VR噴漆涂鴉系統(tǒng)的 設(shè)計與實現(xiàn)

劉涵劍 羅旭

【摘要】? ? 隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，全世界各個地區(qū)的文化交流趨于緊密，人們對于藝術(shù)方面的追求與創(chuàng)作也呈現(xiàn)多元化的趨勢。而虛擬與增強現(xiàn)實技術(shù)在穩(wěn)步發(fā)展的同時正滲透于各個領(lǐng)域，為噴漆涂鴉藝術(shù)的發(fā)展與推廣提供了一條新的途徑。本文主要介紹了借助虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)引擎Unity 3D所設(shè)計的VR噴漆涂鴉系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，通過對系統(tǒng)的框架與功能設(shè)計、3D建模、渲染技術(shù)和系統(tǒng)交互等多個技術(shù)方面進行設(shè)計及分析此系統(tǒng)所潛在的問題，闡述了其實現(xiàn)的可行性，為以現(xiàn)代科技為載體的藝術(shù)創(chuàng)作形式的推進與提升提供了新的思路與有效途徑。

【關(guān)鍵詞】? ? 虛擬現(xiàn)實? ? 噴漆涂鴉? ? 3D建模? ? 圖形渲染

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

對于系統(tǒng)開發(fā)過程，采用快速原型模型。首先確定噴漆涂鴉系統(tǒng)的基本需求是實現(xiàn)涂鴉繪畫的功能，然后在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架快速分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)基本需求編寫一個可大致實現(xiàn)這一功能的原型軟件。此階段暫時忽略最終系統(tǒng)對于某些更加具體的功能模塊上的細節(jié)要求，將考慮的重心放在需求分析階段所提出的能夠充分體現(xiàn)所要實現(xiàn)功能的基本特性，并對形成的原型進行相應(yīng)的測評[1]。在原型系統(tǒng)的測試運行期間，對所展現(xiàn)的效果與預(yù)期制定的涂鴉系統(tǒng)功能實現(xiàn)進行對比分析，從而找出前一階段所出現(xiàn)的決策或技術(shù)上的錯誤并加以修改與完善[2]。同時在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上不斷增添新的功能需求，討論并制定新的修改與實現(xiàn)方案，根據(jù)明確的功能模塊需求對系統(tǒng)原型進行迅速且完整地修正，反復(fù)迭代，一步步實現(xiàn)最終系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)模塊組成

2.1場景模型模塊

此模塊主要作為虛擬現(xiàn)實場景中的仿真建筑物與自然景物，作為噴漆涂鴉的載體，從而更好地模擬現(xiàn)實中涂鴉的流程與操作步驟?？紤]到此模塊中模型的數(shù)量較多，需采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與搜索算法，將其分區(qū)分類進行存儲，簡化后續(xù)的功能拓展與管理。

2.2噴漆實現(xiàn)模塊

此模塊主要需實現(xiàn)用戶選擇不同種類的噴漆工具并在虛擬場景中進行涂鴉創(chuàng)作的功能。因仿真的噴漆基本功能大致相同，主要的區(qū)別體現(xiàn)在其噴漆樣式的呈現(xiàn)上，所以可設(shè)計統(tǒng)一的接口，在降低系統(tǒng)的耦合度同時，方便后續(xù)噴漆樣式種類的增添與新功能的拓展[3]。

2.3涂鴉存儲與展示模塊

涂鴉作為一種藝術(shù)的載體，應(yīng)該在系統(tǒng)中提供對其進行存儲的功能，同時當用戶需要進行觀賞時可將作品展示出來。一種方案是將作為涂鴉載體的相關(guān)模型連同涂鴉以三維的方式一同保存在虛擬世界的用戶個人倉庫中，為用戶提供全景還原的涂鴉存儲形式，更利于后續(xù)的觀賞與學習等操作。

2.4社區(qū)交流模塊

搭建系統(tǒng)內(nèi)置的社區(qū)平臺，可供不同地區(qū)的涂鴉藝術(shù)愛好者進行交流、相互展示查閱涂鴉作品。此模塊可激發(fā)用戶在虛擬系統(tǒng)中進行創(chuàng)作的熱情，促進文化交流與藝術(shù)思維的碰撞，契合系統(tǒng)開發(fā)的初衷。

三、三維模型構(gòu)建

在虛擬場景中，用三維模型作為噴漆涂鴉的載體，而這些模型中大部分為虛擬建筑物，所以在模型制作軟件上采用與建筑方面有著密切聯(lián)系的3D Studio Max（簡稱3D Studio Max）。為減少內(nèi)存開銷，著重突出可視效果展現(xiàn)，在建模時對于虛擬場景中用戶很少交互或觀察到的模型，進行適當簡化，并盡量用參數(shù)化的方法進行構(gòu)建。

為進一步獲得高效率的渲染運算，此系統(tǒng)采用LOD（Levels of Detail）技術(shù)。LOD可根據(jù)虛擬場景中物體模型與攝像機的距離而調(diào)用不同復(fù)雜度的模型，遠距離物體使用低模，近距離物體使用高模[4]。所以在模型制作時，應(yīng)該根據(jù)不同精確度與復(fù)雜度的需求制作不同品質(zhì)的模型。同時，為便于在集成系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理與操作，對模型進行合理化分割并分別建模。

