WebVR動植物系統(tǒng)

李澤群 閆豐亭 李舒平 祁汝璠 史志才，2

（1.電子電氣工程學院，上海工程技術大學 上海市 201620 2.上海市信息安全綜合管理技術重點實驗室 上海市 200180）

1 引言

虛擬現(xiàn)實動植物系統(tǒng)可以通過虛擬現(xiàn)實技術展示動植物，滿足用戶的體驗甚至的科學研究的需要[1]。虛擬現(xiàn)實的動物不需要飼養(yǎng)員豢養(yǎng)動物，也不需要花費很高費用購買飼料，虛擬動物也不會對體驗的用戶造成真正的傷害，而且可以滿足用戶通過互聯(lián)網上的虛擬現(xiàn)實隨時隨地體驗動物的觀賞。虛擬植物不需要園丁培育修剪，也不用花費金錢購買土地及廢料養(yǎng)護，卻可以滿足用戶網上在線跨時空欣賞各種植物，細致觀察植物的樣貌，感受綠意和鮮花環(huán)境的美好體驗。

對于虛擬動植物的研究向來已久，已有眾多的專家對于虛擬動物、虛擬植物以及形成的系統(tǒng)平臺進行了研究。尹瑩瑩[2]基于建模軟件實現(xiàn)了虛擬動植物模型的搭建，并在農業(yè)院校教學中進行了研究，發(fā)現(xiàn)了采用虛擬現(xiàn)實手段可以很好的展示虛擬動物和植物。裴玉[3]設計實現(xiàn)了大慶濕地旅游的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)平臺中提出了具有地域特點的動物的建模及植物建模，最終采用了虛擬現(xiàn)實技術將兩種模型統(tǒng)一到了一個系統(tǒng)平臺中。閆雪[4]研究了植物的動態(tài)生長規(guī)律，攻破了研究中的關鍵技術，基于數學模型自動生長出多種姿態(tài)的虛擬植物。在農業(yè)應用中，胡海輝[5]研究針對糧食作物的虛擬現(xiàn)實仿真技術及實現(xiàn)。在教育領域中，張孝飛等[6]專家研究了虛擬現(xiàn)實技術在動植物建模及系統(tǒng)實現(xiàn)上的價值及意義?；诰W頁的虛擬現(xiàn)實技術難度大，但技術創(chuàng)新性高。在網頁虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研發(fā)中，目前還鮮見動植物為交互內容的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。本文的貢獻是設計實現(xiàn)了一個WebVR 的動植物交互系統(tǒng)原型平臺。

網頁上的動植物虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要具有3 個數據庫：

（1）動物數據庫；

（2）植物數據庫；

（3）場景數據庫。

基于這些數據庫，本文通過構建動植物場景形成了可交互的VR 動植物園區(qū)。最后，通過代碼的編寫，形成了可以在場景內進行虛擬漫游體驗的系統(tǒng)平臺。整個系統(tǒng)架構如圖1 所示。

2 WebVR動植物系統(tǒng)設計

2.1 數據庫設計

根據系統(tǒng)功能的需要，該WebVR 數據庫需要包括3 部分，分別是動物模型庫、植物模型庫以及場景數據庫。其中，動物模型數據庫是盡量多地包括了系統(tǒng)場景中需要的動物模型，每個模型綁定了動物骨骼，可以驅動動物完成VR 動畫表現(xiàn)。植物模型數據庫需要包括多種場景中需要顯示的植物模型，根據植物的不同種類和樣式進行建模并準備在系統(tǒng)中完成加載。其中，植物包括樹木類植物以及草本植物和花。場景包括了動物場所以及其他建筑，是動物和植物的所在場所。

圖1：網頁上的動植物虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)架構

根據一個完整動物、植物園中涉及到動物模型和植物模型的實際情況，需要在系統(tǒng)內設計豐富的動物種類，并且需要形象地呈現(xiàn)動物的活動以及生活的環(huán)境。在動物生活環(huán)境以及周圍的場景中，需要實現(xiàn)植物模型的實現(xiàn)，以及植物模型的輕量化處理，確保在場景變大的時候，系統(tǒng)依然可以網上在線呈現(xiàn)VR 內容。

