VR技術(shù)在數(shù)字場(chǎng)館中的應(yīng)用

王棟

摘要：在全球化、信息化、數(shù)字化的今天，VR作為先進(jìn)的信息化、數(shù)字化技術(shù)，成為科技領(lǐng)域的一個(gè)重要入口，在模擬的三維虛擬世界中，使用者能夠享受更加真實(shí)、感同身受的體驗(yàn)，是一種全新人機(jī)交互的形式，近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品獲得了廣泛的發(fā)展，本文研究VR技術(shù)在數(shù)字場(chǎng)館中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：VR 三維虛擬建模; 數(shù)字場(chǎng)館

VR是一門(mén)新興的信息技術(shù)，其能創(chuàng)造逼真的應(yīng)用場(chǎng)景，讓使用者體驗(yàn)到了從未有過(guò)的真實(shí)感，提供與場(chǎng)景的良好互動(dòng)等特性，日益受到人們的歡迎和關(guān)注，未來(lái)隨著VR的發(fā)展和普及，VR將被應(yīng)用于許多行業(yè)，如展覽、醫(yī)療、地產(chǎn)、旅游、培訓(xùn)等，我們甚至可以預(yù)見(jiàn)，VR將會(huì)影響我們的生活習(xí)慣，與我們的日常緊密結(jié)合起來(lái)?？傊琕R是互聯(lián)網(wǎng)智能終端硬件發(fā)展的必然趨勢(shì)，將顛覆重塑眾多領(lǐng)域的生活生產(chǎn)形態(tài)，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。[1]

在虛擬環(huán)境中，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備，用戶可以與環(huán)境產(chǎn)生相互作用，根據(jù)用戶的操作，環(huán)境會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)，用戶從而很自然的與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交流，用戶從觀察者成為此環(huán)境的主人，用戶感覺(jué)進(jìn)入了真實(shí)世界，VR提供了一個(gè)可以拓展思維想象的空間，這個(gè)空間可以設(shè)置為不受限制的現(xiàn)實(shí)空間，乃至現(xiàn)實(shí)中不可達(dá)的場(chǎng)景。從仿真技術(shù)研發(fā)角度來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)是仿真技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要方向，也是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合。[2]

1 場(chǎng)館三維虛擬建模

場(chǎng)館三維虛擬建模主要是進(jìn)行場(chǎng)館漫游系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)，在眾多因素中，視覺(jué)是最真觀、形象的用戶體驗(yàn)，因此形象、逼真的呈現(xiàn)場(chǎng)景成為重要的功能需求，場(chǎng)館三維虛擬建模是基于圖形和圖像的混合建模。

首先從幾何建模來(lái)說(shuō)，利用計(jì)算機(jī)輸出幾何實(shí)體，采用表示、控制、分析方法，利用已有的三維造型軟件，對(duì)虛擬的實(shí)體和環(huán)境的外觀采用人工建模方式進(jìn)行處理，用計(jì)算機(jī)畫(huà)出許多各種多邊形所模擬的立方體外形，也即形體的描述和表達(dá)。其次基于圖像建模就是建立物體的幾何模型，幾何模型利用圖像（真實(shí)物照片）來(lái)做，基于圖像來(lái)確定物體外觀、物體幾何結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)特性、光照明特性、反射特性。最后基于圖像的建模僅能提供虛擬環(huán)境，沒(méi)有實(shí)體場(chǎng)景對(duì)比，這種環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)用戶與實(shí)體之間的交互，如果用戶需要與場(chǎng)景中對(duì)象進(jìn)行交互，這種對(duì)象須是幾何模型實(shí)體，虛擬建模的設(shè)計(jì)結(jié)果是要求具有逼真度、真實(shí)感、實(shí)時(shí)性，而基于圖形和圖像混合建模技術(shù)具備了這樣的優(yōu)勢(shì)。

