虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬景區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究
——以亳州曹操運(yùn)兵道為例

蔣明音

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽亳州236800）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）簡稱VR，是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，是一種在由電子技術(shù)生成的可交互的三維環(huán)境中，提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像，使人產(chǎn)生在虛擬世界中的感覺的技術(shù)。它主要通過提供視、聽、觸覺等直觀而又真實(shí)的實(shí)時(shí)感知，讓用戶根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行觀察和操作，參與其中的事件，讓參與者沉浸其中［1］。通俗來說就是：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在空間上人類的視覺、聽覺以及觸覺的感受，使人們達(dá)到身臨其境的效果。它建立的體驗(yàn)虛擬世界包含多感知性、交互性、自主性、沉浸性等四個(gè)特征［2］。2016年被稱為VR產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)元年。國外廠商如谷歌、三星、微軟等科技巨頭紛紛推出各自研發(fā)的VR產(chǎn)品，國內(nèi)VR行業(yè)亦不甘落后，2016年中迎來了產(chǎn)品集中發(fā)布的熱潮。同年，公認(rèn)的三大VR設(shè)備廠Oculus Rift、Sony、Htc也推出了VR設(shè)備的消費(fèi)者正式版本，VR進(jìn)入了大眾生活，VR消費(fèi)時(shí)代正式開啟。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用

目前，人們主要通過“VR頭戴式顯示設(shè)備”（VR眼鏡）來體驗(yàn)VR，顯示的內(nèi)容主要來自于電腦或手機(jī)。使用者帶上VR眼鏡后，可以在顯示器中看到計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)的虛擬場景，虛擬場景通過頭部視角移動(dòng)來變換。市場上常見的面對消費(fèi)者的VR設(shè)備除了眼鏡，有些還配備手柄、跟蹤儀等交互設(shè)備，使用時(shí)人們可以在VR場景中看到自己的手部運(yùn)動(dòng)，結(jié)合手柄上的按鈕可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種交互操作。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛。娛樂、醫(yī)療保健、航空航天、文物保護(hù)、教育、汽車制造業(yè)、事故或犯罪現(xiàn)場重建、購物、軍事、房產(chǎn)開發(fā)等方面均有應(yīng)用。對于消費(fèi)者來說，游戲、影視、直播是目前虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容上最貼近大眾生活的三個(gè)領(lǐng)域。Oculus Rift、PlayStation VR、Htc Vive等消費(fèi)者版本的VR設(shè)備的推出讓VR走進(jìn)消費(fèi)者的家庭，人們可以通過應(yīng)用商店、線上應(yīng)用分發(fā)平臺(tái)、支持VR的視頻網(wǎng)站或應(yīng)用等方式來接觸、體驗(yàn)VR內(nèi)容。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在旅游業(yè)中的應(yīng)用

近年來，政府對旅游業(yè)大力支持，全面推進(jìn)旅游改革，國內(nèi)旅游業(yè)空前發(fā)展，迎來了大眾旅游時(shí)代。2015年，中國國內(nèi)旅游人數(shù)首次突破40億人次，旅游收入超過4萬億元；2016年，中國國內(nèi)旅游人數(shù)達(dá)到44.4億人次，旅游總收入4.69萬億元。這些沉甸甸的數(shù)據(jù)，說明旅游業(yè)已融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局，成為國民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)［3］。在這種大環(huán)境下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與旅游的結(jié)合可以給旅游業(yè)帶來新的變化與機(jī)遇。比如虛擬景區(qū)的設(shè)計(jì)與建設(shè)。

現(xiàn)在許多人在選擇旅游目的地之前，喜歡在各大旅游網(wǎng)站或者貼吧查詢景點(diǎn)資料，但傳統(tǒng)的旅游網(wǎng)站對于景點(diǎn)的介紹不外乎就是圖片、文字、視頻，如果虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到景區(qū)介紹中，根據(jù)真實(shí)景區(qū)通過計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬景區(qū)，人們就可以遠(yuǎn)在千里之外使用VR設(shè)備身臨其境地欣賞景區(qū)風(fēng)采、感受景區(qū)文化。虛擬景區(qū)比傳統(tǒng)的景點(diǎn)介紹更加直觀，更能吸引人們到景區(qū)實(shí)地一覽其風(fēng)采。人們不僅可以通過在網(wǎng)上體驗(yàn)虛擬景區(qū)來選擇旅行目的地、對目的地進(jìn)行預(yù)了解，而且景區(qū)中也可以配備VR設(shè)備，讓游客了解景區(qū)布局、無干擾地品味景區(qū)細(xì)節(jié)。如果實(shí)地參觀中由于時(shí)間原因未來得及完整地觀賞景區(qū)，人們也可以在旅行結(jié)束后通過虛擬景區(qū)進(jìn)行重溫，以彌補(bǔ)旅行中的遺憾。