基于以上的目標，計劃設計并實現(xiàn)32 種動物模型，其中包括了斑馬、長頸鹿、獅子、老虎、花豹、野豬、大象、仙鶴、火烈鳥、燕子、麻雀、鴿子、山雞、孔雀、白天鵝、黑天鵝、蜜蜂、鯨魚、鯊魚、鲅魚、帶魚、黃花魚、鯽魚、草魚、食人魚、海豚、海象、海馬、海虹、海蜇、海蠣子、蛤蜊。同時，針對植物的類型，計劃設計實現(xiàn)22 種樹木和花草植被。其中，樹木包括柏樹、香樟樹、海棠樹、櫻花樹、梨樹、蘋果樹、梧桐樹、無花果樹、白玉蘭樹、紅玉蘭樹、黃玉蘭樹、荊條灌木、槐樹、椰子樹、百香果、杜鵑花、月季花、君子蘭、竹子、梅花、茶花、青草。

在動物數據庫中，需要為所有的動物加上骨骼動畫，并在動物模型上設計好合適的貼圖以及光照，然后準備好對應動物的鳴叫的聲音文件，在人和動物進行交互的時候可以聽到動物的鳴叫聲音。

在植物數據庫中，需要為樹木完成輕量化的樹枝處理以及葉片處理，確保樹木的數據量不會超過1M 字節(jié)的數據量。同時在灌木的建模及實現(xiàn)過程中，需要確保灌木的每個枝杈都和實際的灌木生長規(guī)律相對應。對于花本植物，不僅具有花瓣而且葉片也需要清晰可視化。對于草皮的可視化處理，通過檢測攝像頭的位置完成草皮的貼圖或者草的模型的動態(tài)切換。

2.2 人機交互算法

系統(tǒng)需要滿足用戶在網頁端進行沉浸感的VR 體驗，完成動植物園區(qū)的瀏覽和場景內具體的交互。系統(tǒng)在完成場景模型流式化傳輸和漸進式加載后，需要具有人和虛擬對象間的交互能力，所以設計了交互算法（AP 算法，動植物交互算法），以下是該算法的描述：

圖2：虛擬場景中動植物模型

基于該AP 算法，可以漸進式加載各種模型數據，并通過數據的流式化傳輸完成數據的網上在線實時傳輸，在客戶端網頁上進行場景模型、動物模型以及植物模型的渲染和呈現(xiàn)，之后進入到用戶和場景中動物及植物的交互，可以通過點擊動物觀看動物的行為，傾聽動物鳴叫的聲音。在場景內點擊植物，可以看到植物的生長過程以及搖動的樣式。用戶可以選擇兩種漫游方式：自動漫游和自主漫游。自動漫游中，系統(tǒng)會為用戶提供一條漫游的路徑，攝像機讀入漫游路徑數據組的數據，按照一定的速度完成漫游過程。自主漫游中，用戶通過操控鍵盤的W/A/D/X，可以在場景中自主漫游游覽場景。

3 WebVR系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，是基于Maya 技術建模，通過Unity3D 場景實現(xiàn)，最后通過代碼編寫，最終實現(xiàn)了一個動植物WebVR 系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以網上在線體驗動植物樂園，滿足用戶在線體驗逼真的樂園游玩。根據設計中的目標，需要實現(xiàn)一個完整的數據庫，數據庫中的模型主要包括動物類的模型、植物類的模型以及整個場景模型這三類。

通過Maya 技術在建模工具中完成了22 種植物建模，設計了不同植物的幾何結構，給模型附上了貼圖，并通過編程將模型進行了數據解析以及在Unity3D 平臺上的可視化渲染。同時，基于Maya 技術構建了32 種動物的模型，根據不同動物的體型以及身體幾何特征，構建了模型的樣式，確保動物模型的真實性，同時給動物附上了貼圖，不同的動物的貼圖具有各自的特點，在細節(jié)上呈現(xiàn)動物的特征，使得動物模型看起來和真實動物的樣式更加的逼真。在模型的處理上，給動物模型加了骨骼動畫，完成了骨骼動畫的綁定，使得動物模型可以自然地動起來，進一步確保動物模型的真實性。