準(zhǔn)備制作場(chǎng)館三維虛擬建模所需要的資料，收集CAD圖紙及相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對(duì)CAD圖紙進(jìn)行信息過(guò)濾，去掉圖層中不需要的部分，對(duì)于必須存在的圖層如：場(chǎng)館里的房間、標(biāo)志、照明等要保留下來(lái)。由于三維場(chǎng)館模型圖建立在二維場(chǎng)館平面模型圖的基礎(chǔ)之上，所以二維場(chǎng)館平面圖的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、比例是否合適，對(duì)于三維場(chǎng)館虛擬圖的作用至關(guān)重要。二維場(chǎng)館虛擬建模底圖完成后，導(dǎo)入到3ds Max中，3ds Max是集建模、材料、燈光、渲染、動(dòng)畫(huà)、輸出等于一體的全方位3D制作軟件，它可以為創(chuàng)作者提供多方面的選擇，滿足不同的需要。[3]創(chuàng)建模型時(shí)須要關(guān)心到的是，如果這個(gè)面是看不見(jiàn)的，可以刪掉，如果地方是看不見(jiàn)的，不需要建模，從而降低場(chǎng)景面數(shù)，提高場(chǎng)景交互運(yùn)行速度。場(chǎng)館房間場(chǎng)景建模，房間分為辦公區(qū)和公共區(qū)，辦公區(qū)供場(chǎng)館工作人員使用，公共區(qū)為公眾使用的房間如健身房、閱讀區(qū)等，場(chǎng)館里燈模型的創(chuàng)建使用十字面片方法，模型被創(chuàng)造在可視紋理的平面物體上，場(chǎng)館里路面建模時(shí)，對(duì)底圖進(jìn)行場(chǎng)館路面空出，使用環(huán)境反襯方法進(jìn)行。

2 模型紋理貼圖

在貼圖時(shí)要具有對(duì)場(chǎng)館的真實(shí)理解和分析，貼圖的質(zhì)量和尺寸直接影響了模型的美觀程度，經(jīng)過(guò)細(xì)致的調(diào)整貼圖才能使虛擬場(chǎng)景擁有體驗(yàn)的真實(shí)感。制作紋理貼圖可以利用相機(jī)實(shí)地拍攝的方法，采集場(chǎng)館的紋理圖片，建議使用三腳架固定拍攝，這樣正射貼圖紋理更自然、真實(shí)，如果有無(wú)法拍攝的位置，可以使用相關(guān)紋理在Photoshop軟件里繪制。拍攝出來(lái)的圖片在Photoshop軟件里，利用位移和仿制等工具把圖片處理成無(wú)縫貼圖。在做模型之前需要整理出自己的貼圖庫(kù)，這樣在做模型的時(shí)候，從貼圖庫(kù)里能找到對(duì)應(yīng)的貼圖，貼的就比較方便了。貼圖庫(kù)按照類(lèi)型進(jìn)行歸類(lèi)，貼圖的名稱(chēng)按照?qǐng)鼍澳Ｐ兔Q(chēng)保存，貼圖不能出現(xiàn)前綴名相同情況，否則在烘焙后系統(tǒng)自動(dòng)將名稱(chēng)相同貼圖轉(zhuǎn)化，在導(dǎo)入VRP后，其中一張前綴名相同的貼圖會(huì)被另一張貼圖所取代。在虛擬場(chǎng)景中，如果場(chǎng)景容納的數(shù)據(jù)量很大，那么需要對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)簡(jiǎn)單模型和合適貼圖來(lái)展現(xiàn)，同時(shí)在虛擬場(chǎng)景中，建議使用最少的面數(shù)模型和最少的貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用紋理貼圖建?？梢院?jiǎn)化模型復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，相對(duì)固定材質(zhì)更有真實(shí)效果。

3 場(chǎng)景烘焙制作

將場(chǎng)景中所布置好的燈光效果與貼圖的紋理結(jié)合，運(yùn)行轉(zhuǎn)變成新的貼圖，再貼回原模型，目的是為了得到具有光影效果場(chǎng)景。烘焙前的檢查很重要，要先對(duì)虛擬展示場(chǎng)景的各個(gè)角度進(jìn)行渲染，觀察是否有重疊、破面等不理想的情況，進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)渲染的效果觀察燈光效果，這也是節(jié)約虛擬展示場(chǎng)景制作時(shí)間的必要工作。在烘培的時(shí)候有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)軟件崩潰，所以及時(shí)做好備份，方便及時(shí)找到文件再次烘焙。烘焙完成后導(dǎo)入到VRP軟件平臺(tái)的貼圖是紋理與光照結(jié)合成的新貼圖展示，這樣以普通貼圖的方式就能達(dá)到較好的虛擬展示。數(shù)字場(chǎng)館場(chǎng)景模型較多，在制作時(shí)的烘焙速度跟計(jì)算機(jī)的性能有直接關(guān)系。當(dāng)多邊形與面之間細(xì)密存在的物體進(jìn)行UV平鋪設(shè)置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很小的簇，導(dǎo)致整體場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)黑斑、黑塊現(xiàn)象，這時(shí)可以在合理范圍內(nèi)，把Threshold Angle值增加或者手工調(diào)節(jié)簇等。從烘培對(duì)模型的要求來(lái)說(shuō)虛擬場(chǎng)景初始建模時(shí)盡可能避開(kāi)多邊形密集分布的地方，這樣可以更好的提高烘培質(zhì)量。

