游戲引擎創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)校園的研究與應(yīng)用

黃亞鷹 , 邵 陽(yáng)

(湖南理工學(xué)院 美術(shù)學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, 簡(jiǎn)稱(chēng)VR)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù), 涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)及傳感技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域. 現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠通過(guò)數(shù)字平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)非常逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)景觀, 生成逼真的三維視覺(jué)效果, 使參與者通過(guò)交互界面及裝置, 輕松直觀地對(duì)虛擬世界進(jìn)行溝通和體驗(yàn), 最終能夠使參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué), 還能夠直接感受到虛擬環(huán)境中對(duì)象的反饋?zhàn)饔? 尤其適用于呈現(xiàn)那些尚未實(shí)現(xiàn)或準(zhǔn)備實(shí)施的項(xiàng)目, 使觀者提前領(lǐng)略到實(shí)施后的精彩結(jié)果. 虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是用戶(hù)可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互, 將被動(dòng)式觀看變成更逼真的體驗(yàn)互動(dòng). 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于觀光旅游、景點(diǎn)展示以及房地產(chǎn)、園林景觀、城市規(guī)劃等行業(yè)項(xiàng)目的展示、宣傳. 現(xiàn)在許多高校校園的規(guī)模都相當(dāng)大, 校園的建設(shè)都非常美, 出于對(duì)學(xué)校的宣傳目的, 都紛紛搭建了自己的虛擬校園展示系統(tǒng), 展現(xiàn)校園全貌和細(xì)節(jié)信息, 公眾則通過(guò)該系統(tǒng), 利用自動(dòng)漫游、導(dǎo)航定位等多種模式進(jìn)入虛擬校園, 獲得直觀感受和逼真體驗(yàn). 更重要的是將來(lái)還可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)這一平臺(tái), 在其上構(gòu)建更為直觀的數(shù)字化教學(xué)及管理系統(tǒng).

1 傳統(tǒng)技術(shù)手段的虛擬現(xiàn)實(shí)

傳統(tǒng)技術(shù)手段下的虛擬現(xiàn)實(shí)校園的實(shí)現(xiàn)方法主要是以下兩類(lèi):

攝像機(jī)漫游動(dòng)畫(huà), 它實(shí)際上不能算是真正意義上的虛擬現(xiàn)實(shí), 設(shè)計(jì)制作者根據(jù)真實(shí)的校園環(huán)境, 運(yùn)用三維軟件在電腦上制作出校園的三維模型及視覺(jué)效果, 再在三維軟件中按照設(shè)計(jì)好的觀看路線(xiàn)制作路徑線(xiàn), 然后在路徑線(xiàn)上綁定攝像機(jī), 最后設(shè)置所需的動(dòng)畫(huà)時(shí)長(zhǎng), 通過(guò)渲染可得到攝像機(jī)鏡頭在環(huán)境場(chǎng)景漫游后所拍攝的視頻動(dòng)畫(huà). 它的視頻內(nèi)容固定, 可反復(fù)播放, 但觀看者不能控制觀看的角度、范圍, 等于是看一部電腦做的動(dòng)畫(huà)短片.

依托專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的平臺(tái)軟件或是自主開(kāi)發(fā)的虛擬技術(shù)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)校園的漫游. 以河南理工大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)校園為例: 該校建成的校園景觀立體真三維虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)、人工智能、空間信息等技術(shù), 在三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件——超自然真三維地理信息系統(tǒng)(SUPERNATURAL GIS)平臺(tái)上建立的. 觀看者佩戴上立體眼鏡, 即可漫游動(dòng)態(tài)校園, 相應(yīng)實(shí)地場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)影像給人以身臨其境的感覺(jué). 為完成動(dòng)態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)校園建設(shè), 該校測(cè)繪學(xué)院專(zhuān)門(mén)成立了數(shù)字化校園課題攻關(guān)小組, 攻克各種技術(shù)難題, 采用小型飛機(jī)數(shù)碼航空攝影測(cè)量成果數(shù)據(jù), 輔以數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝獲得的校園花草樹(shù)木、建筑物表面單紋理數(shù)據(jù)建成的. 這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、投入大, 非常不適合藝術(shù)設(shè)計(jì)工作者掌握和運(yùn)用.