對于整個動植物場景也完成了設計，并通過模型技術和真實場景數據的匹配，實現(xiàn)了一個動植物的場景。如圖2 所示，首先是整體的園景場景，接著是樹木以及多種植物花卉，這些植物是植物數據庫中的模型。然后是群體的動物，這里展現(xiàn)了長頸鹿以及斑馬。分別從正面和側面展現(xiàn)了長頸鹿的樣式，長頸鹿模型的幾何結構、樣式是根據真實的長頸鹿的身高、體長、體寬數據來構建的。長頸鹿模型的貼圖，也是從拍攝了真實長頸鹿的圖片，并進行了貼圖數據的裁剪和烘焙處理，最后貼到長頸鹿模型上。群體的斑馬真實地展示斑馬日常群居的生活習性，通過斑馬模型的實現(xiàn)以及貼圖的處理，使得斑馬的幾何結構以及體型特征和真實的斑馬非常的相似，賦予斑馬的骨骼動畫，也確保了斑馬可以在場景草原上進行群體飛奔，形成萬馬奔騰的場景。

3.1 虛擬場景

圖2 中的整體場景，是該動植物園的3D 場景模型。模型中有各個動物、植物園區(qū)，并有道路河流等場景模型。其中，紅色點區(qū)域是場景中的動物景點區(qū)域。通過整個場景區(qū)的搭建，以及基于網絡的傳輸，可以在Web 頁面完成VR 場景的渲染和繪制。

在場景規(guī)模變大，場景中動物、植物模型數據量變多的情況下，對場景的加載及渲染也造成了苦難，所以本文采用了漸進式場景加載以及視域內場景模型渲染的技術。

通過將場景區(qū)域分為很多的塊，當攝像機進入到哪個區(qū)域則對應加載哪個區(qū)域的場景及模型，這樣也相應地渲染該場景中的動植物模型。所以，該技術的實現(xiàn)確保了大規(guī)模場景數據的加載不會影響用戶的體驗感，在數據加載及渲染量上又可以滿足系統(tǒng)動植物的實時渲染，所以用戶可以在該場景中進行自動漫游和自主漫游，在漫游的過程中可以交互式、沉浸式地走近每一個動物和每一棵植物，觀察欣賞動物植物，并和動植物進行“人-物”交互。

3.2 虛擬動物模型

圖2 中的動物模型，是系統(tǒng)動物模型庫中實現(xiàn)的一組長頸鹿及斑馬的動物模型，通過和動物模型的交互可以在系統(tǒng)內沉浸式觀看動物的細節(jié)，滿足用戶足不出戶就可以暢游動物樂園。通過人和動物的交互，用戶不但可以近距離觀看動物樣貌，還可以近距離觀看動物的行為，傾聽動物發(fā)出的鳴叫聲音。

3.3 虛擬植物模型

圖2 中的植物模型，是系統(tǒng)實現(xiàn)的一組樹木、草及花卉的模型，通過和植物模型的交互可以在系統(tǒng)內沉浸式欣賞每一棵植物的樣貌，同樣可以滿足用戶足不出戶就可以暢游植物的樂園。通過人和植物近距離的交互，用戶不但可以近距離觀看植物的每一片葉子，每一個枝干，還可以近通過點擊植物，觀看植物的生長以及植物的搖曳。

4 系統(tǒng)評價

總之本文提出的AP 算法，可以為用戶在Web 上進行VR 提供基礎，該算法具有實時性模型展示、實時性人機交互以及功耗計算的特點。本文實現(xiàn)的WebVR 動植物模型逼真，實現(xiàn)的系統(tǒng)具有交互性特點，實現(xiàn)的“人-物”交互功能具有自動漫游交互和自主漫游交互的靈活性，可以滿足用戶足不出戶就可以網上在線沉浸游玩和欣賞動植物樂園。