基于VR技術(shù)的虛擬仿真生活體驗(yàn)館設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡萍+蔣紀(jì)平+趙明富+劉媛媛

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)形成三維空間場景，使個體沉浸于虛擬環(huán)境中，提升個體在虛擬環(huán)境中的交互能力。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合新鄉(xiāng)市荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建虛擬場景模型，運(yùn)用圖、文、動畫等多媒體技術(shù)，開發(fā)具有交互功能的仿真生活體驗(yàn)館，探討了虛擬仿真交互技術(shù)在水產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用開發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬仿真生活體驗(yàn)館；荷葉鯽魚；3ds Max；VRP

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：16727800（2017）004010303

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維圖形軟件的發(fā)展，利用數(shù)字化手段對真實(shí)場景仿真的虛擬技術(shù)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域熱點(diǎn)。虛擬仿真生活體驗(yàn)館不受時(shí)空限制，與傳統(tǒng)會展結(jié)合，能更好更快地傳遞信息。將虛擬仿真交互技術(shù)應(yīng)用到水產(chǎn)業(yè)中，根據(jù)養(yǎng)殖基地真實(shí)場景和產(chǎn)品情況生成逼真的三維場景，用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤點(diǎn)擊拖拽，身臨其境地漫游在體驗(yàn)館中，與環(huán)境和產(chǎn)品交互，得到全新的體驗(yàn)。該技術(shù)極大地提高了農(nóng)業(yè)水產(chǎn)品資源利用率，有效促進(jìn)了農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)工具

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或幻真技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是用現(xiàn)代高科技手段虛構(gòu)出來的一種人工模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，它能模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最終目的是提高人的認(rèn)知能力，促進(jìn)人與環(huán)境交流，更深入開發(fā)人類智慧[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)形成三維圖形空間，利用跟蹤技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)等產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，使用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。

1.2系統(tǒng)開發(fā)工具

本文運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用的軟件有： 3ds Max，即3D Studio Max，是Discreet公司開發(fā)的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，是目前應(yīng)用最廣泛的三維動畫制作軟件，具有強(qiáng)大的建模、動畫、材質(zhì)和渲染功能。 VRP：Virtual Reality Platform，簡稱VR-Platform或VRP，即虛擬現(xiàn)實(shí)平臺。VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，可以較好地進(jìn)行三維場景模型導(dǎo)入、后期編輯、交互操作、特效操作、界面設(shè)計(jì)及打包發(fā)布等。 Photoshop：處理或繪制三維貼圖，為模型制作精良貼圖。

2設(shè)計(jì)思路

新鄉(xiāng)市衛(wèi)濱區(qū)荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社是一家集水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑垂釣、品牌化運(yùn)營、無公害水產(chǎn)品專賣、農(nóng)超對接于一體的專業(yè)合作經(jīng)濟(jì)組織[2]，由一個體驗(yàn)中心和3個養(yǎng)殖魚塘組成。合作社主養(yǎng)魚類品種為淇河鯽魚和彭澤鯽魚，嚴(yán)格按照國家無公害標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生態(tài)養(yǎng)殖。模擬荷葉鯽魚農(nóng)民合作社養(yǎng)殖基地的虛擬仿真生活體驗(yàn)館，輔助人們感受水產(chǎn)虛擬環(huán)境，供消費(fèi)者和相關(guān)技術(shù)人員參觀學(xué)習(xí)，指導(dǎo)鯽魚養(yǎng)殖技術(shù)推廣，推動農(nóng)產(chǎn)品銷售。 開發(fā)流程：前期結(jié)合數(shù)碼相機(jī)和Photoshop獲得虛擬現(xiàn)實(shí)模型的紋理貼圖；中期使用3ds Max搭建虛擬模型；后期將構(gòu)建模型導(dǎo)入虛擬交互平臺軟件VRP中進(jìn)行場景驅(qū)動，并設(shè)置漫游和交互，如圖1所示。

3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1前期分析

建模開始之前要進(jìn)行場景分析，即分析場景建筑、場景環(huán)境、場景布局、基礎(chǔ)設(shè)施等。主要數(shù)據(jù)資料有：①紋理數(shù)據(jù)采集。前期使用數(shù)碼相機(jī)現(xiàn)場拍攝，后期利用Photoshop進(jìn)行處理，制作成三維模型的材質(zhì)貼圖，使整體效果更貼近真實(shí)場景；②建筑物尺寸。合作社提供房屋、魚塘等大型建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照實(shí)物建筑1：1建模；③其它數(shù)據(jù)資料。場景中其它細(xì)小模型相關(guān)數(shù)據(jù)來源于實(shí)地測量。

