基于VR技術的虛擬仿真生活體驗館設計與實現(xiàn)

崔萌

（山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院） 山東省泰安市 271016）

計算機技術的發(fā)展，推動了三維軟件的進步，進而為虛擬仿真技術的開發(fā)和應用奠定了基礎。對于當前的計算機技術應用而言，虛擬仿真技術與真實場景的結合不僅突破了時間和空間的限制，同時實現(xiàn)了信息的實時交互，將虛擬仿真技術應用在具體的行業(yè)產(chǎn)業(yè)中，其不僅能夠讓用戶體會到更加真實的場景，實現(xiàn)產(chǎn)品和環(huán)境的交互，獲得更真實的場景體驗，對于行業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展有著積極的促進作用。

1 VR技術概述

VR技術也就是虛擬現(xiàn)實技術，其是近年來新進涌現(xiàn)的高科技之一，也可以被稱為幻真技術等。虛擬現(xiàn)實技術使利用現(xiàn)代技術人工建立一個虛擬環(huán)境，其能夠模仿人的視聽觸等感覺，在此環(huán)境中，人的認知能力可以得到提升，同時也能夠?qū)θ撕铜h(huán)境之間的交流起到促進作用。該技術利用計算機控制系統(tǒng)構建三維立體空間，通過人機接口、跟蹤、人工智能以及傳感等技術營造虛擬真實環(huán)境，讓用戶從視覺上感受到環(huán)境的真實性[1]。

本文利用VR技術和相關軟件設計虛擬仿真生活體驗館，其中涉及的軟件為3dsMax軟件、VRP軟件以及Photoshop軟件。其中，3dsMax軟件具有強大的動畫、渲染、建模以及材質(zhì)等功能，是當前應用十分廣泛的三維動畫制作軟件。VRP軟件也就是虛擬現(xiàn)實平臺，該軟件具備三維模型導入、編輯、交互、特效、設計和打包發(fā)布等功能。Photoshop軟件主要是用來處理和制作模型的貼畫。

2 VR技術支持下虛擬仿真生活體驗館設計與實現(xiàn)

2.1 案例分析

某市區(qū)合作社是集垂釣、養(yǎng)殖、水產(chǎn)品專賣、品牌運營以及農(nóng)超對接等內(nèi)容為一體的專業(yè)經(jīng)濟合作組織，其主要構成分為三個養(yǎng)殖魚塘和一個體驗中心，養(yǎng)殖魚類主要為鯽魚，其建立的虛擬仿真生活體驗館幫助客戶體驗水產(chǎn)環(huán)境，為相關人員提供參觀和學習渠道，以促進水產(chǎn)品的銷售。

該虛擬仿真生活體驗館在開發(fā)過程中，首先根據(jù)Photoshop軟件和數(shù)碼相機獲取模型貼畫，其次利用3dsMax軟件構建虛擬模型，最后在VRP中導入模型，以驅(qū)動場景，并建立交互和漫游，整個流程如圖1所示。

2.2 設計與實現(xiàn)

2.2.1 場景分析

在建模前需要做場景分析工作，也就是對場景的建筑、環(huán)境、布局以及設施等進行分析，其中涉及的數(shù)據(jù)資料包括：

（1）紋理數(shù)據(jù)，利用數(shù)碼相機拍攝現(xiàn)場場景，經(jīng)由Photoshop處理制作三維貼畫，使其與真實場景更為接近；

（2）建筑尺寸，根據(jù)提供的建筑物數(shù)據(jù)進行1：1的建模；

（3）其他數(shù)據(jù)，實地測量建模所需要的其他數(shù)據(jù)[2]。

圖1：虛擬仿真生活體驗館的開發(fā)過程

圖3：貼圖平面欄桿模型

2.2.2 構建模型

虛擬仿真生活體驗館設計的基礎就是建立模型，模型水平直接關系著整個虛擬環(huán)境，建模的常見方式有兩種，其一是標準幾何體建模方式，這種方式簡單，便于貼圖；其二是幾何體模型組合建模方式，利用紋理來建立仿真模型，不僅能夠簡化過程，降低容量，同時能夠保證模型效果。建模的時候需要在確保視覺對象真實的基礎上建立簡單的模型。

根據(jù)上述要求設計虛擬仿真生活體驗館場景模型，其主要分為兩部分：

第一部分為魚塘和房屋模型，該模型中包括三個養(yǎng)魚塘和一個鯽魚體驗中心。體驗中心的建模要按照數(shù)據(jù)來制作標準幾何體模型，由幾何體模型來構成體驗中心模型[3]。魚塘及其周圍土壤建模利用“線”來繪制輪廓，之后利用擠壓操作實現(xiàn)平面。

