情景，這不僅使學(xué)習(xí)者熟練掌握計算機(jī)配件的基礎(chǔ)知識，還增加了學(xué)習(xí)者動手操作練習(xí)的機(jī)會。

2 VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)，簡稱VR技術(shù)，是運(yùn)用計算機(jī)將計算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、心理學(xué)等學(xué)科技術(shù)發(fā)展形成的綜合技術(shù)[1]。通過計算機(jī)生成真實(shí)世界的模擬[2]，建立虛擬的仿真環(huán)境，為體驗者帶來截然不同的身心體驗。虛擬現(xiàn)實(shí)具有以下三個基本特征。

(1)沉浸感，又稱為臨場感，主要是指學(xué)習(xí)者在創(chuàng)建的三維環(huán)境中有身臨其境的真實(shí)感覺，對虛擬環(huán)境內(nèi)的事務(wù)有所感觸。其最主要的特征就是讓學(xué)習(xí)者自認(rèn)為是虛擬環(huán)境中的一部分，隨著虛擬環(huán)境的變換，身心也受到感染。體驗者通過鼠標(biāo)和屏幕等設(shè)備切實(shí)感受虛擬環(huán)境。

(2)想象性，使學(xué)習(xí)者跳脫出現(xiàn)實(shí)世界，無限發(fā)揮想象力，創(chuàng)造出有無限可能的虛擬世界。虛擬世界的所有內(nèi)容都是學(xué)習(xí)者想象出來的，彰顯學(xué)習(xí)者原有的設(shè)計思路。

(3)交互性，是指學(xué)習(xí)者對虛擬環(huán)境內(nèi)存在物體的可操作程度，從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度[3]。交互性主要借助計算機(jī)的窗口、鼠標(biāo)、鍵盤來代替，幫助學(xué)習(xí)者產(chǎn)生與在現(xiàn)實(shí)世界相似的感受。交互性能保證虛擬環(huán)境具備更大的創(chuàng)造性，給學(xué)習(xí)者帶來更逼真的體驗與更好的感受。

3 計算機(jī)配件模型設(shè)計方法

計算機(jī)配件模型設(shè)計全過程主要包括由Maya創(chuàng)建逼真的三維立體靜態(tài)模型，再導(dǎo)入Unity3D以實(shí)現(xiàn)動態(tài)交互功能。下面以三維鼠標(biāo)模型的設(shè)計制作為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1 通過Maya創(chuàng)建鼠標(biāo)模型

Maya是一款三維建模軟件，通過對立方體、球體等基礎(chǔ)幾何元素進(jìn)行拉伸、結(jié)合[4]，構(gòu)建較復(fù)雜的幾何場景。三維鼠標(biāo)模型的創(chuàng)建選用的是Maya2018軟件，創(chuàng)建鼠標(biāo)模型的詳細(xì)步驟如下：

第一步，導(dǎo)入模型樣本。打開Maya軟件，“空格+鼠標(biāo)左鍵”，先將窗口切換到四視圖狀態(tài)，導(dǎo)入鼠標(biāo)的正上方圖片：在Top-Y視圖窗口內(nèi)依次點(diǎn)擊“視圖”“圖像平面”“導(dǎo)入圖片”，打開對話框，在打開的對話框里找到要導(dǎo)入的圖片，雙擊圖片完成導(dǎo)入。圖片導(dǎo)入后，點(diǎn)開右側(cè)的伸縮欄，在通道盒里可以對圖片透明度、大小等屬性進(jìn)行調(diào)整，這里圖片的透明度為60%。然后分別點(diǎn)擊“Side-X”和“Front-Z”視圖，進(jìn)行同樣的操作，導(dǎo)入鼠標(biāo)側(cè)方圖片和正前方圖片，調(diào)整三張圖片的比例和相對位置與真實(shí)鼠標(biāo)一致。

