虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游艇展示中的應(yīng)用

張超 劉李明 葛金龍

摘 要 本文闡述了相較于傳統(tǒng)展示方式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)各主流虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的特點(diǎn)進(jìn)行比較。然后探討了基于VR-Platform虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的游艇虛擬展示中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)以及在這些技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中所需注意的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) 游艇 虛擬展示

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Virtual Reality Technology in The Application of the Yacht Show

ZHANG Chao, LIU Liming, GE Jinlong

(Industrial Design Department, School of Mechanical Engineering,

Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003)

Abstract This paper elaborates the traditional way than show, the virtual reality technology showed what advantage, and the main characteristics of the virtual reality software comparison. Then discusses the VR-Platform based on virtual reality platform cruise virtual display the key technologies involved in these technologies and in the process of using needed attention to some problems.

Key words virtual reality; the yacht; virtual display

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)展示中的優(yōu)勢(shì)

設(shè)計(jì)師在創(chuàng)作過(guò)程中所要面對(duì)的困難之一便是交流，這包括與同事之間的交流，與上司之間的交流，與客戶之間的交流，甚至與自己的交流。在這些交流過(guò)程中便需要有一種媒介來(lái)承載設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意方案，將設(shè)計(jì)師的意圖盡可能完美地展示在對(duì)方面前，以期與對(duì)方盡可能融洽地溝通。在這些媒介中，工程圖精確有余而直觀性不足；效果圖精美有余而臨場(chǎng)感不足；動(dòng)畫(huà)視頻全面性有余而靈活性、交互性不足……傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式雖各有所長(zhǎng)但缺點(diǎn)都更為突出，而設(shè)計(jì)師急需一種美觀、精確、高效、靈活、可以實(shí)時(shí)交互的展示手段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展為此提供了可能。

虛擬現(xiàn)實(shí)的終極目的便是要通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)創(chuàng)造一個(gè)逼真的虛擬世界，在這個(gè)世界中，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感觀都會(huì)得到虛擬再現(xiàn)，用戶可以通過(guò)操作來(lái)實(shí)時(shí)地改變這個(gè)世界，并且通過(guò)輔助設(shè)備獲得自然地反饋，就像在客觀現(xiàn)實(shí)世界中可以和各種事物交互一樣。這種真實(shí)體驗(yàn)?zāi)芰钣脩舫两渲?，并隨之產(chǎn)生構(gòu)想。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)展示平臺(tái)的選擇

虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺(tái)多種多樣，常見(jiàn)的諸如Virtools、Quest3D、VR-Platform等，其中有些軟件對(duì)有計(jì)算機(jī)編程背景的人員來(lái)說(shuō)較為合適，而對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)師而言，則需要一種具有圖形化開(kāi)發(fā)界面的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行創(chuàng)作。這種平臺(tái)不需要手動(dòng)鍵入一行行晦澀難懂的代碼，而是如同普通三維軟件一樣直觀方便，所見(jiàn)即所得（當(dāng)然，若有需要，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件也提供軟件開(kāi)發(fā)包，允許用戶自行通過(guò)各種計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言來(lái)對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展）。

3 輔助平臺(tái)及其主要任務(wù)

3.1 輔助軟件的主要任務(wù)

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)一般建模能力極為有限，并且?guī)缀醪痪邆淅L制貼圖的能力，所以欲用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行創(chuàng)作，則必須至少熟練掌握一款功能強(qiáng)大、全面的三維軟件與一款穩(wěn)定可靠的平面軟件，以便與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件協(xié)同工作。

具體來(lái)說(shuō)，2D軟件所需承擔(dān)的主要工作有：（1）貼圖的修改與繪制。為在盡量不增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)的前提下提高場(chǎng)景的美觀程度、增進(jìn)其真實(shí)效果，逼真精美的貼圖必不可少。貼圖的來(lái)源之一便是實(shí)景拍攝，拍攝所獲得的圖片素材一般需要經(jīng)過(guò)平面軟件的加工處理后方可使用。而貼圖的來(lái)源之二便是在平面軟件中直接繪制。而且當(dāng)在三維軟件中對(duì)模型進(jìn)行烘焙貼圖之后，烘焙好的貼圖上可能因?yàn)槟Ｐ吐┕獾葐?wèn)題產(chǎn)生光影錯(cuò)誤，這就需要在平面軟件中對(duì)其進(jìn)行修改。（2）GUI（圖形用戶界面）的設(shè)計(jì)與繪制。界面是否美觀大方，按鈕是否精致時(shí)尚都直接影響用戶的操作感受。為使操作過(guò)程舒適、簡(jiǎn)單、自由，設(shè)計(jì)師需要使用平面軟件設(shè)計(jì)與繪制一套風(fēng)格統(tǒng)一、易于理解、漂亮有趣的GUI。