4 虛擬場(chǎng)館交互設(shè)計(jì)

完成了上面的內(nèi)容之后，三維場(chǎng)館虛擬圖的設(shè)計(jì)場(chǎng)景依然只是一個(gè)靜態(tài)的場(chǎng)景，交互設(shè)計(jì)是能讓場(chǎng)景動(dòng)起來(lái)的重要步驟，交互設(shè)計(jì)可以讓用戶與虛擬場(chǎng)館中的對(duì)象模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的交流互動(dòng)。在VRP 中構(gòu)建 GUI 窗口，進(jìn)行風(fēng)格、尺寸等屬性設(shè)定，進(jìn)行該窗口導(dǎo)入并設(shè)定內(nèi)容，進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局分配。首先是VRP 編輯器，我們可以利用它進(jìn)行 3D 場(chǎng)景向 VRP 編輯界面導(dǎo)入進(jìn)行編輯與制作的操作。其次是VRP腳本編輯器，利用該編輯器可以根據(jù)場(chǎng)館需要來(lái)設(shè)置各種交互功能，它是所有交互腳本的一個(gè)集合，可以通過(guò)它給模型、圖片等添加交互腳本。對(duì)于系統(tǒng)函數(shù)來(lái)說(shuō)，是自帶函數(shù)，如在程序運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行變量值設(shè)置、開(kāi)啟背景音樂(lè)等。所用觸發(fā)函數(shù)響應(yīng)VRP場(chǎng)景的鼠標(biāo)移出、移出模型等觸發(fā)事件。最后是ATX 動(dòng)態(tài)貼圖編輯器，該編輯器用于編輯動(dòng)畫(huà)貼圖，為了實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館視覺(jué)的真實(shí)感，用戶可借助它編輯獨(dú)立幀文件，設(shè)置每幀的停留時(shí)長(zhǎng)，從而做到非等時(shí)動(dòng)畫(huà)序列，在做這種效果時(shí)，先制作類(lèi)似的模型，然后結(jié)合動(dòng)態(tài)貼圖，效果會(huì)更好。在運(yùn)行時(shí)，可看到模型顯示的是動(dòng)態(tài)圖片，類(lèi)似于avi效果。如場(chǎng)館里的景觀處的噴泉就是以ATX動(dòng)態(tài)貼圖實(shí)現(xiàn)。

5 生成文件發(fā)布

在用VRP編輯器制作調(diào)整好場(chǎng)館虛擬設(shè)計(jì)場(chǎng)景之后，需要將做好的場(chǎng)景打包，通過(guò)VRP 編輯器的打包功能，編譯成可執(zhí)行文件，生成虛擬數(shù)字場(chǎng)館系統(tǒng)，如果要增強(qiáng)場(chǎng)景的漫游功能效果，可利用腳本編輯器進(jìn)行干預(yù)，完成解說(shuō)、音樂(lè)等添加。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)VR技術(shù)創(chuàng)造出虛擬數(shù)字場(chǎng)館，用戶雖然接觸的是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的模型，但用戶感覺(jué)到如同在真實(shí)世界中一樣的感覺(jué)，而過(guò)去的人機(jī)交互所無(wú)可比擬的，而從數(shù)字場(chǎng)館的應(yīng)用我們也可以推導(dǎo)出，VR技術(shù)將越來(lái)越深入到我們平常的工作、生活、學(xué)習(xí)中，我們也可以預(yù)見(jiàn)，VR技術(shù)將得到更好的發(fā)展，更好的服務(wù)于人們。

參考文獻(xiàn)

[1]楊栗洋，陳建英，曾華林. ?VR戰(zhàn)略：從虛擬到現(xiàn)實(shí)的商業(yè)革命[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2017.

[2]周錫冰. ?VR新未來(lái)[M]. 北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2018.

[3]易盛. 虛擬現(xiàn)實(shí)：沉浸于VR夢(mèng)境[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2019.