虛擬現(xiàn)實技術(shù)漫游系統(tǒng)在軌道車輛上的研究及應(yīng)用

李芳　邱利偉　王會艷

【摘 要】研究軌道車輛虛擬展示及漫游系統(tǒng)，以3ds Max和Virtools為開發(fā)工具，采用輕量化建模方法，解決了海量數(shù)據(jù)渲染慢和人機實時交互困難的問題。建立虛擬展示平臺，實現(xiàn)以虛擬樣車代替實物模型，為進(jìn)行產(chǎn)品虛擬體驗及設(shè)計方案提供了展示平臺和技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】虛擬展示；輕量化；人機交互

中圖分類號： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0245-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.115

Research and application of virtual reality technology roaming system in track vehicle

LI Fang QIU Li-wei WANG Hui-yan

（zhongche tangshan locomotive vehicle co.， LTD.，Tangshan Hebei 063000，China）

【Abstract】To study the virtual display and roaming system of rail vehicles， with 3ds Max and Virtools as development tools，a lightweight modeling method is used to solve the problem of massive data rendering and real-time interaction between man and machine. The virtual display platform is established to replace the physical model with virtual prototype， and the platform and technical means are provided for the product virtual experience and design scheme.

【Key words】Virtual display； Lightweight； The human-computer interaction

0 前言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支?，F(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空、教育等多個領(lǐng)域，取得了很大成就。構(gòu)建的軌道列車虛擬展示系統(tǒng)，解決海量數(shù)據(jù)渲染慢和人機實時交互困難的問題，促進(jìn)鐵路行業(yè)的發(fā)展水平是勢在必行的。借助虛擬現(xiàn)實漫游展示系統(tǒng)實現(xiàn)軌道車輛的虛擬展示，為進(jìn)行造型、內(nèi)裝布置及美工方案變化等提供更先進(jìn)的研發(fā)手段，為設(shè)計方案的評審、展示及為公司對新產(chǎn)品進(jìn)行決策提供方便。將虛擬展示技術(shù)應(yīng)用到軌道列車設(shè)計中，可大大減少實物模型和樣車的制造，減少開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期；通過模擬真實場景，供參觀者深入體驗產(chǎn)品的優(yōu)勢與特色，能展示公司研發(fā)制造能力，協(xié)助市場營銷，提升企業(yè)形象與知名度。

1 虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)功能設(shè)計

構(gòu)建軌道列車虛擬展示系統(tǒng)，需要實現(xiàn)列車的外觀和內(nèi)飾漫游展示、列車駕駛控制、多種設(shè)計方案的設(shè)備模型切換、顏色紋理切化等功能，及總體天氣系統(tǒng)界面設(shè)計?？傮w技術(shù)路線規(guī)劃如下圖1：

2 虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

2.1 三維模型的數(shù)據(jù)輕量化

虛擬現(xiàn)實場景在計算機上運行是否流暢，與場景中的模型個數(shù)、模型面數(shù)、模型貼圖這三個方面的數(shù)據(jù)量相關(guān)。軌道列車工程數(shù)據(jù)量龐大，必須進(jìn)行模型精簡，只有在前期制作中處理好這三個方面的數(shù)據(jù)量，以創(chuàng)建出最優(yōu)化的虛擬現(xiàn)實場景，才能在后期運行時保持較好的幀速率，避免出現(xiàn)運行不流暢、卡幀、停頓等現(xiàn)象。

①減少模型的面數(shù)和數(shù)量。采用3ds Max多邊形建模方法，對看不見的地方不用建模，或者刪除看不見的面。這樣做有利于提高貼圖的利用率，降低整個場景的面數(shù)，以提高交互場景的運行速度。

②對于復(fù)雜圖形采用紋理映射。對于復(fù)雜圖形采用紋理貼圖的方式來代替多邊形表示模型的細(xì)節(jié)，從而減少模型的數(shù)量，如頂部格柵和通風(fēng)孔的模型，數(shù)量大面數(shù)多，實時渲染時會出現(xiàn)鋸齒與閃爍現(xiàn)象，利用貼圖的方式來表現(xiàn)，效果細(xì)膩，真實感也很強。