第二步，創(chuàng)建鼠標(biāo)按鈕曲面。首先繪制鼠標(biāo)右側(cè)外表輪廓曲線，在菜單欄依次單擊“創(chuàng)建按鈕”“曲線工具”“CV曲線工具”，沿著鼠標(biāo)圖片上右鍵的邊緣依次在三個視圖中創(chuàng)建錨點(diǎn)，多個錨點(diǎn)相連成為一條曲線，勾勒鼠標(biāo)右側(cè)外形的輪廓。然后由線成面，將勾勒出的四條鼠標(biāo)右側(cè)外形輪廓線條變成一面。在菜單欄依次單擊“曲面”“雙軌成型”“雙軌成形2工具”，再選擇側(cè)邊的兩條曲線單擊“Enter”鍵確定，接著選擇另外兩條曲線重復(fù)操作，鼠標(biāo)右側(cè)曲面就創(chuàng)建完成。最后，選中之前創(chuàng)建的右側(cè)鼠標(biāo)曲面，在菜單欄依次單擊“編輯”“特殊復(fù)制命令”，在彈出特殊復(fù)制選項設(shè)置窗口內(nèi)設(shè)置大小選項的值為(1,1,-1)，然后單擊“特殊復(fù)制”按鈕，鼠標(biāo)左側(cè)曲面完成。

第三步，合并鼠標(biāo)左右側(cè)曲面。選擇制作完成的曲面，在菜單欄依次單擊“曲面”“編輯曲面”“合并曲面”，在彈出的對話框內(nèi)選中“混合”附加方法，在多結(jié)點(diǎn)選中“保持”，調(diào)整混合偏移值為0.500 0，取消選中“插入結(jié)”和“保持原始”，單擊“應(yīng)用”按鈕，完成合并。

第四步，制作鼠標(biāo)中鍵。首先繪制鼠標(biāo)中鍵外部輪廓曲面，先繪制上半部分中鍵輪廓曲線，將其復(fù)制并縮小曲線的范圍，作為下半部分中鍵輪廓曲線。選擇繪制好的兩條中鍵輪廓曲線，在菜單欄依次單擊“編輯”“特殊復(fù)制命令”，接著在彈出的特殊復(fù)制選項設(shè)置窗口內(nèi)設(shè)置大小為(1,1,-1)，合并曲線并執(zhí)行Loft(放樣)命令。然后選擇設(shè)計好的中鍵外部輪廓曲面，再復(fù)選鼠標(biāo)的左右側(cè)曲面，在菜單欄依次單擊“曲面”“曲面圓角”“圓形圓角”，在設(shè)置窗口設(shè)置Radius值為-0.03。然后選擇鼠標(biāo)左右側(cè)曲面，在菜單欄依次單擊“曲面”“修剪工具”，剪切出一個可以放置鼠標(biāo)中鍵的缺口。最后制作鼠標(biāo)中鍵滾輪，創(chuàng)建一個NURBS球體，對曲面球體進(jìn)行變形調(diào)整，直到效果如圖1所示。

圖1 鼠標(biāo)中鍵

第五步，鼠標(biāo)外表曲面模型制作。首先制作鼠標(biāo)側(cè)面輪廓模型，創(chuàng)建四條輪廓曲線并選中，在菜單欄依次單擊“曲面”“雙軌成型”“雙軌成形2工具”，選擇側(cè)邊的兩條曲線按“Enter”鍵確定，接著選擇另外兩條曲線，側(cè)面輪廓模型創(chuàng)建完成。然后制作鼠標(biāo)底部模型，選擇側(cè)邊的曲面單擊鼠標(biāo)右鍵，在下拉菜單中選中“等位線”，顯示曲面等參線，接著在菜單欄上依次單擊“曲線”“復(fù)制曲面曲線”，選擇復(fù)制好的曲線，單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“曲線點(diǎn)”，在曲線上選兩個點(diǎn)，在菜單欄依次單擊“曲面”“曲面編輯”“斷開切線”，將曲線斷成3段。最后使用EP曲線工具，按C鍵鎖定到曲線，在曲線的兩個斷點(diǎn)處繪制一條直線，接著選擇新生成的4條曲線，使其邊界成面，效果如圖2所示。

