虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬展廳中的應(yīng)用研究

王哲愷 張婷 季名軒 李星余

摘 要：虛擬展廳是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用衍生，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電腦上進(jìn)行模擬建造。本文介紹了兩種虛擬展廳的實(shí)現(xiàn)路徑，采用了Unity3D和3DMAX的技術(shù)，同時(shí)還增加了全景360度拍攝的技術(shù)，通過(guò)將原有的建模源文件在最小化修改的前提下，通過(guò)菜單式操作實(shí)現(xiàn)對(duì)展廳的自由變換風(fēng)格，提高產(chǎn)品的表現(xiàn)能力以及展示效果。

關(guān)鍵詞：虛擬展廳;虛擬現(xiàn)實(shí);Unity3D;全景拍攝

一、背景介紹

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字展廳可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等虛擬平臺(tái)進(jìn)行展示，不僅打破了傳統(tǒng)展廳時(shí)間、空間的限制，而且充分利用互聯(lián)網(wǎng)的傳播優(yōu)勢(shì)加強(qiáng)了宣傳力度。一方面，虛擬展廳將數(shù)字圖像的處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)多媒體應(yīng)用技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)數(shù)字化信息技術(shù)相互融合;另一方面，工業(yè)設(shè)計(jì)近幾年的大力發(fā)展也帶動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為輔助功能的發(fā)展，給虛擬展廳一個(gè)特殊的框架載體帶給人們最真實(shí)的感受。

二、虛擬展廳的構(gòu)建

本文基于2018年上海市大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目支持，介紹了兩種虛擬展廳的實(shí)現(xiàn)路徑：通過(guò)Unity3D技術(shù)、通過(guò)全景360度拍攝合成技術(shù)。Unity3D技術(shù)和Sketch up的虛擬展廳轉(zhuǎn)換都是在盡可能確保模型源文件的前提之下，而全景360度拍攝合成技術(shù)則是建立在360度平分角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

（一）運(yùn)用Unity3D技術(shù)創(chuàng)建虛擬展廳

1.虛擬場(chǎng)景的現(xiàn)實(shí)支撐

虛擬展廳為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，主要是需要將現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行模仿，借助相應(yīng)設(shè)備在虛擬的環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)虛擬轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)讓用戶能夠隨意行走，并從任意角度來(lái)對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的對(duì)象加以操作，提升用戶的真實(shí)感受。要用Unity3D軟件來(lái)對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，并以用戶的視角展示虛擬展廳。

2.虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)

在虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，要通過(guò)Unity3D軟件內(nèi)的Terrain菜單，來(lái)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)理，并結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景的具體狀況，對(duì)虛擬場(chǎng)景加以設(shè)置與修整。將已經(jīng)完成的產(chǎn)品模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，模型的切面會(huì)影響到場(chǎng)景的渲染時(shí)間，通過(guò)C+語(yǔ)言等編程代碼賦予產(chǎn)品的材質(zhì)等效果。在虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)中，可通過(guò)觸覺(jué)傳感器，并利用Unity3D軟件中的Mega-Fiers插件實(shí)現(xiàn)真實(shí)拾起效果。用戶在使用過(guò)程中，可通過(guò)手柄控制來(lái)拾取產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)拾取和放下的效果，產(chǎn)品附帶重力和重心。

若沒(méi)有完整的產(chǎn)品模型作為前提，在虛擬展廳的構(gòu)建中，三維建模技術(shù)為關(guān)鍵性的技術(shù)，是創(chuàng)建逼真的三維環(huán)境的關(guān)鍵要素。當(dāng)前，虛擬展廳中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，通過(guò)Unity3D軟件進(jìn)行直接建模，這種建模方式最大的優(yōu)點(diǎn)便是運(yùn)行較為迅速，通過(guò)對(duì)地形、幾何體等的利用來(lái)構(gòu)建虛擬展廳。但這種技術(shù)尚未完善，例如真實(shí)度及精確度不足，對(duì)于材質(zhì)的附著不盡如人意。

（二）運(yùn)用全景360度拍攝合成技術(shù)創(chuàng)建虛擬展廳

該種方法主要運(yùn)用于在短時(shí)間內(nèi)對(duì)現(xiàn)有場(chǎng)景的復(fù)制。使用全景相機(jī)或單反相機(jī)來(lái)收集素材（場(chǎng)景的照片）。全景相機(jī)的技術(shù)已經(jīng)成熟，并且無(wú)需花費(fèi)精力和時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)大范圍的展廳展現(xiàn)，但其中存在的問(wèn)題是畫面的像素較差。而單反相機(jī)可實(shí)現(xiàn)高像素的場(chǎng)景模擬效果，通過(guò)定向中心，確立中心，并以中心為起點(diǎn)，進(jìn)行相同垂直高度的拍攝，保證相等分的不同水平角度拍攝，水平方向可最少分為3條水平線：45度、90度、135度，或增加0度和180度的素材可增加其完整性。將素材照片放入ptgui軟件中進(jìn)行360度合成，在確保至少3條垂直方向的素材的前提下，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的合成。

該種方法無(wú)法確保大范圍的場(chǎng)景模擬，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)走動(dòng)和交互運(yùn)動(dòng)，適合用于觀賞性的虛擬展廳展現(xiàn)。

