胡萍+蔣紀平+趙明富+劉媛媛
摘要:虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機控制系統(tǒng)形成三維空間場景,使個體沉浸于虛擬環(huán)境中,提升個體在虛擬環(huán)境中的交互能力。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù),結(jié)合新鄉(xiāng)市荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社發(fā)展現(xiàn)狀,構(gòu)建虛擬場景模型,運用圖、文、動畫等多媒體技術(shù),開發(fā)具有交互功能的仿真生活體驗館,探討了虛擬仿真交互技術(shù)在水產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用開發(fā)價值。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬仿真生活體驗館;荷葉鯽魚;3ds Max;VRP
中圖分類號:TP319
文獻標識碼:A
文章編號:16727800(2017)004010303
0引言
隨著計算機技術(shù)和三維圖形軟件的發(fā)展,利用數(shù)字化手段對真實場景仿真的虛擬技術(shù)成為計算機應(yīng)用領(lǐng)域熱點。虛擬仿真生活體驗館不受時空限制,與傳統(tǒng)會展結(jié)合,能更好更快地傳遞信息。將虛擬仿真交互技術(shù)應(yīng)用到水產(chǎn)業(yè)中,根據(jù)養(yǎng)殖基地真實場景和產(chǎn)品情況生成逼真的三維場景,用戶通過鼠標或鍵盤點擊拖拽,身臨其境地漫游在體驗館中,與環(huán)境和產(chǎn)品交互,得到全新的體驗。該技術(shù)極大地提高了農(nóng)業(yè)水產(chǎn)品資源利用率,有效促進了農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。
1虛擬現(xiàn)實技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā)工具
1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù),也稱靈境技術(shù)或幻真技術(shù)。虛擬現(xiàn)實是用現(xiàn)代高科技手段虛構(gòu)出來的一種人工模擬現(xiàn)實環(huán)境,它能模仿人的視覺、聽覺、觸覺等感知功能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最終目的是提高人的認知能力,促進人與環(huán)境交流,更深入開發(fā)人類智慧[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機控制系統(tǒng)形成三維圖形空間,利用跟蹤技術(shù)、人機接口技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)等產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”,使用戶在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。
1.2系統(tǒng)開發(fā)工具
本文運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)及建模軟件進行設(shè)計,使用的軟件有: 3ds Max,即3D Studio Max,是Discreet公司開發(fā)的(后被Autodesk公司合并)基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件,是目前應(yīng)用最廣泛的三維動畫制作軟件,具有強大的建模、動畫、材質(zhì)和渲染功能。 VRP:Virtual Reality Platform,簡稱VR-Platform或VRP,即虛擬現(xiàn)實平臺。VRP是一款由中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實軟件,可以較好地進行三維場景模型導(dǎo)入、后期編輯、交互操作、特效操作、界面設(shè)計及打包發(fā)布等。 Photoshop:處理或繪制三維貼圖,為模型制作精良貼圖。
2設(shè)計思路
新鄉(xiāng)市衛(wèi)濱區(qū)荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社是一家集水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑垂釣、品牌化運營、無公害水產(chǎn)品專賣、農(nóng)超對接于一體的專業(yè)合作經(jīng)濟組織[2],由一個體驗中心和3個養(yǎng)殖魚塘組成。合作社主養(yǎng)魚類品種為淇河鯽魚和彭澤鯽魚,嚴格按照國家無公害標準進行生態(tài)養(yǎng)殖。模擬荷葉鯽魚農(nóng)民合作社養(yǎng)殖基地的虛擬仿真生活體驗館,輔助人們感受水產(chǎn)虛擬環(huán)境,供消費者和相關(guān)技術(shù)人員參觀學(xué)習(xí),指導(dǎo)鯽魚養(yǎng)殖技術(shù)推廣,推動農(nóng)產(chǎn)品銷售。 開發(fā)流程:前期結(jié)合數(shù)碼相機和Photoshop獲得虛擬現(xiàn)實模型的紋理貼圖;中期使用3ds Max搭建虛擬模型;后期將構(gòu)建模型導(dǎo)入虛擬交互平臺軟件VRP中進行場景驅(qū)動,并設(shè)置漫游和交互,如圖1所示。
