基于Unity3D的虛擬現實家裝系統設計與實現

陳春暉

(福建農業(yè)職業(yè)技術學院，福建 福州 350000)

0 引言

虛擬現實技術是現代科學技術發(fā)展中的重要產物，因為其獨特的技術優(yōu)勢，比如仿真性、互動性等，已經廣泛應用于多個行業(yè)和領域。通過將虛擬現實技術與家庭裝修系統進行融合，能夠對家庭裝修方案進行仿真模擬，在該系統的應用過程中，用戶能夠通過選擇裝修材料、布置方案等直觀地看到裝修效果。對于裝修企業(yè)以及設計人員而言，不再需要花費大量資金新建樣板房，具有良好的經濟效益，可以采用科學的系統設計方案，提高系統應用實效性。

1 基于Unity3D的虛擬現實家裝系統功能與架構設計

通常情況下，用戶對于家庭裝修系統具有如下幾項功能要求：(1)用戶管理功能。需要為用戶提供基礎的用戶注冊、用戶登錄以及密碼管理等功能。(2)家庭管理功能。需要為用戶提供家庭房間增加、房間刪除、房間查詢以及房間修改等功能。(3)房間物品管理功能。需要為用戶提供房間內的物品移動、物品旋轉、物品張貼、物品懸掛、顏色更換、材質更換等多項功能。(4)保存與加載功能。需要為用戶提供隨時保存房間的設計方案與效果加載功能，還需要提供不同方案的對比功能。(5)其他功能。為用戶提供留言、通信、評論等社交功能，在成本規(guī)劃完成后將這部分功能移動到其他應用程序中[1]。

本次基于Unity3D的虛擬現實家裝系統采用經典的模塊化設計方案，主要包括UI模塊、業(yè)務邏輯模塊以及數據訪問模塊。在UI模塊中，主要包括用戶信息、房間信息、物體信息列表以及當前信息，通過動畫控制器對物體狀態(tài)進行模擬與設計；旋轉物體、張貼物體、懸掛物體、解綁物體、綁定物體、保存場景以及加載場景等通過射線控制模塊進行調整；系統基礎為數據訪問模塊，數據加載類模塊用于獲取和保存Json公式數據，針對模型、圖片以及圖形等資源采用資源加載模塊進行交互；中間模塊為業(yè)務邏輯模塊，其中核心為GameController，通過該控制器能夠實現對當前房間中的物體控制，比如移動、旋轉等，MonoBehavior能夠對整體房間場景進行加載與保存；GameController中每個房間或物品都能夠將控制類作為組件；控制類組件能夠記錄房間中物體的位置、材質以及顏色等，通過對物體顏色的操作實現物體狀態(tài)改變；同時提供射線類控制模式，主要功能是選擇當前房間中的物體；動畫控制器用戶將當前的物品狀態(tài)調整與UI動畫相結合；GameControlle中的OnGUI以及Update等內置程序能夠用于人機界面交互[2]。

2 系統核心問題及解決方法

2.1 家庭裝修中房間物品的選取

在用戶利用計算機或智能手機訪問基于Unity3D的虛擬現實家裝系統時，采用鼠標、手柄等對物體進行交互，邏輯與在2D平面中的操作存在一定差異，鼠標、手柄在操作過程中得到的數據為屏幕中的二維坐標，場景中物體采用三維坐標，因此，需要對二維坐標進行處理。系統中應用Unity3D所提供的射線類Ray控制，具有模擬人眼視線的功能，Camera能夠向場景中發(fā)射一條射線，為了能夠明確射線遇到房間物品的具體情況，需要對房間中的物品增加Collide組件，保證能夠實現物品與射線的碰撞效果，能夠為用戶提供模擬場景。針對射線碰撞到的物體可以更改其外觀，還可以模擬出物品的選擇[3]。

2.2 預制件問題

在虛擬現實場景中，為了能夠展現出房間物品的具體情況，在本次系統設計中采用了多項細節(jié)處理方式，主要包括材質、貼圖、腳本處理邏輯以及動畫等內容。以虛擬現實場景中的人物為例，需要從3DMax中導出fbx格式人物模型，將其增加到虛擬現實場景中，在場景中導出材質與貼圖，并設置動畫控制器與動畫，將對應的控制代碼以組件形式增加到人物模型中，從而構成一個虛擬現實人物，但是該過程對于用戶而言，只需要對場景中人物進行移動。為了能夠提高系統開發(fā)便利性，在人物及其元素構成中將其預制成為一個整體，同時Unity3D提供了預制件的整體設計方案[4]。