③盡量使用規(guī)范和不易混淆的命名規(guī)則。模型命名還不規(guī)范時，制作虛擬現(xiàn)實交互容易給程序員造成混淆，影響交互功能的制作。

2.2 烘焙技術(shù)的應(yīng)用

烘焙（Render To Texture）技術(shù)就是將3ds Max場景中的光影信息渲染成一張貼圖的方式，而后把這個烘焙好的貼圖導(dǎo)入到Virtools編輯器中，再貼回到場景中去，從而得到一個具有真實光影效果的虛擬現(xiàn)實場景。烘培前需要通過多角度地渲染效果圖，來查看燈光效果，以達(dá)到后理想的展示效果。

①使用Lighting Map的烘焙方式具有很大優(yōu)勢。它支持大部分的材質(zhì)，如多維材質(zhì)、復(fù)合材質(zhì)等，它僅記錄光線明暗信息，烘焙出來的效果光感好。而且Lighting Map后的模型貼圖坐標(biāo)可以再次更改，發(fā)現(xiàn)貼圖坐標(biāo)不合適時，可以返回到Max里重新調(diào)整后無需再次進(jìn)行烘焙，導(dǎo)入Virtools編輯器里，其烘焙效果依然存在，避免重復(fù)工作。

②適當(dāng)?shù)亟档秃姹簳r的紋理尺寸。眾所周知，紋理圖越大渲染的效果就越好。烘焙紋理也是一樣。烘焙紋理的大小直接影響最終效果。但紋理過大，對計算機的系統(tǒng)資源的消耗也就越大，渲染速度也會相對變得很慢。因此，對于一個復(fù)雜的場景，需要有計劃地進(jìn)行烘焙設(shè)置，對表面積比較大的、多邊形面復(fù)雜的應(yīng)優(yōu)先考慮使用較大的紋理尺寸。這樣便可節(jié)約有限的系統(tǒng)資源，從而獲得高質(zhì)高效的烘焙結(jié)果。

③UV平鋪參數(shù)在烘培過程需手動編輯。雖然3ds Max可以自動生成UV平鋪參數(shù)，操作非常便捷，但它的平鋪結(jié)果時常不能讓人滿意。從烘焙后的結(jié)果可以看出，紋理圖中很多空間浪費，并且當(dāng)物體多邊形既復(fù)雜又非常細(xì)小時，總是會不可避免的產(chǎn)生一些過小的簇，這些簇在烘焙時常常被忽略，造成黑塊和黑斑。只有通過手工調(diào)節(jié)才可以解決這一問題。并能較為有效、合理地利用有限的面積，提高烘焙紋理的利用率。

2.3 動態(tài)載入技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實作品的運行畫面每一幀都是靠顯卡和CPU實時計算出來的，載入圖片以及壓縮成預(yù)覽圖對硬件的消耗較大，一次將這些圖片全部載入系統(tǒng)會耗費非常多的時間，還有可能造成程序的長時間不響應(yīng)。因此在Virtools中采用了動態(tài)載入技術(shù)，進(jìn)行實時場景優(yōu)化，使列車在進(jìn)行漫游展示的時候只載入當(dāng)前畫面的模型和圖片，隱藏視野之外的場景，以降低硬件的承受壓力，提高演示質(zhì)量。

2.4 模塊的封裝

Virtools中為場景添加交互是通過行為模塊（BB）實現(xiàn)的，使用“Draw Behavior Graph”命令，將各個結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行封裝，組成一個BB系統(tǒng)，并把必要的可調(diào)參數(shù)“拉”出來，以便以后的自定義設(shè)置，圖3是對于“模塊”的封裝，它可以方便的裝配在場景中的其它模型上，可應(yīng)用于各類基于Virtools開發(fā)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品中。