3設(shè)計與實現(xiàn)
3.1前期分析
建模開始之前要進行場景分析,即分析場景建筑、場景環(huán)境、場景布局、基礎(chǔ)設(shè)施等。主要數(shù)據(jù)資料有:①紋理數(shù)據(jù)采集。前期使用數(shù)碼相機現(xiàn)場拍攝,后期利用Photoshop進行處理,制作成三維模型的材質(zhì)貼圖,使整體效果更貼近真實場景;②建筑物尺寸。合作社提供房屋、魚塘等大型建筑的相關(guān)數(shù)據(jù),按照實物建筑1:1建模;③其它數(shù)據(jù)資料。場景中其它細小模型相關(guān)數(shù)據(jù)來源于實地測量。
3.2模型構(gòu)建
3.2.1模型建立 模型是整個虛擬仿真生活體驗館設(shè)計的基礎(chǔ),它的好壞及逼真度直接影響整個虛擬環(huán)境的真實性,常規(guī)建模方式主要有兩種:①采用標準幾何體建模,該建模方式較為簡便并且便于后期貼圖;②采用標準幾何體模型組合方法建模,通過紋理添加使模型逼真,既簡化建模過程,縮小文件容量,又不影響模型整體效果。此外,在建模中應(yīng)遵循一個原則:在保證視覺對象不失真的前提下,盡量采用最簡單的模型[3]。 根據(jù)以上要求,荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館的場景模型設(shè)計為3個部分: (1)房屋及魚塘模型。場景模型中有一個荷葉鯽魚體驗中心和3個養(yǎng)殖魚塘。體驗中心建模主要根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的標準幾何體模型,將標準幾何體模型組合成完整的體驗中心模型;魚塘及魚塘周圍的土壤建模主要使用“線”繪制出基本輪廓,再通過擠壓操作形成面片效果。 (2)場景中欄桿及其它模型。場景中的欄桿雖然不是重點模型,但比例相當大,也是整個場景中不可或缺的部分。欄桿模型的構(gòu)建與房屋及魚塘方法不同,必須使用圓柱體構(gòu)建模型。一個圓柱體模型至少需要14個側(cè)面才能保證其輪廓完整,本文大面積的欄桿建模需要將近1 500根大小長短不一的圓柱體,欄桿模型中至少有24 000個面數(shù),建模工作量大。結(jié)合場景及欄桿特點,采取建立高精度模型方案,對其渲染并保存為PNG圖片,如圖2所示。再新建一個平面模型,將保存的PNG圖片賦給平面,即通過貼圖平面來表現(xiàn)欄桿模型,如圖3所示。這樣,經(jīng)過高精度建模后只需要一個面就可以達到完全相同的效果。通過該表現(xiàn)手法制作出來的欄桿雖然提高了渲染速度及系統(tǒng)實時性,但視覺對象缺少一定的真實性,即在頂視圖中模型缺乏立體感。因此,欄桿模型頂部的圓柱依然采用標準圓柱體來表現(xiàn)。 荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社中除了荷葉鯽魚體驗中心、魚塘和欄桿外,還有如自動投料機、門亭、馬路等。這些模型的構(gòu)建主要使用基本幾何體表現(xiàn)出輪廓即可。
3.2.2場景貼圖及烘焙 建模貼圖效果好壞決定場景的逼真性及渲染的好壞,本虛擬仿真生活體驗館的重點建筑物為體驗中心及魚塘,遵循不重復(fù)使用貼圖和一個建筑物一張貼圖的原則進行貼圖。為了保證場景渲染及后期交互的流暢性,非重點建筑物貼圖遵循不必非常清晰的原則進行貼圖。此外,整個場景中均將貼圖的背景色改成和貼圖本身色調(diào)類似的顏色,以減少在UVW展開時出現(xiàn)匹配不準或有明顯白邊和黑邊的現(xiàn)象。 建模完成后,對整個場景添加燈光效果,并按照常規(guī)烘焙操作進行場景烘焙,最終荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館三維模型如圖4所示。
3.3交互驅(qū)動
3.3.1模型導(dǎo)入VRP 考慮到3ds Max與VRP的兼容性,在使用3ds Max創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到VRP編輯器之前,需要安裝VRPformax插件,利用該插件將烘焙好的場景通過插件導(dǎo)入到VRP中。3.3.2交互動畫設(shè)計 在虛擬仿真生活體驗館中實現(xiàn)實時漫游以及逼真效果,〖HJ*3〗需要在VRP系統(tǒng)中創(chuàng)建行走、飛行、動畫相機,添加天空盒、太陽光暈,并要對場景中的建筑物和植物等設(shè)置物體碰撞規(guī)則。 (1)交互動畫。荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館設(shè)計的游覽模式為兩種:漫游模式和游客模式,漫游模式為不需要引導(dǎo)的自動游覽模式,而該館設(shè)計的最終目的是能夠?qū)崿F(xiàn)在場景中通過人物游走瀏覽各個部分,即游客模式。游客模式主要利用VRP設(shè)置行走相機,通過鼠標或鍵盤操作控制游覽方向,實現(xiàn)交互。實現(xiàn)交互首先要創(chuàng)建骨骼動畫作為目標人物,調(diào)整骨骼的身高比例并放到適當位置,通過動作庫為骨骼添加“休閑站立”、“原地行走”等動作,最后添加角色控制相機綁定目標人物。這樣,在瀏覽過程中就可以通過鼠標或鍵盤操作控制目標人物,在場景中自由行走,以游覽者身份觀察整個場館。另外,場景中若只有一個目標人物,畫面過于單調(diào),為了使場景豐富,添加了多個骨骼動畫,效果如圖5所示。