2.3 坐標調整問題

在用戶采用鼠標、手柄等輸入設備對物體進行操作的過程中，需要完成二維坐標向三維坐標的調整。在Unity3D中具有多種不同的坐標系，比如本地坐標、視圖坐標等，世界坐標對應真實的東、西、南、北4個方向，本地坐標以物體自身作為基礎，對應真實的物品前、后、左、右，屏幕坐標為二維坐標，在用戶操作時能夠自動化實現對二維坐標的轉換，視圖坐標為虛擬現實場景中攝像機輸出的Viewport坐標。因為各個坐標系存在差異，在對應場景中物體的位移、旋轉等操作能夠實現自動化坐標換算。

2.4 結果保存

在虛擬家庭裝修完成后，需要將模擬方案保存，若存儲的為整體場景，因為整體虛擬現實場景中存在大量物品，每個物品還包含不同材質、顏色以及位置信息等，整體存儲量較大，根據計算，常規(guī)的家庭裝修虛擬現實結果模擬方案一般能達到500 M以上，采用以虛擬現實為基礎的保存方式不利于存儲與還原，為此，本次系統設計中應用Json實現關鍵數據的保存。Json是一項輕量級的數據格式，相比于XML，其靈活性較好，輸出存儲時間更長，從而能夠減少數據存儲與傳送；Json針對數組和對象采用不同的形式，數組采用“[]”，格式比如[“java”,”javascript”,”vb”]，數值存儲時采用索引格式進行讀取；對象存儲采用{}格式，格式采用鍵值對的方式，比如{key:value,key:value,…}，Unity3D支持Json功能。

3 系統實現

3.1 物體選取功能實現方式

在虛擬現實場景中，選擇物體需要采用射線與碰撞檢測，在Unity3D中能夠采用RaycastHit實現，使用Cameta向屏幕射出一條射線后，在遇到碰撞檢測物體時，能夠從RaycastHit的屬性中獲取碰撞物體的信息。示例代碼為：

RaycastHithit;

Vector3 pos = Input.GetTouch(0).position

Ray ray Camera.Main.ScreenPointToRay (pos);

if(Physics.Raycast(ray,outhit)){

return hit.transform;

}

Else return null;

在上述代碼中，若射線為左手觸碰屏幕區(qū)域發(fā)出的射線，碰撞到物體后會返回物體中，反之返回null，從而實現對虛擬現實物體的選取。

3.2 預制組件實現方式

預制組件功能呈現出本次系統設計精益求精的思想，能夠為用戶提供更高質量的設計方案，通過采用更多的預制組件能夠有效提高系統質量以及開發(fā)效率。家庭裝修系統中包括家具、壁紙、地板以及電器等多項元素，難以將所有元素事先制作，因此，在系統應用過程中需要不斷豐富，可以采用預制件的方式實現。在選擇對應物品后，需要對物體進行移動處理，為了實現坐標中的效果，需要完成以下幾項動作：(1)從3DMax中導出fbx格式圖形。(2)在虛擬現實場景中增加Cylinder組件，并對其屬性進行更改，使其成為符合要求的圖形。(3)組合兩個圖形使其構成單個坐標軸。(4)將fbx格式圖形添加攪拌Cone.cs，該腳本能夠使得用戶操作在圖形中更改圖形的顏色或材質。(5)對坐標軸進行復制與旋轉，使其構成x，y，z3個方向，并對其他坐標軸材質進行調整，使得不同的坐標軸能夠表現為不同的顏色狀態(tài)。(6)提供ConeMan-ager，在選擇某個物品時，創(chuàng)建坐標軸副本，該副本與選種目標結合，同時在移動坐標軸時還能夠移動選定的物品。