3 虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)功能實現(xiàn)

通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究構(gòu)建的軌道列車虛擬展示系統(tǒng)，可滿足人機交互、動態(tài)漫游、方案變換等。

3.1 漫游展示功能

采用動態(tài)展示技術(shù)，虛擬漫游環(huán)境的圖形渲染是“實時”的，可以任意設(shè)置視點，控制前后左右移動，并依據(jù)在車廂內(nèi)人眼的視覺活動范圍設(shè)定攝像機視角為向上30°向下150°之間自由旋轉(zhuǎn)，通過雙擊鼠標(biāo)實現(xiàn)局部視圖放大功能。系統(tǒng)提供自動漫游和手動漫游兩種方式自由切換。

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計

虛擬列車漫游展示系統(tǒng)界面設(shè)計，按鈕采用二維幀添加材質(zhì)，給材質(zhì)添加附有相應(yīng)功能文字的圖片，通過BB實現(xiàn)點擊觸發(fā)命令。點擊上方三角按鈕可使整個菜單出現(xiàn)或隱藏，通過該菜單可以快速的進(jìn)入各個車廂，切換手動漫游和自動漫游方式，進(jìn)行天氣功能切換，聲音及背景音樂的開關(guān)，打開操作幫助說明文檔等。

3.3 模擬列車駕駛

模擬列車啟動狀態(tài)，點擊啟動按鈕，列車受電弓升起，然后推動速度手柄，列車隨之啟動，速度逐漸達(dá)到最高速，最后模擬車輛進(jìn)站。監(jiān)測駕駛室內(nèi)速度手柄推上去多少，反饋回列車當(dāng)前的目標(biāo)速度。根據(jù)列車的目標(biāo)速度漸進(jìn)加速或減速。并根據(jù)實際速度移動列車。當(dāng)列車接近到車站1公里范圍內(nèi)時，列車轉(zhuǎn)由車站控制進(jìn)站減速，并?？空_的位置。?？客瓿珊?，用戶可以再次推速度手柄啟動列車。

3.4 門的開關(guān)控制

在列車中漫游過程中，通過觸發(fā)條件檢測，可實現(xiàn)自動開門及關(guān)門。開關(guān)動畫通常在3ds Max中事先設(shè)定好，導(dǎo)入Virtools之后通過觸發(fā)條件檢測，執(zhí)行開門和關(guān)門的動畫。也可以在Virtools中使用腳本控制，通過點擊按鈕觸發(fā)。

3.5 方案材質(zhì)顏色變換選擇

通過鼠標(biāo)檢測漫游快捷鍵激活該部位能夠?qū)崿F(xiàn)的交互需求，可以方便的選擇取可切換的內(nèi)容。如操縱臺方案可選擇切換、座椅面料紋理可選擇切換等。

3.6 數(shù)據(jù)處理

列車虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作完成之后，直接將整個作品以CMO文件格式保存，在需要的時候可以再進(jìn)行修改和編輯，以滿足不斷發(fā)展的各種功能需求。把整個作品以VMO文件格式保存，這種文件可以直接傳播或者發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，需要用戶安裝Virtools Web Player播放插件，就可以進(jìn)行交互操作，我們通常進(jìn)行方案演示也是通過這種格式進(jìn)行的。利用Virtools提供的SDK開發(fā)工具包，將作品打包成單一的EXE文件，這樣系統(tǒng)就可以在任何的WINDOWS平臺直接運行。

4 結(jié)束語

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)漫游系統(tǒng)在軌道車輛上的應(yīng)用研究，解決了海量數(shù)據(jù)渲染慢和人機實時交互困難的問題，設(shè)計和實現(xiàn)了一個可以應(yīng)用于基于Virtools的各類虛擬軌道列車的漫游展示系統(tǒng)，漫游及交互功能的實現(xiàn)，為進(jìn)行軌道列車虛擬體驗及設(shè)計方案等提供了展示平臺和技術(shù)手段。

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