摘 要：虛擬場(chǎng)景在制作過(guò)程中，受到模型面數(shù)、軟硬件配置、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等多種因素制約，為了達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的最佳沉浸、交互效果，勢(shì)必要使用到一些最佳設(shè)計(jì)元素，本文詳細(xì)介紹了虛擬場(chǎng)景制作中設(shè)計(jì)要素的使用方法。

關(guān)鍵詞：虛擬場(chǎng)景；設(shè)計(jì)要素；沉浸感

作者簡(jiǎn)介：王永波（1978-），男，河南新鄉(xiāng)人，在讀碩士，講師，從事動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)研究工作。

[中圖分類(lèi)號(hào)]：J524 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]：1002-2139（2013）-21--01

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門(mén)綜合性、交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，是這些年來(lái)十分活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域。是計(jì)算機(jī)科學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、藝術(shù)學(xué)等多種學(xué)科匯集的產(chǎn)物，其中包含計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、交互仿真、人工智能、多傳感器技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。目前，其主要應(yīng)用于軍事模擬、工業(yè)設(shè)計(jì)、商業(yè)展示、醫(yī)學(xué)仿真、遠(yuǎn)程教育、藝術(shù)、影視、游戲等眾多領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)的主要特征，包括沉浸感、交互性、構(gòu)想性和多感知性。[1]沉浸感就是使人在虛擬的環(huán)境中能夠達(dá)到身臨其境的感覺(jué)。在整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，虛擬場(chǎng)景的制作效果直接影響到虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感。所以，具有真實(shí)感的場(chǎng)景建模在整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)中至關(guān)重要。

虛擬現(xiàn)實(shí)作品從構(gòu)造方式來(lái)看，是技術(shù)性的，但從其可視化的表現(xiàn)形式來(lái)看，則是藝術(shù)性的。[2]而虛擬場(chǎng)景作為現(xiàn)實(shí)世界的仿真復(fù)制，在可交互的虛擬環(huán)境世界里，蘊(yùn)涵著其他元素?zé)o法比擬的審美特質(zhì)。在虛擬世界里，它可以使不可能的成為可能。在虛擬場(chǎng)景的制作過(guò)程中，場(chǎng)景設(shè)置、模型建模、材質(zhì)繪制、紋理指定、燈光布局等等，無(wú)一不涉及到設(shè)計(jì)元素。虛擬場(chǎng)景中同樣需要傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本原則，如模型的主與次、虛與實(shí)、繁與簡(jiǎn)；色彩的對(duì)比與柔和；紋理的清晰與模糊；光線(xiàn)的明與暗等，都需要在虛擬現(xiàn)實(shí)作品中得到很好的體現(xiàn)。由于受到網(wǎng)絡(luò)速度、軟硬件配置、運(yùn)行環(huán)境等的限制，就需要充分運(yùn)用設(shè)計(jì)元素，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感的最佳效果。由此可見(jiàn)，虛擬場(chǎng)景建模中設(shè)計(jì)元素的重要性。

虛擬場(chǎng)景的制作主要包括場(chǎng)景設(shè)置、模型創(chuàng)建、材質(zhì)繪制、紋理優(yōu)化、燈光布局、攝像機(jī)配置、碰撞測(cè)試等。文章以MAX和Virtools軟件開(kāi)發(fā)為例，詳細(xì)介紹虛擬場(chǎng)景建模是如何設(shè)計(jì)的。

場(chǎng)景設(shè)置是完成虛擬場(chǎng)景空間的分布及規(guī)劃。在制作過(guò)程中盡量按照真實(shí)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，比如虛擬場(chǎng)景總面積、樓層高度、房間尺寸、植被分布等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)場(chǎng)景的實(shí)際需要和設(shè)計(jì)需求，如需要突出的主體部分、環(huán)境規(guī)劃、裝飾物分布，適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，已達(dá)到真實(shí)或高于模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的目的。