3 虛擬景區(qū)設(shè)計(jì)——以曹操運(yùn)兵道為例

現(xiàn)以安徽省亳州市的曹操運(yùn)兵道為例，介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬景區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。曹操運(yùn)兵道又稱曹操藏兵道，是魏武帝曹操為軍事需要而修建，距今已有1 800多年歷史，是國家AAAA級(jí)旅游景區(qū)、國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。曹操運(yùn)兵道位于亳州市老城區(qū)，以大隅首為中心，向東、西、南、北沿著原四門大街延伸至四門外，總長度8 000余米。古地道有單行道、平行雙道、上下兩層道、立體交叉道四種形式，是中國現(xiàn)存最古老、保存最完整的地下大型軍事設(shè)施，被譽(yù)為“地下長城”。下面對利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作曹操運(yùn)兵道虛擬景區(qū)的兩種方法進(jìn)行探討。

（1）使用VR全景攝像機(jī)制作VR視頻。使用全景相機(jī)拍攝VR實(shí)景視頻，可以較為真實(shí)地還原所拍攝場景的原貌。VR全景攝像機(jī)與普通攝像機(jī)不同，一般來說呈球形或是環(huán)形，上面分布著多個(gè)攝像頭，力求能夠360°地覆蓋周圍場景，最大程度地對真實(shí)環(huán)境進(jìn)行還原。

制作者在選擇錄制VR實(shí)景視頻前需要考慮如下問題：首先，硬件問題。比如，前景被廣泛看好的一體化全景攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)對圖像進(jìn)行處理、拼接和矯正，攜帶方便，較節(jié)省人力和時(shí)間成本，但是價(jià)格不菲，一般需要花費(fèi)數(shù)十萬元人民幣，如2015年12月上市的Nokia OZO目前售價(jià)約40萬人民幣。像NextVR這種可拍出電影級(jí)別的專業(yè)VR攝像設(shè)備目前價(jià)格在300萬人民幣左右，令大多數(shù)人望而卻步。許多拍攝團(tuán)隊(duì)選擇GoProVR攝像機(jī)，根據(jù)配置不同目前報(bào)價(jià)在3萬多到10萬多人民幣不等，是普通拍攝團(tuán)隊(duì)能承受的價(jià)格，但也存在發(fā)熱、電池續(xù)航、幀同步、后期拼接困難等問題；其次，后期剪輯問題。由于VR近兩年才開始飛速發(fā)展，走入到大眾生活當(dāng)中，目前大部分VR全景視頻剪輯軟件功能尚不完善，使用起來不太便捷。畫面的拼接、全景視頻關(guān)鍵幀的把控、球形畫面的渲染、聲音的定位等問題都加重了后期制作人員的工作量；最后，用戶作為第一視角，雖然可以通過頭戴式VR設(shè)備自主變換視線角度觀看360°全景視頻中的景物，但是無法在VR全景視頻中自由行走，只能跟隨攝像機(jī)的移動(dòng)而移動(dòng)，并且觀察場景的時(shí)間由視頻鏡頭的切換所控制，操控自由受到很大束縛。