3.2模型構(gòu)建

3.2.1模型建立 模型是整個虛擬仿真生活體驗(yàn)館設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的好壞及逼真度直接影響整個虛擬環(huán)境的真實(shí)性，常規(guī)建模方式主要有兩種：①采用標(biāo)準(zhǔn)幾何體建模，該建模方式較為簡便并且便于后期貼圖；②采用標(biāo)準(zhǔn)幾何體模型組合方法建模，通過紋理添加使模型逼真，既簡化建模過程，縮小文件容量，又不影響模型整體效果。此外，在建模中應(yīng)遵循一個原則：在保證視覺對象不失真的前提下，盡量采用最簡單的模型[3]。 根據(jù)以上要求，荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗(yàn)館的場景模型設(shè)計(jì)為3個部分： （1）房屋及魚塘模型。場景模型中有一個荷葉鯽魚體驗(yàn)中心和3個養(yǎng)殖魚塘。體驗(yàn)中心建模主要根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)幾何體模型，將標(biāo)準(zhǔn)幾何體模型組合成完整的體驗(yàn)中心模型；魚塘及魚塘周圍的土壤建模主要使用“線”繪制出基本輪廓，再通過擠壓操作形成面片效果。 （2）場景中欄桿及其它模型。場景中的欄桿雖然不是重點(diǎn)模型，但比例相當(dāng)大，也是整個場景中不可或缺的部分。欄桿模型的構(gòu)建與房屋及魚塘方法不同，必須使用圓柱體構(gòu)建模型。一個圓柱體模型至少需要14個側(cè)面才能保證其輪廓完整，本文大面積的欄桿建模需要將近1 500根大小長短不一的圓柱體，欄桿模型中至少有24 000個面數(shù)，建模工作量大。結(jié)合場景及欄桿特點(diǎn)，采取建立高精度模型方案，對其渲染并保存為PNG圖片，如圖2所示。再新建一個平面模型，將保存的PNG圖片賦給平面，即通過貼圖平面來表現(xiàn)欄桿模型，如圖3所示。這樣，經(jīng)過高精度建模后只需要一個面就可以達(dá)到完全相同的效果。通過該表現(xiàn)手法制作出來的欄桿雖然提高了渲染速度及系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，但視覺對象缺少一定的真實(shí)性，即在頂視圖中模型缺乏立體感。因此，欄桿模型頂部的圓柱依然采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體來表現(xiàn)。 荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社中除了荷葉鯽魚體驗(yàn)中心、魚塘和欄桿外，還有如自動投料機(jī)、門亭、馬路等。這些模型的構(gòu)建主要使用基本幾何體表現(xiàn)出輪廓即可。

3.2.2場景貼圖及烘焙 建模貼圖效果好壞決定場景的逼真性及渲染的好壞，本虛擬仿真生活體驗(yàn)館的重點(diǎn)建筑物為體驗(yàn)中心及魚塘，遵循不重復(fù)使用貼圖和一個建筑物一張貼圖的原則進(jìn)行貼圖。為了保證場景渲染及后期交互的流暢性，非重點(diǎn)建筑物貼圖遵循不必非常清晰的原則進(jìn)行貼圖。此外，整個場景中均將貼圖的背景色改成和貼圖本身色調(diào)類似的顏色，以減少在UVW展開時(shí)出現(xiàn)匹配不準(zhǔn)或有明顯白邊和黑邊的現(xiàn)象。 建模完成后，對整個場景添加燈光效果，并按照常規(guī)烘焙操作進(jìn)行場景烘焙，最終荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗(yàn)館三維模型如圖4所示。