(2)特效設(shè)計。在設(shè)置好瀏覽模式后,為了模擬室外場景,選擇適合場景的天空盒效果,并對其角度進行旋轉(zhuǎn),使光線的攝入方向與場景中的投影方向一致,再適當添加光暈效果。光暈效果角度和高度與天空盒光線方向、太陽光照方向相融合。這樣添加特效后,場景更加美觀逼真。 (3)交互按鈕設(shè)計。虛擬仿真生活體驗館的另一特點是通過鼠標觸發(fā)事件控制相應(yīng)內(nèi)容,如瀏覽模式切換、音樂開關(guān)設(shè)置,以及通過添加文字、圖片、動畫,甚至鏈接數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁或加載視頻等功能,向使用者介紹場館情況。主要使用VRP的初級界面和高級界面,在場景中添加控制按鈕,再結(jié)合相應(yīng)的腳本程序,實現(xiàn)按鈕控制。 (4)瀏覽模式按鈕設(shè)計。在該體驗館中,主要通過觸發(fā)事件即按鈕來控制相機的轉(zhuǎn)換和交替,場景中設(shè)計了兩個動畫相機漫游,分別為行走動畫即游客模式和環(huán)繞動畫即漫游模式實現(xiàn)生活館的虛擬展示,如圖6所示。
(5)荷葉鯽魚種類介紹設(shè)計。荷葉鯽魚種類介紹通過服務(wù)控制平臺實現(xiàn),采用添加文字、圖片及Flash動畫的形式制作相應(yīng)介紹,再通過按鈕觸發(fā),結(jié)合相應(yīng)的腳本程序進行控制,如圖7所示。 (6)背景音樂設(shè)計。為了給使用者視聽覺雙重感受,增強場景的真實感染力,在該虛擬仿真生活體驗館中添加了背景音樂,并對背景音樂進行了相關(guān)屬性設(shè)置,可自動循環(huán)播放。同時使用音樂開關(guān)觸發(fā)控制按鈕,通過該按鈕可以暫停和播放音樂。此外,添加了音樂大小控制滑桿,結(jié)合腳本語言精致控制音樂音量大小。
3.3.3系統(tǒng)輸出與發(fā)布 動畫設(shè)計完成后,可將其發(fā)布為單獨的可執(zhí)行文件EXE演示DEMO,也可輸出為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的VRPIE文件。綜合考慮多方面因素,選擇將作品發(fā)布為可執(zhí)行的EXE文件,不過在使用時要注意相應(yīng)的環(huán)境配置,如顯示器屏幕尺寸、顯卡性能等,否則可能影響展示效果。
4結(jié)語
本文通過3ds Max、VRP及Photoshop軟件構(gòu)建了荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館。隨著硬件、軟件技術(shù)的不斷成熟,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用極大地加快了農(nóng)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化進程,場景的逼真性和實時交互性受到廣大用戶喜愛,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的荷葉鯽魚虛擬仿真生活體驗館具有真實性、交互性、易實現(xiàn)性等特點,較好地滿足了消費者的使用需求,促進了水產(chǎn)品與現(xiàn)代科技結(jié)合,為農(nóng)業(yè)信息化提供了可靠手段。
參考文獻:[1]馬賀清,陳建平.VRP虛擬校園建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(5):153157.
[2]李好琴.新鄉(xiāng)市水產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)帶頭兵——記發(fā)展中的新鄉(xiāng)市衛(wèi)濱區(qū)荷葉鯽魚農(nóng)民專業(yè)合作社[J].漁業(yè)致富指南,2013 (16):2728.
[3]祖先鋒.矩陣繼電器在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2005,2(24):106108.
[4]馮少云.基于Web的虛擬展館的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2012.
[5]劉科文.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012 (10):123125.
[6]羅子明.消費者心理學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:7390.
[7]呂蓮.基于VRP平臺的三維建筑虛擬展示設(shè)計[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011,12(4):4748.
[8]羅演.基于 Web 3D 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中的前景分析[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2014(5):2529.
(責(zé)任編輯:杜能鋼)