充分考慮以上問題以后可以開始進(jìn)行拍攝計(jì)劃。曹操運(yùn)兵道錯(cuò)綜復(fù)雜，拍攝前，視頻制作者需要對曹操運(yùn)兵道的布局與講解點(diǎn)做足功課，巧妙規(guī)劃、優(yōu)化拍攝路線，為后期制作打好基礎(chǔ)。然后拍攝團(tuán)隊(duì)按照計(jì)劃進(jìn)行拍攝。拍攝時(shí)需要注意，由于運(yùn)兵道地下部分非常狹窄，道內(nèi)高度1.8 m左右，道寬0.7 m左右，拍攝現(xiàn)場內(nèi)除了必要的人員其余都要離開拍攝現(xiàn)場，講解可用后期旁白或是字幕的形式來呈現(xiàn)。拍攝完畢后把采集好的視頻輸入到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行后期制作。由于全景攝像機(jī)由多鏡頭組成，采集的數(shù)據(jù)相當(dāng)龐大，視頻采集人員要進(jìn)行精細(xì)的數(shù)據(jù)管理。后期制作人員需使用視頻剪輯軟件（如Premiere ProCC等）對所輸出的視頻根進(jìn)行拼接，并根據(jù)錄制好的講解詞進(jìn)行初步剪輯，目前全景視頻多使用長鏡頭。粗剪后，把錄制好的旁白添加進(jìn)剪輯，添加音效與背景音樂，并對視頻進(jìn)行精剪。剪輯完成后，后期制作人員可結(jié)合達(dá)芬奇等調(diào)色軟件進(jìn)行調(diào)色，也可以使用Premiere自帶的調(diào)色系統(tǒng)，使用合適的色調(diào)烘托曹操運(yùn)兵道古樸、神秘的氛圍，并對局部的明暗及顏色進(jìn)行校正。可結(jié)合PhotoShop、After Effects等軟件進(jìn)行字幕、特效等后期處理。后期制作完畢后，根據(jù)發(fā)布平臺(tái)選擇合適的格式進(jìn)行輸出并發(fā)布。

使用VR全景實(shí)景視頻建立虛擬景區(qū)可以最大程度還原景區(qū)真實(shí)細(xì)節(jié)，特別是對于歷史文化旅游景區(qū)，用戶帶上頭戴式VR設(shè)備進(jìn)行體驗(yàn)，可以變換觀察角度環(huán)顧四周，沉浸在畫面中感受其文化與歷史的氛圍，仿佛置身于真實(shí)的場景當(dāng)中。

（2）對景區(qū)進(jìn)行3D建模并進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行3D場景建模、交互設(shè)計(jì)來建立的虛擬景區(qū)，與全景VR視頻不同，在3D虛擬場景中，人可以被設(shè)置為自由的，不僅可以轉(zhuǎn)換視線，還可以自由行走、跳躍，和場景內(nèi)的人、物、環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，而不是必須跟隨攝像機(jī)的移動(dòng)而移動(dòng)。利用3D場景建模無需考慮攝像設(shè)備的限制，只要準(zhǔn)備工作充足，技術(shù)過硬，景區(qū)室內(nèi)室外的場景都可以搭建。

使用3D場景搭建虛擬景區(qū)之前需考慮以下問題：首先，對于物質(zhì)文化遺產(chǎn)、歷史文物古跡來說，3D建模再逼真，也沒有時(shí)間的磨礪。使用3D建模搭建景區(qū)只能讓人觀其型，而很難領(lǐng)會(huì)其神。因此對于著重需要大家了解的地方，可以增加觸發(fā)景區(qū)高清細(xì)節(jié)圖片、視頻或是旁白，來彌補(bǔ)3D建模的失真之處；其次，想要還原真實(shí)場景，需要精細(xì)制作模型，但是模型越精細(xì)，面數(shù)越多，貼圖材質(zhì)越復(fù)雜，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷就越大，極有可能影響最終的體驗(yàn)，因此要根據(jù)具體情況對模型進(jìn)行優(yōu)化，在真實(shí)與流暢體驗(yàn)中找到平衡。