圖2 鼠標(biāo)底面

第六步，整合模型?；氐巾斠晥D中，在鼠標(biāo)表面的鼠標(biāo)按鈕與后面銜接之處繪制一條曲線，選擇生成的4條曲線，在菜單欄依次單擊“曲面”“邊界成面”，由線成面，鼠標(biāo)模型制作完成。將制作好的鼠標(biāo)模型保存為FBX格式，方便后續(xù)將模型導(dǎo)入到Unity3D軟件內(nèi)。

3.2 Unity3D實(shí)現(xiàn)交互功能

Unity3D可創(chuàng)建三維動畫、游戲等，支持Maya、3ds Max等軟件的導(dǎo)入模型，是一個比較全面的綜合性引擎[5]。在Unity2017.2.0f3軟件內(nèi)，采用C#語言編輯腳本，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)模型的功能設(shè)計，完成后導(dǎo)出為PC端格式，學(xué)習(xí)者可以通過打開導(dǎo)出的執(zhí)行文件開始學(xué)習(xí)。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步，模型導(dǎo)入。只有將制作完成的鼠標(biāo)模型導(dǎo)入到Unity3D軟件內(nèi)，運(yùn)用C#語言編輯腳本才能賦予鼠標(biāo)模型可操作的功能。首先需要創(chuàng)建放置模型的文件夾，選中Unity3D內(nèi)資源文件夾“Assets”，單擊鼠標(biāo)右鍵，選中“Create”選項，在彈出的下拉菜單中單擊“Folder”按鈕，并為新生成的文件夾命名為“MayaModels”。然后在Unity3D主界面菜單欄上單擊“Assets”按鈕，在彈出的下拉菜單中單擊“Import Package”按鈕，接著在出現(xiàn)的下拉菜單中單擊“Custom Package”按鈕，在彈框中選中需要導(dǎo)入的文件夾，最后單擊“保存”按鈕即可，將導(dǎo)入的模型放到主視圖下，開始模型的運(yùn)用。

第二步，編輯腳本，為鼠標(biāo)模型添加交互功能，腳本編寫程序選用的是C#語言。在資源文件夾“Assets”下的“Scripts”文件下單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Create”下拉菜單下的“C# Script”，創(chuàng)建后綴名為.cs的腳本，默認(rèn)狀態(tài)下可以對文件重新命名。打開Unity3D內(nèi)的腳本可以發(fā)現(xiàn)，在此項目中創(chuàng)建的腳本都默認(rèn)繼承MonoBehaviour類，含有常用的基礎(chǔ)函數(shù)、事件響應(yīng)函數(shù)、默認(rèn)組件、組件獲取函數(shù)等，使腳本文件以“組件”形式作用于鼠標(biāo)模型。在虛擬場景內(nèi)最基本的交互功能有場景漫游、鼠標(biāo)發(fā)射射線、碰撞體碰撞等功能。

第三步，場景漫游。攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)場景漫游是通過移動攝像機(jī)的位置和方向觀察虛擬場景內(nèi)的各個角落，腳本實(shí)現(xiàn)函數(shù)是Input.GetAxis()。學(xué)習(xí)者通過鍵盤的上下左右鍵來調(diào)整攝像機(jī)的位移，鼠標(biāo)的滾輪可以調(diào)整攝像機(jī)視角的遠(yuǎn)近程度，方便學(xué)習(xí)者觀察鼠標(biāo)模型的輪廓和細(xì)節(jié)。

第四步，碰撞檢測。碰撞體是Unity3D內(nèi)實(shí)現(xiàn)物理屬性交互最重要的組件之一，場景內(nèi)任何物體想要發(fā)生碰撞必須添加物理組件下的碰撞體組件，它與剛體組件一起作用才能觸發(fā)碰撞效果。每個GameObject在被創(chuàng)建時系統(tǒng)會根據(jù)其外觀形狀自動分配一個合適的碰撞體，根據(jù)物體形狀不同設(shè)有多種類型碰撞體，由于鼠標(biāo)模型外形是不規(guī)則的，所以在創(chuàng)建碰撞體時應(yīng)選擇最貼合鼠標(biāo)外形的碰撞體，本文選擇的是盒子碰撞體。給鼠標(biāo)模型添加盒子碰撞體的具體操作為：選中鼠標(biāo)模型，在右側(cè)“Inspector”面板中點(diǎn)擊“Add Component”按鈕，在輸入框內(nèi)輸入“Box Collider”，盒子碰撞體添加成功后，可以對碰撞體的大小做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，盡可能地模擬現(xiàn)實(shí)中的碰撞效果。添加剛體的方法也是如此，剛體組件為鼠標(biāo)模型提供物理屬性，讓鼠標(biāo)模型在虛擬場景中可以受到物理引擎的作用。鼠標(biāo)模型添加盒子碰撞體和剛體組件后才能觸發(fā)碰撞事件，并自動生成OnColliderEnter、OnColliderStay、OnColliderExit三個碰撞信息發(fā)送給腳本參數(shù)，在這三個函數(shù)下編寫執(zhí)行腳本。