Sketch up的虛擬展廳轉(zhuǎn)換同樣是通過(guò)將原有的場(chǎng)景源文件通過(guò)3D轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入VR設(shè)備，不同于Unity3D技術(shù)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景建設(shè)，Sketch up的虛擬展廳可以對(duì)場(chǎng)景細(xì)節(jié)和產(chǎn)品進(jìn)行修改，但渲染周期較長(zhǎng)，僅適用于室內(nèi)場(chǎng)景建設(shè)。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬展廳相結(jié)合

實(shí)體世界中的想法和需求都能夠通過(guò)工業(yè)軟件在虛擬世界中得以體現(xiàn)，在虛擬世界中進(jìn)行的任何調(diào)整都會(huì)在產(chǎn)品制造時(shí)反映在實(shí)體產(chǎn)品中，因此，可以形成虛實(shí)結(jié)合、動(dòng)態(tài)交互的高度智能化制造方式。虛擬世界和實(shí)體世界的不同，在隨著數(shù)字化的社會(huì)到來(lái)的過(guò)程中開(kāi)始發(fā)生聯(lián)系，可以發(fā)現(xiàn)虛擬世界和實(shí)體世界在制造行業(yè)中也呈現(xiàn)出慢慢相互“融合”的狀態(tài)。

而在這一技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，缺少了一個(gè)展現(xiàn)載體，使得虛擬世界過(guò)于單一和脫離真實(shí)。而虛擬展廳的出現(xiàn)，系統(tǒng)化地填補(bǔ)了這一空缺，并非是單一地進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)，而是針對(duì)性的對(duì)于某一產(chǎn)品或某一系列產(chǎn)品進(jìn)行場(chǎng)景制作。給予了虛擬現(xiàn)實(shí)一個(gè)具體的框架載體，增加了代入感和現(xiàn)實(shí)感。

在快速變化的市場(chǎng)需求下，虛擬展廳成為了市場(chǎng)來(lái)評(píng)判產(chǎn)品好壞的重要因素之一，不同于單一的展示技術(shù)，加入了虛擬展廳，更好地發(fā)揮出產(chǎn)品的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況。虛擬現(xiàn)實(shí)將成為技術(shù)牽引，服務(wù)未來(lái)的機(jī)電產(chǎn)品制造領(lǐng)域，將虛擬世界和實(shí)體世界更加密切地相互融合。

四、虛擬展廳的應(yīng)用

虛擬展廳在機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用空間。在機(jī)電產(chǎn)品宣傳推廣階段，應(yīng)用建立虛擬展廳對(duì)客戶進(jìn)行產(chǎn)品仿真演示，比傳統(tǒng)二維和動(dòng)態(tài)演示效果更理想，能夠促進(jìn)銷售，還原機(jī)電產(chǎn)品在工作場(chǎng)景中的運(yùn)用，提高了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)制造方面的服務(wù)效率、拓寬了其服務(wù)的內(nèi)容，并且提升了服務(wù)的質(zhì)量，使機(jī)電制造業(yè)滋生新的服務(wù)行為。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用引入機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)制造業(yè)中，更加符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的速度與需求。同時(shí)，3D虛擬技術(shù)大大減少了傳統(tǒng)制造所產(chǎn)生的二次成本。

不僅如此，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將已建立的機(jī)電產(chǎn)品模型和操作場(chǎng)景進(jìn)行三維發(fā)布，虛擬展廳不僅可以便于修改和設(shè)計(jì)，還可以展現(xiàn)后期的完整展示效果，通過(guò)360度的場(chǎng)景素材收集并集成于一個(gè)空間，模擬一個(gè)虛擬操作空間，可供用戶與機(jī)電產(chǎn)品之間進(jìn)行虛擬交互?；谟脩粞芯炕A(chǔ)之上，探討了解客戶需求，通過(guò)發(fā)布平臺(tái)更改用戶所需產(chǎn)品外觀，以及具體的操作界面和操作形式的設(shè)計(jì)，來(lái)滿足客戶的需求。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬展廳是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)和展示設(shè)計(jì)中的運(yùn)用， 是將企業(yè)中的真實(shí)場(chǎng)景和產(chǎn)品通過(guò)三維模型、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種手段在計(jì)算機(jī)上模擬再現(xiàn)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)供參觀者訪問(wèn)的全新網(wǎng)上展示方式。虛擬展廳所用到的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是利用三維建模軟件創(chuàng)建逼真的展廳環(huán)境，利用虛擬現(xiàn)實(shí)工具制作虛擬漫游、人機(jī)互動(dòng)等效果，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)給參觀者，從而達(dá)到不限時(shí)空的參觀。本文介紹了兩種虛擬展廳的實(shí)現(xiàn)路徑，分別是通過(guò)Unity3D技術(shù)、通過(guò)全景360度拍攝合成技術(shù)。Unity3D技術(shù)和Sketch up的虛擬展廳轉(zhuǎn)換都是在盡可能確保模型源文件的前提之下，而全景360度拍攝合成技術(shù)則是建立在360度平分角度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，兩者各有利弊。虛擬展廳在機(jī)電產(chǎn)品先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用空間，虛擬現(xiàn)實(shí)將成為技術(shù)牽引，服務(wù)未來(lái)的機(jī)電產(chǎn)品制造領(lǐng)域，將虛擬世界和實(shí)體世界更加密切地相互融合。

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