下面的設(shè)計(jì)基于用戶使用的是頭戴式VR設(shè)備及手柄感應(yīng)設(shè)備。

第1步：進(jìn)行3D建模。曹操運(yùn)兵道景區(qū)分為2部分，譙望樓為其入口，運(yùn)兵道由譙望樓進(jìn)入地下。制作者需要實(shí)地考察曹操運(yùn)兵道整體布局、內(nèi)部細(xì)節(jié)、建筑材料等，收集素材，進(jìn)行拍照、測量等工作，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出運(yùn)兵道平面圖及3D場景草稿。曹操運(yùn)兵道錯(cuò)綜復(fù)雜，有些地方還分上下兩層，制作者前期需要做大量的工作，力求精確地還原其路徑與細(xì)節(jié)。草稿完成后，使用3d Max或是Maya等3D制作軟件進(jìn)行建模（本文以3d Max為例）。建模雖說要盡量精細(xì)，但也要考慮到面數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不流暢，影響用戶體驗(yàn)，因此要對模型進(jìn)行優(yōu)化，對于優(yōu)化掉的繁雜細(xì)節(jié)，可以后面用貼圖來彌補(bǔ)。美工師根據(jù)所拍攝的實(shí)景照片使用Photoshop和AutoCad等軟件進(jìn)行模型的貼圖設(shè)計(jì)與制作，給模型進(jìn)行貼圖，如果模型表面凹凸、不規(guī)則，則需要添加UVW貼圖進(jìn)行調(diào)整。最后，把做好的模型從3d Max中導(dǎo)出。

第2步：進(jìn)行場景創(chuàng)建。在Unity3D或Unreal Engine 4游戲引擎軟件中（本文以Unity3D為例）創(chuàng)建場景，把從3d Max中導(dǎo)出的文件導(dǎo)入至Unity3D，并把模型拖至新建場景中。設(shè)計(jì)體驗(yàn)者可游覽的路徑，給墻體、物體等添加物理碰撞，防止體驗(yàn)者在游覽時(shí)“穿墻”、“穿物”或是進(jìn)入“禁區(qū)”。對場景進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)，添加燈光烘托氛圍，曹操運(yùn)兵道地上譙望樓周圍可以繪制地形，給場景添加天空、地面、云霧及植被，并添加背景音樂等。

第3步：進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。首先，創(chuàng)建視角，本設(shè)計(jì)選擇使用第一人稱控制器“First Person Controller”，這樣體驗(yàn)者就可以以第一人稱的視角去觀察周圍的環(huán)境，在虛擬景區(qū)中會(huì)有更好的視覺體驗(yàn)及沉浸感；然后設(shè)置漫游交互?？梢栽谑直刂破魃咸砑右苿?dòng)腳本，這樣體驗(yàn)者就可以通過手柄的按鍵來控制前后，左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在景區(qū)中的漫步；再根據(jù)需要設(shè)計(jì)其他觸發(fā)交互，比如文字說明的觸發(fā)、旁白講解的觸發(fā)、運(yùn)兵道機(jī)關(guān)的觸發(fā)等等。最后對虛擬景區(qū)進(jìn)行測試、邏輯修正、細(xì)節(jié)調(diào)整，完成后進(jìn)行導(dǎo)出并選擇合適的平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布。

曹操運(yùn)兵道的特點(diǎn)之一就在于它迷宮般的奧妙布局，使用計(jì)算機(jī)建模的方法搭建其虛擬景區(qū)，用戶可以自由在其中行走，體驗(yàn)其重重機(jī)關(guān)，還可以體驗(yàn)尚未正式開放的運(yùn)兵道虛擬場景，從而感受到更多樂趣。

4 結(jié)語

本文介紹并分析了兩種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬景區(qū)設(shè)計(jì)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然發(fā)展迅速，受到了學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，但是它在大眾生活中的普及應(yīng)用還僅處于剛起步的階段，各種硬件、軟件近年來雖然取得了顯著進(jìn)步，但還存在很多不成熟、需要改進(jìn)的地方。虛擬景區(qū)不僅可以展現(xiàn)已有景區(qū)風(fēng)采，還可以虛擬出規(guī)劃中的未來景區(qū)樣貌，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科技的不斷發(fā)展，VR設(shè)備的更加普及，虛擬景區(qū)的相關(guān)技術(shù)也會(huì)越來越成熟，相信在不久的將來，虛擬景區(qū)會(huì)給旅游帶來全新的體驗(yàn)。

［1］李國松.虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］.長沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2007.

［2］王圣霖,朱世范,胡海輝,等.基于移動(dòng)設(shè)備的虛擬實(shí)境技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國園林,2015,31（11）:65-68.

［3］中華人民共和國中央人民政府.旅游局：創(chuàng)新政策供給助推全域旅游［EB/OL］.［2017-06-05］.http://www.gov.cn/xinwen/2017-06/05/content_5199893.htm.