在上述流程結束后，能夠直接在Unity3D開發(fā)場景中將坐標軸拖動到Assert中，Assert中能夠顯示出制作完成的預制物品，預制物品還能夠在其他場景中使用；除三維坐標系之外，場景中的其他元素比如電器、家具等，都能夠采用預制件制作的方式，按照用戶的具體需求將其添加到場景中加載[5]。

3.3 坐標系調整實現方式

用戶在虛擬現實場景中對家庭裝修方案進行模擬時，需要對各種物品進行擺放，所以需要對物品的坐標系進行轉化與調整。其轉換流程為：(1)按照屏幕坐標機計算各點在世界坐標系中的位置。(2)將物品的本地坐標系前進方向量轉化為世界坐標系中的單體向量。(3)將物品的世界坐標系位置與向量融合。以上流程實現代碼為：

Vector3 screenSpace = mCamera.WorhlToSereenPoint(transforni.position);

floatx = Input.mousePosition.X;

floatY =Input.mousePosition.Y;

Veeror3 vector = new Vector3 (X，Y，screenSpace.z);

Vector3 startPos = inCanlel，a．ScreenToW orldPoint (veetoF);

while(Input．GetMouseBulton(0))

{

Vector3curScreenSpace=new Vector3(Input.mousePositio.X，Input．mousePosition.Y，screenSpace.z)；

//求出偏移量

var offset = mCamera.ScreenToWorldPoint (curScreenSpace)- startPos;

//將兩點之間向量投影到物體的上方

offset= Vector3.Project(ofset,GetMoveDirection());

//對目標位置增加一個偏移量得到新位置

Transform.position+=offset;

//重置開始點，為下一幀做準備

startPos = transform．Position;

//等待下一幀

Yield return new WaitForFixedUpdate();

}

3.4 結果存儲實現方式

在對家庭裝修的虛擬現實結果進行存儲的過程中，采用Json數據格式，因為家庭裝修系統需要與遠程服務連接與交互，實現對多種模型的下載，所以，需要在系統中記錄模型ID，不用將所有數據存儲，同時不需要保存模型細節(jié)。在模型之間對坐標系進行轉化，需要記錄物品的三維坐標；物品需要旋轉處理，所以需要記錄物品在各個軸的旋轉角度。最重要的是，物品需要和其他物品保持一定關系，比如圖片貼在墻面上、書籍放在書桌上等，這種位置關系也需要存儲[6]。以書籍放在書桌上的Json數據格式片段為例，即：{“ID”：”SO132”，”Name”：”Book1,”X”：” 200”,”Y”：”300”,”Z”:”165”，”RotateX”:”0”.” RotateY”:”0”,”RotateZ”:”0”,”Action”:” Put”,”Target:”Desk1”}

在上述片段的最后一部分中，Action和Target表示與對象之間具體關系，在虛擬場景中存儲可以通過以下代碼流程實現：

for(objectobjin場景 中的所有物體)

{

if(obj已經生成過 json)continue;

if(obj有關聯對象)

生成關聯對象的json

生成當前對象的json;

}

若需要按照生成的Json對場景進行還原，按照物品的ID從網絡緩存中進行記載，如果網絡緩存不存在，則可以從服務器中進行加載，從而減少數據加載量，有效提升系統運行速度。

4 系統評價

本文所設計的基于Unity3D的虛擬現實家裝系統，在實踐應用中具有良好的效果，用戶能夠通過系統功能對家庭裝修方案進行實時調整，更加直觀地明確家庭裝修效果，且能夠靈活地對各項家具、電器等物品進行調整，還能夠對裝修材料進行材質、顏色等內容的挑選，家庭裝修模擬方案存儲結果數據較小，能夠提高各項資源加載速度，對于用戶以及裝修公司具有重要作用。因此，可以將本文所設計的系統應用在家庭裝修工作中，并結合實際情況對系統功能進一步完善，確保虛擬現實系統能夠發(fā)揮出更好的效果。

5 結語

綜上所述，本文設計開發(fā)了一套基于Unity3D的虛擬現實家裝系統，對其系統設計以及實現方式進行了全面闡述，希望能夠對我國家庭裝修行業(yè)起到一定的借鑒和幫助作用，利用虛擬現實技術進一步促進家庭裝修行業(yè)發(fā)展，為用戶以及裝修企業(yè)提供更加便利的工作條件。