第五步，射線檢測。在虛擬場景中想要360°無死角地查看鼠標(biāo)模型，就涉及Unity3D的射線檢測模塊，常見的射線投射方式包括Linecast和Raycast。Linecast需要定義射線發(fā)射的起止位置[6]；Raycast需要通過設(shè)置射線碰撞變量和更改三維場景中物體的標(biāo)簽[7]，由于終止位置是不固定的，所以選擇用Raycast投射方式。這里以移動鼠標(biāo)模型為例，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

//創(chuàng)建一條從攝像機(jī)到屏幕的射線，并穿過屏幕position(x,y)像素坐標(biāo)(position.z被忽略)

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

//是一個結(jié)構(gòu)體，用來存儲射線返回的信息

RaycastHit hit;

//從攝像機(jī)發(fā)射一條射線，射線范圍是100米，如果射線碰到鼠標(biāo)模型，返回true

if (Physics.Raycast(ray,out hit,100f))

{

//設(shè)置鼠標(biāo)模型要移動的距離

Vector3 offset = new Vector3(18,0,0);

//改變鼠標(biāo)模型位置

hit.transform.position = hit.transform.position + offset;

}

第六步，保存場景。當(dāng)創(chuàng)建完一個場景后，需要對場景進(jìn)行保存，保持場景文件的方法如下：單擊界面左上角的“文件”按鈕，然后在彈出的下拉菜單中單擊“保存場景”按鈕，接著在彈出的對話框中為場景文件命名為“MouseScene”，最后單擊“保存”按鈕，場景保存成功。

第七步，導(dǎo)出場景。本文導(dǎo)出的場景需要在電腦上進(jìn)行觀看，所以導(dǎo)出的格式選擇PC端。導(dǎo)出場景文件的方法如下：單擊界面左上角的“文件”按鈕，然后在彈出的下拉菜單中單擊“Build設(shè)置”按鈕，接著在彈框內(nèi)首先看到的是加載的場景界面，單擊右下方的“Add Open Scenes”按鈕導(dǎo)入“MouseScene”場景，選中此場景。然后，在下半部分的“Platform”界面選中“PC、Mac & Linux Standalone”，其他設(shè)置可以保持默認(rèn)值，單擊“Build”按鈕，選擇放置可執(zhí)行文件的文件夾后點(diǎn)擊“保存”即可。打包好的內(nèi)容是一個可執(zhí)行的exe文件和包含其所需資源的同名文件夾[8]，單擊exe文件后便會出現(xiàn)可以運(yùn)行的對話框，選擇分辨率，單擊“Play”運(yùn)行，進(jìn)入場景開始對鼠標(biāo)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，運(yùn)行效果如圖3所示。

圖3 鼠標(biāo)模型運(yùn)行效果圖

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有計算機(jī)學(xué)習(xí)者面臨的配件種類多、更新速度快等問題，本文運(yùn)用VR技術(shù)，創(chuàng)建三維鼠標(biāo)模型，并詳細(xì)介紹了三維模型創(chuàng)建的過程以及所用到的交互功能的實(shí)現(xiàn)過程。在虛擬學(xué)習(xí)場景內(nèi)設(shè)計三維模型的功能，能夠為學(xué)習(xí)者日后學(xué)習(xí)其它計算機(jī)配件奠定基礎(chǔ)，使學(xué)習(xí)者在掌握計算機(jī)基礎(chǔ)知識的同時提高自身技能。