四、系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)引擎主要采用Unity3D，其為由Unity Technologies開發(fā)的面向多平臺的全面整合開發(fā)工具。首先將上一步由3D Studio Max制作好的模型添加到虛擬場景中，搭建一個適用于噴漆涂鴉的較為合理的場景布局。為更真實地模擬現(xiàn)實場景中的天氣、光線等自然環(huán)境因素對景觀的影響，在虛擬場景中添加Skybox（天空盒）和不同種類光源。

在場景布局的初步完成后，便進入代碼編寫階段，通過編寫C#腳本代碼來實現(xiàn)用戶與虛擬場景的交互，其中包括菜單選擇、移動和主要功能——涂鴉創(chuàng)作。菜單選擇可初步通過在UI中選擇創(chuàng)建一個“Dropdown”控件并編寫相應(yīng)代碼實現(xiàn)。UI界面的設(shè)計往往直接影響著用戶的體驗。高品質(zhì)的UI設(shè)計不僅可以讓場景交互變得簡單舒適，而且可以將涂鴉系統(tǒng)的個性化風格體現(xiàn)出來[5]?？紤]到用戶適應(yīng)性和場景限制方面所存在的問題，用戶在虛擬場景中可借助傳送的方式進行移動，其步驟包括：用戶通過按壓手柄發(fā)射射線從而在場景中選擇一個傳送點，并將此點所在的目標物體進行標記;通過碰撞檢查此物體上是否掛載相關(guān)組件，若是則將其記錄為碰撞點;將用戶在虛擬場景的位置傳送到碰撞點上。最后，為實現(xiàn)涂鴉噴漆各種各樣的顏色樣式等效果，需要借助采用ShaderLab編寫的Shader腳本來實現(xiàn)。考慮到當前所設(shè)計系統(tǒng)中的模型大多是貼合生活的棱角較為分明的立體建筑或表面不規(guī)整的自然山體景物，而Surface Shader（表面著色器）對于實現(xiàn)描邊效果存在只適用于表面平緩模型的弊端[6]，所以主要編寫Shader腳本的為Vertex/Fragment Shader （頂點/片斷著色器）。

五、圖像渲染優(yōu)化

在圖形渲染方面，為了提高系統(tǒng)性能，采用遮擋剔除技術(shù)（Occlusion Culling）和LOD技術(shù)。遮擋剔除技術(shù)的主要功能為：在物體進入渲染管線之前，將攝像機視角內(nèi)看不到的物體進行剔除，從而達到減少被渲染對象個數(shù)、降低每幀渲染時間的效果[7]。需要進行遮擋剔除的區(qū)域是由一個個單元格構(gòu)成，而這些單元格是待剔除場景區(qū)域的進一步分割。遮擋剔除與視錐體剔除 （Frustum Culling） 有一定區(qū)別。視錐體剔除只將相機視野外的物體渲染剔除掉，不剔除視野內(nèi)被遮擋的物體的渲染[8]。此系統(tǒng)將遮擋剔除作為視錐體剔除的一個補充，兩者共同應(yīng)用于圖形渲染以加強對性能方面的優(yōu)化。

LOD技術(shù)是在不對畫面流暢度和所需視覺效果造成影響的情況下，借助按層次簡化模型的精細度來降低場景的幾何復(fù)雜性的方法提高CPU及渲染管線的效率。LOD技術(shù)的聚類算法可通過檢測模型相鄰頂點并將其聚類合并的方法來簡化網(wǎng)格，因其不考慮原始網(wǎng)格的拓撲幾何結(jié)構(gòu)，可能生成的網(wǎng)格會非常粗糙[9]。由于此系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是噴漆涂鴉的創(chuàng)作過程，對于在虛擬場景中處于用戶活動范圍之外的景物模型的視覺效果要求不高，鑒于聚類算法實現(xiàn)簡單且效率高的特點，將其作為此系統(tǒng)實現(xiàn)LOD技術(shù)的主要算法。

六、結(jié)束語

本文基于虛擬現(xiàn)實的噴漆涂鴉藝術(shù)創(chuàng)作的設(shè)計與實現(xiàn)，介紹了其相關(guān)的技術(shù)，并借鑒市面上已有的類似系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，給出了VR噴漆涂鴉系統(tǒng)的設(shè)計思路與方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項將計算機虛擬世界以一種仿真的形式呈現(xiàn)給現(xiàn)實感官的實用技術(shù)，它激發(fā)了人們天馬行空的想象，將各個領(lǐng)域與此技術(shù)結(jié)合，催生了諸多造福人類的創(chuàng)造性成果?？梢哉雇?，未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)將與我們生活的各個方面相結(jié)合，發(fā)揮出其巨大的潛力。

參? 考? 文? 獻

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[2]張越.瀑布模型、快速原型模型和增量模型的對比[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（03）：32.

[3]焦航濤.3d studio max建筑漫游動畫制作流程[J].硅谷，2011（05）：171.

[4]呂慧玲，李佩瑤，湯圣君，朱慶，許麗.BIM模型到多細節(jié)層次GIS模型轉(zhuǎn)換方法[J].地理信息世界，2016，23（04）：64-70.

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