第二部分為場景欄桿和其他的模型，場景欄桿盡管不屬于重點模型，但其所占比例較大，地位也比較重要。相較于其他模型而言，欄桿模型建立需要利用圓柱體來建立，圓柱體模型最少要具備14個側面，本文的欄桿建模所需圓柱體大約為1500個，欄桿模型面數(shù)最少需要24000。根據(jù)欄桿和場景特征，實行高精度建模方案，如圖2所示，將其保存和渲染為PNG圖片形式。之后構建平面模型將PNG圖片賦予到平面中，也就是利用貼圖平面將欄桿模型表現(xiàn)出來，如圖3所示。通過高精度建模，只要僅僅一個面就能夠完成模型，效果也是等同的。這種表現(xiàn)手法所制作的欄桿盡管選三速度和實時性得到了提升，但是視覺對象真實性有所欠缺，也就是說其視圖模型立體感不足。因此，欄桿模型仍然需要圓柱體來完成構建。此外，還需要采用幾何體來表現(xiàn)自動投料機、馬路等輪廓。

此外，對于場景貼圖和烘焙工作而言，建模貼圖效果直接決定了場景質(zhì)量，本文建設的虛擬仿真生活體驗館建筑重點是魚塘和體驗中心，根據(jù)貼圖不可重復使用和對應性原則來進行貼圖工作。而為確保場景渲染和后期交互是流暢的，對于非重點建筑物的貼圖可以不用過于清晰[4]。同時，整個場景的貼圖背景要與其本身顏色類似，降低在UVW展開中存在的白邊、黑邊以及匹配不準等問題。最后，在完成建模后，需要在場景中加入燈光，對場景進行烘焙，整個體驗館的三維模型最終呈現(xiàn)效果如圖4所示。

2.3 交互驅(qū)動

2.3.1 導入模型

在使用3dsMax軟件的時候需要考慮其與VRP軟件之間的兼容程度，在導入模型前必須要按照相應的插件，之后將完成烘焙的場景經(jīng)由插件導入到VRP軟件中。

2.3.2 設計交互動畫

為了保證體驗館的實時漫游和逼真效果，要在VRP系統(tǒng)中建立飛行、行走、動畫等功能，并加入天空盒等，同時在建筑物及植物中簡歷物體碰撞規(guī)則。交互動畫的具體設計工作包括以下幾方面：

（1）設計交互運動模式。體驗館主要設計了兩種游覽模式，漫游模式無需引導自動游覽。而游客模式是為了在場景中利用任務行走的形式來達到游覽的目的，其是通過VRP建立行走相機，由鍵盤或鼠標控制方向，完成交互。這種交互動畫需要先建立目標任務的骨骼動畫，并調(diào)整其比例，之后將其放置在合適位置，利用動畫庫來添加動作，最終利用相機來綁定任務，這就使得人物游覽的時候能夠由鼠標或是鍵盤來操作控制，游覽整個體驗中心[5]。此外，場景中的目標人物若只有一個就顯得過于單一，因此需要增加骨骼動畫以豐富場景。

（2）設計特效。瀏覽模式設置完成后，需要模擬室外場景，選擇天空盒，并調(diào)整角度，使其光線攝入和場景投影二者的方向是相同的，之后增加光暈效果，其角度、高度與天空盒光線、太陽光的方向要融合，提高場景的逼真度。

（3）設計交互按鈕。體驗中心使利用鼠標來觸發(fā)事件控制的內(nèi)容，例如音樂開關、模式切換、文字添加等等功能，進而實現(xiàn)場館介紹的目的，利用VRP初級和高級界面將控制按鈕加入到場景中，之后利用腳本程序完成按鈕控制。

（4）設計瀏覽按鈕。體驗中心利用按鈕轉(zhuǎn)換、交替控制相機，其中設計的動畫相機漫游分為行走動畫也就是游客模式和環(huán)繞動畫，還有漫游模式將場館的虛擬表現(xiàn)出來[6]。

（5）設計介紹鯽魚種類。鯽魚種類的介紹是利用服務控制平臺完成的，其通過添加圖片、動畫、文字等制作介紹程序，由按鈕和腳本程序共同控制觸發(fā)。

圖4：體驗館的三維模型效果

（6）設計背景音樂。為了增強視聽感覺，提高場景渲染力，需要在體驗中心加入背景音樂，并對其屬性進行相應的設計，利用音樂開關進行控制，實現(xiàn)暫停和播放，同時，其中增加了音樂大小滑桿控制，其與腳本語言相結合對音量大小進行控制。

2.4 系統(tǒng)發(fā)布

整個設計完成后，需要將其設置為獨立的可執(zhí)行文件，或是輸出網(wǎng)絡發(fā)布文件形式，通過考慮，本設計的發(fā)布形式為EXE執(zhí)行文件，但是需要注意，該系統(tǒng)在使用時需要配置相匹配的環(huán)境，例如顯卡、屏幕等，以便確保整個系統(tǒng)的展示效果[7]。

3 結束語

綜上，隨著計算機技術的發(fā)展，VR技術在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛，其在農(nóng)漁產(chǎn)業(yè)中的應用推動了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，逼真的場景不僅滿足了虛擬仿真生活體驗中心消費者的需求，同時對農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展也提供了新的發(fā)展方向。因此，在未來的發(fā)展中，農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)需要加快VR技術的應用，建立仿真模擬體驗中心，提高行業(yè)信息化和現(xiàn)代化水平。