模型的建立是創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)虛擬交互的基礎(chǔ)，是整個(gè)虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的靈魂。有助于提高虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感和實(shí)時(shí)交互的速度，使用戶(hù)真正地“身臨其境”，提高其設(shè)計(jì)的藝術(shù)效果。主要由模型構(gòu)成的虛擬場(chǎng)景，模型的處理就顯得尤其重要。要達(dá)到真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的效果，就需要?jiǎng)?chuàng)建非常多的模型細(xì)節(jié)，這樣勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響虛擬交互速度，特別是在網(wǎng)絡(luò)版的網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，由于模型面數(shù)過(guò)多，場(chǎng)景顯示速度會(huì)非常慢，直接影響虛擬交互效果。所以，在建模過(guò)程中，往往要在模型的細(xì)節(jié)和表現(xiàn)效果之間尋求平衡，也就是要保證真實(shí)場(chǎng)景效果的前提下充分使用設(shè)計(jì)元素。根據(jù)所要?jiǎng)?chuàng)建模型的不同需求選擇不同的建模方法。例如多邊形建模、面片建模、NURBS建模。在MAX軟件建模過(guò)程中，根據(jù)仿真要求原則，充分使用編輯多邊形的點(diǎn)、線(xiàn)、面屬性對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，消減不必要的面，刪除隱藏預(yù)覽不到的面。針對(duì)復(fù)雜物體模型可以使用NURBS建模方法，在有效控制面數(shù)的前提下，保留模型細(xì)節(jié)。對(duì)于更為復(fù)雜的虛擬場(chǎng)景，我們可以通過(guò)創(chuàng)建物體的多個(gè)不同面數(shù)模型，在Virtools開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，使用細(xì)節(jié)層次顯示技術(shù)（LOD），依據(jù)視點(diǎn)遠(yuǎn)近不同自動(dòng)調(diào)取模型庫(kù)中的不同面數(shù)模型，提高其顯示

速度。

材質(zhì)繪制是真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，有了它模型不再單調(diào)，模型猶如披上豐富多彩、層次分明的外衣，是它具有更加真實(shí)的質(zhì)感。材質(zhì)繪制需要采集大量原始素材，使用圖像處理技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，達(dá)到理想的效果。材質(zhì)繪制質(zhì)量的優(yōu)略直接影響虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感。

紋理優(yōu)化能夠極大的提高虛擬場(chǎng)景顯示、交互速度。在虛擬場(chǎng)景中，對(duì)于相對(duì)次要的模型，可以采用降低模型面數(shù)，指定精細(xì)紋理貼圖的方法，這種設(shè)計(jì)方法，既不會(huì)降低場(chǎng)景逼真程度，又減少了模型面數(shù)，同時(shí)可以達(dá)到仿真要求。使用紋理優(yōu)化，不僅是一種實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景真實(shí)再現(xiàn)的有效方法，也是提高虛擬交互速度的好方法。

燈光的布局用來(lái)模擬虛擬場(chǎng)景中的日光、環(huán)境光、室內(nèi)燈光。虛擬場(chǎng)景中的燈光使用需要非常慎重，燈光使用過(guò)少，達(dá)不到真實(shí)模擬效果；燈光使用過(guò)多，嚴(yán)重影響虛擬場(chǎng)景顯示和虛擬交互運(yùn)行速度，提高硬件運(yùn)算負(fù)荷。在MAX軟件中，為了能夠真實(shí)模擬光影效果，主次光源、環(huán)境光源的設(shè)定及分布就顯得尤為重要，設(shè)計(jì)運(yùn)用到整個(gè)燈光的布局之中，設(shè)置的燈光也會(huì)非常多，同時(shí)我們還會(huì)使用到其他一些外置渲染器，但是Virtools開(kāi)發(fā)平臺(tái)并不支持這些渲染器輸出格式。這就需要使用到烘焙貼圖技術(shù)，將設(shè)置好的材質(zhì)、紋理、燈光光影烘焙輸出，烘焙貼圖的使用不僅能夠提高場(chǎng)景逼真的程度，還能夠降低硬件運(yùn)算負(fù)荷，提高顯示及交互運(yùn)行速度。

在虛擬場(chǎng)景制作過(guò)程中，充分使用場(chǎng)景設(shè)置、模型創(chuàng)建、材質(zhì)繪制、紋理優(yōu)化、燈光布局等提高真實(shí)感、藝術(shù)感的設(shè)計(jì)要素，能夠極大的提高仿真效果。使虛擬場(chǎng)景更加逼真，硬件運(yùn)算負(fù)荷更低，虛擬交互運(yùn)行速度更快。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李勛祥. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與美學(xué)研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)，2003

[2] 張萍. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)的軟件界面設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙： 湖南師范大學(xué)，2010