3D軟件所需承擔(dān)的主要工作有：（1）建模。外形準(zhǔn)確、布線合理的三維模型是整個(gè)虛擬世界的主體。（2）動(dòng)畫(huà)。虛擬現(xiàn)實(shí)中常常需要增添動(dòng)畫(huà)來(lái)增加真實(shí)感、交互性、趣味性。例如門窗開(kāi)閉，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)，人物動(dòng)作等。（3）UV展開(kāi)。為使平面貼圖與三維模型準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，需要對(duì)模型進(jìn)行展UV等操作。（4）烘焙貼圖。在三維世界中光影的計(jì)算是極其復(fù)雜耗時(shí)的，在現(xiàn)有的PC硬件水平下，要在保證效果的前提下對(duì)每一幀都進(jìn)行實(shí)時(shí)光影計(jì)算，幾乎不可能保證流暢感。所以需要將光影關(guān)系渲染好，烘焙到貼圖中去。（5）ABC組的建立。創(chuàng)建ABC組可以方便對(duì)場(chǎng)景中文件管理，為后續(xù)動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出，創(chuàng)建反射組等工作提供方便。

3.2 輔助軟件的選擇

在平面軟件的選擇過(guò)程中并不需要過(guò)多的權(quán)衡。Adobe公司出品的著名圖形圖像處理軟件Photoshop功能強(qiáng)大全面，完全可以滿足上述所有需求，是平面軟件的理想之選。

但是在三維軟件的選擇上卻需要費(fèi)些斟酌。本來(lái)Robert McNeel &Associates公司出品的以NURBS（非均勻有理B樣線）為理論基礎(chǔ)的3D建模軟件Rhinoceros是設(shè)計(jì)游艇的利器。因?yàn)镹URBS建模方式用途廣泛，它基于控制點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)表面，只需少量控制點(diǎn)便可以得到均勻的曲面。其特點(diǎn)是光滑、精確,可以直接用于開(kāi)模生產(chǎn)。故而理論上用它來(lái)設(shè)計(jì)建模游艇是再合適不過(guò)了。但是考慮到虛擬展示中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是僅僅建立一個(gè)游艇模型就大功告成，而是還有大量的后續(xù)工作要做，所以還要慎重考慮是否選擇Rhinoceros。比如Rhinoceros建立的NURBS模型在轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢面，這為UV展開(kāi)設(shè)置了極大的障礙，更為以后計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)顯示造成巨大負(fù)擔(dān)。而且Rhinoceros也幾乎不具備動(dòng)畫(huà)設(shè)置、烘焙貼圖等功能，再加上此處我們只是將游艇模型用于虛擬展示而非工業(yè)生產(chǎn)，所以Rhinoceros的優(yōu)勢(shì)喪失殆盡，缺點(diǎn)暴露無(wú)遺，看來(lái)Rhinoceros并非虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的最佳搭檔。

綜合考慮，我們選擇Autodesk公司旗下的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件3ds max。它是的功能非常強(qiáng)大，被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、影視制作、三維游戲、建筑和廣告設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。3ds max軟件的建模方法有很多種，比如Polygon（多邊形）建模法、NURBS建模法、Surface（表面）建模法以及Subdivision（細(xì)分）建模法。就3ds max軟件本身來(lái)說(shuō)，最主要的建模方法是Polygon建模法。Polygon建模法是一種歷史悠久而又極具生命力的建模方法。此方法通過(guò)對(duì)頂點(diǎn)、邊、邊界、多邊形、元素的調(diào)節(jié)，以及不斷地細(xì)分，最終創(chuàng)造出精致可信的模型。熟練的模型師應(yīng)用Polygon建模法可以得心應(yīng)手地控制模型上面的疏密分布，從而得到最優(yōu)化的模型。這為UV展開(kāi)、計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)顯示提供了便利。并且相較于NURBS建模法Polygon建模法對(duì)模型修改更為方便、建模方式更為靈活。再加上3ds max并不是簡(jiǎn)單的建模工具，而是一款綜合的多功能軟件，具備UV展開(kāi)、動(dòng)畫(huà)設(shè)置、烘焙貼圖等虛擬展示所需功能，不難看出 3ds max與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的配合相得益彰。