2 運(yùn)用游戲引擎技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)校園的研究

游戲引擎的一個(gè)重要的功能是提供構(gòu)建游戲世界的程序系統(tǒng), 現(xiàn)在的游戲引擎已經(jīng)發(fā)展為一套由多個(gè)子系統(tǒng)共同構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng), 從建模、動(dòng)畫(huà)到光影效果, 從物理系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建, 涵蓋了開(kāi)發(fā)過(guò)程中所有的重要環(huán)節(jié). 圖形引擎和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又是三維擬真游戲中最重要的核心技術(shù), 也是電子游戲領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一, 無(wú)論是二維還是三維游戲, 都依托著這些起顯示控制作用的代碼來(lái)構(gòu)建游戲的關(guān)卡場(chǎng)景. 場(chǎng)景渲染是游戲圖形引擎中最重要的子模塊之一, 現(xiàn)在高級(jí)的游戲圖形引擎已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)照片級(jí)別的即時(shí)渲染與顯示, 以虛幻3引擎(Unreal Engine 3)為例: 虛幻3引擎支持64位色高精度動(dòng)態(tài)渲染管道. Gamma校正和線(xiàn)性顏色空間渲染器提供了完美的顏色精度, 同時(shí)支持了各種后期特效例如光暈、鏡頭光環(huán)和景深等效果. 支持當(dāng)前所有的基于像素的光照和渲染技術(shù), 支持高級(jí)的動(dòng)態(tài)陰影. 所有支持的陰影技術(shù)都是可視化的, 并且可以按照藝術(shù)設(shè)計(jì)者的意愿自由混合, 同時(shí)可以與有顏色的衰減函數(shù)結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)具有合適陰影的平行光、聚光燈效果, 以及投射光效果. 完全支持室內(nèi)和室外環(huán)境的無(wú)縫連接,在任何地方都支持的動(dòng)態(tài)每像素光照和陰影, 藝術(shù)設(shè)計(jì)者可以通過(guò)一個(gè)基本高度圖來(lái)建立地形及植被.

最為重要的是在虛擬場(chǎng)景建模時(shí)普遍存在逼真度和即時(shí)渲染顯示速度之間的矛盾, 在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?chǎng)景的實(shí)時(shí)再現(xiàn)有很高的幀率要求, 如果達(dá)不到必須的顯示幀率(每秒 20幀), 就會(huì)喪失實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值, 而游戲引擎在這一點(diǎn)的解決上就非常好, 我們?cè)谟螒驁?chǎng)景中能夠十分流暢地實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游和顯示. 由此可見(jiàn), 所有的藝術(shù)設(shè)計(jì)者都能夠在涉及最小程序開(kāi)發(fā)的條件下使用游戲引擎程序來(lái)創(chuàng)建虛擬校園環(huán)境.

3 應(yīng)用游戲引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)校園的實(shí)施方案

以UDK(Unreal Development Kit)虛幻3游戲引擎開(kāi)發(fā)工具包為例, 用UDK引擎制作一個(gè)學(xué)校的虛擬場(chǎng)景, 通過(guò)地形、建筑、植物、水流這些元素塑造一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的校園, 基本流程如圖1所示.

3.1 校園場(chǎng)景地形的制作

在 UDK中, 有專(zhuān)門(mén)編輯地形的模塊.打開(kāi)terrain editor mode, 就能看到地形編輯的功能, 比如可以選擇筆刷把地形抬高壓低, 抹的均勻一點(diǎn), 增加一點(diǎn)地形噪聲等等, 還可利用灰度的位圖自動(dòng)生成三維地形(圖 2). 然后就是給地形添加材質(zhì), 比如變成一片沙地, 變成一片草地等等, 一個(gè)地形可以添加多個(gè)材質(zhì), 還可以添加多個(gè)“裝飾物”, 比如, 用一個(gè)巖石的材質(zhì),當(dāng)做筆刷在地形中刷出一條巖石小路等等.

圖1 應(yīng)用游戲引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)校園的基本流程

3.2 運(yùn)用 3ds MAX等三維建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)造和材質(zhì)紋理的貼圖

圖2 利用灰度位圖生成三維地形

UDK材質(zhì)的編輯采用節(jié)點(diǎn)連接方式(圖 3), 與 MAYA十分接近, 節(jié)點(diǎn)運(yùn)算的原理也比較接近Photoshop的圖層疊加, 有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的人可以較快上手. 校園內(nèi)各種建筑物的模型建造一定要使用多邊形建 模手段, 現(xiàn)在的游戲引擎基本上只支持多邊形幾何模型. 注意必須對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化, 去除冗余的表面多邊形, 降低整個(gè)模型的復(fù)雜度. 對(duì)模型的細(xì)節(jié)必須要采用置換貼圖、烘培貼圖、法線(xiàn)貼圖等紋理映射技術(shù)來(lái)表現(xiàn), 法線(xiàn)貼圖中的每個(gè)點(diǎn) RGB, 實(shí)際是代表每個(gè)所對(duì)應(yīng)模型UV表面法線(xiàn)為坐標(biāo)參考系XYZ軸的分量, 這里的Z軸就是該面的法線(xiàn)方向, 通過(guò)法線(xiàn)貼圖中每個(gè)點(diǎn)定義的矢量方向來(lái)模擬校正光的反射方向, 最終體現(xiàn)凹凸層次, 這種技術(shù)手段可以有效降低模型的面數(shù), 減少場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染時(shí)的運(yùn)算量.