3.3交互驅(qū)動

3.3.1模型導(dǎo)入VRP 考慮到3ds Max與VRP的兼容性，在使用3ds Max創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到VRP編輯器之前，需要安裝VRPformax插件，利用該插件將烘焙好的場景通過插件導(dǎo)入到VRP中。3.3.2交互動畫設(shè)計(jì) 在虛擬仿真生活體驗(yàn)館中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)漫游以及逼真效果，〖HJ*3〗需要在VRP系統(tǒng)中創(chuàng)建行走、飛行、動畫相機(jī)，添加天空盒、太陽光暈，并要對場景中的建筑物和植物等設(shè)置物體碰撞規(guī)則。 （1）交互動畫。荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗(yàn)館設(shè)計(jì)的游覽模式為兩種：漫游模式和游客模式，漫游模式為不需要引導(dǎo)的自動游覽模式，而該館設(shè)計(jì)的最終目的是能夠?qū)崿F(xiàn)在場景中通過人物游走瀏覽各個部分，即游客模式。游客模式主要利用VRP設(shè)置行走相機(jī)，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作控制游覽方向，實(shí)現(xiàn)交互。實(shí)現(xiàn)交互首先要創(chuàng)建骨骼動畫作為目標(biāo)人物，調(diào)整骨骼的身高比例并放到適當(dāng)位置，通過動作庫為骨骼添加“休閑站立”、“原地行走”等動作，最后添加角色控制相機(jī)綁定目標(biāo)人物。這樣，在瀏覽過程中就可以通過鼠標(biāo)或鍵盤操作控制目標(biāo)人物，在場景中自由行走，以游覽者身份觀察整個場館。另外，場景中若只有一個目標(biāo)人物，畫面過于單調(diào)，為了使場景豐富，添加了多個骨骼動畫，效果如圖5所示。

（2）特效設(shè)計(jì)。在設(shè)置好瀏覽模式后，為了模擬室外場景，選擇適合場景的天空盒效果，并對其角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使光線的攝入方向與場景中的投影方向一致，再適當(dāng)添加光暈效果。光暈效果角度和高度與天空盒光線方向、太陽光照方向相融合。這樣添加特效后，場景更加美觀逼真。 （3）交互按鈕設(shè)計(jì)。虛擬仿真生活體驗(yàn)館的另一特點(diǎn)是通過鼠標(biāo)觸發(fā)事件控制相應(yīng)內(nèi)容，如瀏覽模式切換、音樂開關(guān)設(shè)置，以及通過添加文字、圖片、動畫，甚至鏈接數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁或加載視頻等功能，向使用者介紹場館情況。主要使用VRP的初級界面和高級界面，在場景中添加控制按鈕，再結(jié)合相應(yīng)的腳本程序，實(shí)現(xiàn)按鈕控制。 （4）瀏覽模式按鈕設(shè)計(jì)。在該體驗(yàn)館中，主要通過觸發(fā)事件即按鈕來控制相機(jī)的轉(zhuǎn)換和交替，場景中設(shè)計(jì)了兩個動畫相機(jī)漫游，分別為行走動畫即游客模式和環(huán)繞動畫即漫游模式實(shí)現(xiàn)生活館的虛擬展示，如圖6所示。

（5）荷葉鯽魚種類介紹設(shè)計(jì)。荷葉鯽魚種類介紹通過服務(wù)控制平臺實(shí)現(xiàn)，采用添加文字、圖片及Flash動畫的形式制作相應(yīng)介紹，再通過按鈕觸發(fā)，結(jié)合相應(yīng)的腳本程序進(jìn)行控制，如圖7所示。 （6）背景音樂設(shè)計(jì)。為了給使用者視聽覺雙重感受，增強(qiáng)場景的真實(shí)感染力，在該虛擬仿真生活體驗(yàn)館中添加了背景音樂，并對背景音樂進(jìn)行了相關(guān)屬性設(shè)置，可自動循環(huán)播放。同時(shí)使用音樂開關(guān)觸發(fā)控制按鈕，通過該按鈕可以暫停和播放音樂。此外，添加了音樂大小控制滑桿，結(jié)合腳本語言精致控制音樂音量大小。

3.3.3系統(tǒng)輸出與發(fā)布 動畫設(shè)計(jì)完成后，可將其發(fā)布為單獨(dú)的可執(zhí)行文件EXE演示DEMO，也可輸出為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的VRPIE文件。綜合考慮多方面因素，選擇將作品發(fā)布為可執(zhí)行的EXE文件，不過在使用時(shí)要注意相應(yīng)的環(huán)境配置，如顯示器屏幕尺寸、顯卡性能等，否則可能影響展示效果。

4結(jié)語

本文通過3ds Max、VRP及Photoshop軟件構(gòu)建了荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗(yàn)館。隨著硬件、軟件技術(shù)的不斷成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用極大地加快了農(nóng)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)程，場景的逼真性和實(shí)時(shí)交互性受到廣大用戶喜愛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗(yàn)館具有真實(shí)性、交互性、易實(shí)現(xiàn)性等特點(diǎn)，較好地滿足了消費(fèi)者的使用需求，促進(jìn)了水產(chǎn)品與現(xiàn)代科技結(jié)合，為農(nóng)業(yè)信息化提供了可靠手段。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）