4 游艇虛擬展示制作關(guān)鍵技術(shù)

建模技術(shù)： 選用“盒子建模法”，即從一個(gè)box開(kāi)始，通過(guò)在各層級(jí)下使用擠出、連接、切角、焊接等命令一步步創(chuàng)建出精致的模型。其特點(diǎn)是直觀方便對(duì)整體型把握容易。尤其適合游艇艇體這種需要控制很多截面形狀的物體建模。從box到游艇艇體的大致演變過(guò)程如圖1。

建模的原則是在保證在必要細(xì)節(jié)都得到真實(shí)再現(xiàn)的前提下精簡(jiǎn)模型，控制模型面數(shù)，刪除看不見(jiàn)的面。在模型建立完畢之后，還可以視情況將材質(zhì)相同的模型合并在一起，通過(guò)減少模型個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)加快場(chǎng)景載入時(shí)間與運(yùn)行速度的目的。需要重點(diǎn)指出的是，可以設(shè)計(jì)數(shù)套方案，通過(guò)腳本編輯器實(shí)現(xiàn)允許用戶切換不同方案顯示，以便比較的功能。

UV貼圖：為了使貼圖正確映射到模型，3ds max中有兩大最常用的UV修改器，即Unwrap UVW 和UVW Mapping。如果對(duì)如簡(jiǎn)單模型則使用UVW Mapping足矣，而復(fù)雜情況則必須使用Unwrap UVW。

烘焙貼圖：優(yōu)秀的設(shè)計(jì)大師利用功能強(qiáng)大的渲染器可以創(chuàng)作出令人驚嘆的“照片級(jí)”效果圖，而這種真實(shí)感與光影關(guān)系的計(jì)算息息相關(guān)。使用3ds max菜單欄中的Rendering——Render To Texture命令，我們可以將通過(guò)高級(jí)渲染器（如Mantel Ray、Vray等）預(yù)渲染得來(lái)的光照、陰影、凹凸等信息記錄到一張貼圖上，在導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中后，將此貼圖與紋理貼圖相混合，從而實(shí)現(xiàn)快速得到逼真可信效果的目的。

導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件：虛擬現(xiàn)實(shí)軟件一般都自帶與三維軟件的接口插件。為導(dǎo)出工作帶來(lái)方便。除此之外我們也可以借助一些第三方文件格式轉(zhuǎn)換工具來(lái)將三維動(dòng)畫(huà)軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件緊密相連。但是在導(dǎo)入過(guò)程中還是有些地方需要特別注意，例如最好養(yǎng)成將模型命名的習(xí)慣，以免在導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件之后，面對(duì)列表中的一長(zhǎng)串Box1、Box2、Circle1、Circle2……茫然失措，導(dǎo)致事倍功半。再比如如果想將剛體動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入VRP中去，則必須將動(dòng)畫(huà)涉及到的模型創(chuàng)建為ABC組，并且以vrp_rigid為前綴為此選擇集命名。

材質(zhì)：除了在三維軟件中設(shè)置材質(zhì)之外，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中亦可對(duì)模型的環(huán)境光、漫反射、高光、自發(fā)光等的顏色及系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以設(shè)置貼圖的透明程度與透明方式，并可以設(shè)置反射貼圖與實(shí)時(shí)反射等，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)得到我們所要的質(zhì)感。

以目前的軟件與硬件的技術(shù)水平而言，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件所能表現(xiàn)的質(zhì)感還很難與在三維軟件中用高級(jí)渲染器耗時(shí)渲染出的效果相匹敵。例如玻璃材質(zhì)，在虛擬現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)玻璃質(zhì)感，只需先調(diào)出些高光，然后將不透明度降低，再設(shè)置好反射貼圖即可，效果較為粗糙，而且根本不可能通過(guò)材質(zhì)調(diào)節(jié)來(lái)模擬諸如折射、霧色、焦散等效果。