圖3 材質(zhì)節(jié)點(diǎn)編輯方式

3.3 將建筑物模型導(dǎo)入到游戲引擎編輯器中

我們需要把建筑物模型作為ase格式導(dǎo)出. 3dsmax用戶(hù)可以直接導(dǎo)出ase格式, 再在UDK中導(dǎo)入ase模型文件,同時(shí)還需要導(dǎo)入模型的貼圖. 如果貼圖沒(méi)有alpha通道的話(huà), 在UDK中勾選上CompressionNoAlpha. 如果導(dǎo)入的是法線(xiàn)貼圖的話(huà), 在UDK中的CompressionSettings里選擇TC_Normalmap. 在 LODGroup里選擇對(duì)應(yīng)貼圖類(lèi)型的選項(xiàng), 也可以勾選上DeferCompression使貼圖暫時(shí)不被壓縮. 模型導(dǎo)入到 UDK后, 在場(chǎng)景地形上添加即可, 如果模型大小尺寸不合適, 還可以通過(guò)UDK的編輯工具進(jìn)行縮放操作(圖4).

3.4 設(shè)置場(chǎng)景的日照等燈光效果

虛幻3引擎采用Unreal Lightmass靜態(tài)全局光照系統(tǒng), Lightmass使用像區(qū)域陰影和漫射相互作用一樣復(fù)雜的光源交互作用來(lái)創(chuàng)建光照貼圖, 它和其它的渲染方法(動(dòng)態(tài)光照及陰影)是正交的, 它僅是使用較高質(zhì)量的光照貼圖和陰影貼圖代替了其它的光照貼圖及靜態(tài)陰影貼圖 . 在進(jìn)行光照設(shè)置時(shí)要特別注意避免 Skylights(天空光源). 給您的場(chǎng)景添加一個(gè)常量環(huán)境條件, 降低在非直接光照區(qū)域中的差異. 設(shè)置光源時(shí)要在直接光照區(qū)域和間接光照區(qū)域有一個(gè)能量的對(duì)比, 這個(gè)對(duì)比將使它很容易地找到陰影變換發(fā)生的位置, 并使你的場(chǎng)景具有更好的深度感.

3.5 設(shè)置第一人稱(chēng)的漫游者觀看視角

重點(diǎn)注意虛擬人物的頭部位置和視野角度要符合正常人的人體工程學(xué)參數(shù), 這樣在場(chǎng)景中漫游時(shí)才會(huì)產(chǎn)生逼真的視覺(jué)效果.

圖4

3.6 設(shè)置碰撞檢測(cè)

在虛擬環(huán)境中, 由于用戶(hù)的交互和物體的運(yùn)動(dòng), 需要及時(shí)檢測(cè)到這些碰撞, 并計(jì)算相應(yīng)的碰撞反應(yīng),更新顯示結(jié)果, 否則物體會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象, 破壞虛擬環(huán)境的真實(shí)感. 在UDK中, 引擎的物理系統(tǒng)能夠很好的進(jìn)行碰撞檢測(cè), 并不是場(chǎng)景中所有的物體面都會(huì)阻擋漫游者的前進(jìn). 例如, 較矮的障礙和平緩斜面, 這些在發(fā)生碰撞時(shí)都可以檢測(cè)到, 當(dāng)碰撞到這種面時(shí), 引擎系統(tǒng)能做出正確判斷和適當(dāng)處理,讓漫游者的視點(diǎn)能繼續(xù)前進(jìn).

3.7 發(fā)布生成執(zhí)行程序

當(dāng)利用 UDK創(chuàng)建完成虛擬現(xiàn)實(shí)的校園場(chǎng)景后,就可以使用 UDK的打包發(fā)布命令生成一個(gè)可執(zhí)行的游戲程序. 當(dāng)使用者執(zhí)行這個(gè)程序時(shí), 就打開(kāi)了一個(gè)虛擬校園的游戲場(chǎng)景, 使用者可以用第一人稱(chēng)視角在場(chǎng)景中自由漫游, 并和場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互性操作(圖5).

圖5

4 結(jié)束語(yǔ)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展, 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展的今天, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各專(zhuān)業(yè)方向的運(yùn)用前景十分廣闊, 但長(zhǎng)期以來(lái)因?yàn)閷?zhuān)業(yè)技術(shù)的難度過(guò)大, 沒(méi)能很好地推廣應(yīng)用. 而靈活運(yùn)用游戲引擎技術(shù)來(lái)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的校園環(huán)境、園林景觀等各類(lèi)場(chǎng)景, 既快速又有很好的擴(kuò)展性, 是那些沿用固定漫游路徑或者是依托復(fù)雜技術(shù)平臺(tái)等手段的虛擬系統(tǒng)無(wú)法與之相比的. 虛擬校園所提供的三維虛擬環(huán)境, 可為將來(lái)支持現(xiàn)實(shí)大學(xué)的資源管理、環(huán)境規(guī)劃和遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)提供有效的界面服務(wù)平臺(tái), 運(yùn)用游戲引擎創(chuàng)建的虛擬校園將是校園數(shù)字信息化的一個(gè)重要組成部分.

[1]石教英. 虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及實(shí)用算法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002

[2]陳立偉, 張 翔, 李曉燕. 基于VEGA的數(shù)字城市漫游系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2003

[3]傅 晟, 彭群生. 一個(gè)桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào), 1998, 21