但虛擬現(xiàn)實(shí)卻有一個(gè)普通效果圖與動(dòng)畫(huà)視頻皆望塵莫及的優(yōu)勢(shì)，那就是允許用戶通過(guò)很簡(jiǎn)單的操作對(duì)場(chǎng)景中模型的材質(zhì)實(shí)時(shí)切換。例如游艇艇體裝飾邊條有十種顏色可供選擇，飛橋的顏色有五種可供選擇，玻璃的顏色有三種可供選擇。用戶可以根據(jù)自己的喜好對(duì)其隨意搭配，實(shí)時(shí)地觀察到此種搭配的效果，通過(guò)直觀地比較選擇出最佳方案。這種優(yōu)勢(shì)在表現(xiàn)游艇內(nèi)飾時(shí)更為突出。

攝像機(jī)：通常情況下，一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)游艇展示文件需要至少三種攝像機(jī)：一個(gè)繞物旋轉(zhuǎn)相機(jī)，通過(guò)它可以讓用戶使用鼠標(biāo)或者鍵盤操作來(lái)從各個(gè)角度觀察游艇的外觀；一個(gè)動(dòng)畫(huà)相機(jī)，通過(guò)事先設(shè)置好的動(dòng)畫(huà)來(lái)對(duì)游艇進(jìn)行全方位的展示，也可以準(zhǔn)備好多個(gè)動(dòng)畫(huà)相機(jī)，調(diào)整好播放順序，令其自動(dòng)展示；一個(gè)行走相機(jī)，通過(guò)對(duì)行走相機(jī)的控制，體驗(yàn)在游艇當(dāng)中游覽的感覺(jué)，便于觀察游艇中的內(nèi)飾布置與材質(zhì)。

GUI：虛擬現(xiàn)實(shí)的界面元素允許以較為靈活的方式構(gòu)成，例如按鈕、下拉框、滑桿、信息框、進(jìn)度條、FLASH……在游艇虛擬展示中，最主要應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能有各個(gè)攝像機(jī)之間的切換、各個(gè)不同方案模型之間的替換、不同零件各種材質(zhì)的切換、音樂(lè)的暫停與播放、音量調(diào)節(jié)、退出場(chǎng)景等。

音樂(lè)：為了增加臨場(chǎng)感，可以加入一些諸如海浪、海鷗之類的背景聲音，讓用戶產(chǎn)生身臨其境之感。還可以加入一些輕柔舒緩的背景音樂(lè)，在不喧賓奪主令用戶分散注意力的前提下，使人心情放松愉悅，更好地融入虛擬場(chǎng)景當(dāng)中去。也有一些音效具有實(shí)際提示功能，比如某些按鈕按下/彈起時(shí)發(fā)出的提示音，以及場(chǎng)中動(dòng)畫(huà)執(zhí)行時(shí)的配音，例如開(kāi)艇時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴，打開(kāi)天窗時(shí)的設(shè)備聲。

發(fā)布：虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以生成多種成品，除了.exe可執(zhí)行文件之外，還可以發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)中去，甚至可以生成安裝包，屏幕保護(hù)等文件。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然仍然有很多缺點(diǎn)，例如硬件昂貴，很多顯示效果僅能算強(qiáng)差人意等。但是這不能阻礙虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用以及飛速發(fā)展的腳步。畢竟相較于其他展示方式來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可謂質(zhì)的飛躍。如果說(shuō)平面圖紙打破了語(yǔ)言文字描述的桎梏，三維動(dòng)畫(huà)沖毀了空間的枷鎖，那虛擬現(xiàn)實(shí)則重塑了一個(gè)世界。在不久的將來(lái)，這種展示方式將會(huì)成為主流。而且在虛擬現(xiàn)實(shí)的世界中，展示角度無(wú)限自由，模型可以任意更替，材質(zhì)可以隨心替換，可以模擬出較為逼真的水面效果等等，這些都為游艇展示提供極大便利。盡早了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，盡快提高技術(shù)水平，已是游艇設(shè)計(jì)師的必修課。

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