李婷婷，余慶軍

(大連東軟信息學(xué)院 數(shù)字藝術(shù)系，遼寧 大連 116023)

虛擬交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)研究

李婷婷，余慶軍

(大連東軟信息學(xué)院 數(shù)字藝術(shù)系，遼寧 大連 116023)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，但傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大多存在著沉浸感不強(qiáng)、交互性差，不能讓體驗(yàn)者沉浸在虛擬系統(tǒng)中等缺陷。綜合這些因素，研究基于Unity3D平臺(tái)，采用3Dmax場(chǎng)景建模工具，采用JavaScript和C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)交互功能，結(jié)合Occlus dk2完成交互式虛擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)并研究系統(tǒng)中所涉及的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括碰撞體檢測(cè)技術(shù)、三維建模技術(shù)、粒子特效技術(shù)、虛擬交互技術(shù)等等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該虛擬交互系統(tǒng)能克服以往虛擬漫游的沉浸感不足、交互性差等缺點(diǎn)，用戶在虛擬交互系統(tǒng)中可以體驗(yàn)到與真實(shí)場(chǎng)景相近的虛擬環(huán)境，并且可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互;將交互行為應(yīng)用到虛擬漫游中對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展具有重要意義，具有簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

虛擬漫游；虛擬現(xiàn)實(shí)；場(chǎng)景交互；碰撞檢測(cè)；dk2

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外儼然成為一種潮流。目前，人們?cè)絹?lái)越不滿足于現(xiàn)實(shí)世界中的圖片、文字等信息，對(duì)具有良好互動(dòng)效果的虛擬世界充滿好奇。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到虛擬旅游、虛擬購(gòu)物、軍事航海、建筑與景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[2-3]。虛擬交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。例如，JACOBSON J等利用虛幻引擎技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種虛擬環(huán)境系統(tǒng)[4]；北京航空航天大學(xué)的趙沁平教授提出了一種新型虛擬互動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)[5]；浙江大學(xué)近年來(lái)致力于紫禁城虛擬場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)，并提出了一種適用于虛擬環(huán)境中的快速漫游算法[6]。

以上研究為本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了理論借鑒，但是傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大多存在一些弊端，比如，沉浸感不強(qiáng)，交互性差，不能讓體驗(yàn)者沉浸在虛擬系統(tǒng)中，等等[7]?；诖?，文中利用Unity3D平臺(tái)，結(jié)合Occlus dk2開(kāi)發(fā)虛擬互動(dòng)系統(tǒng)，并研究沉浸式虛擬互動(dòng)漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所使用的關(guān)鍵技術(shù)，使虛擬場(chǎng)景建模得到進(jìn)一步完善，并就系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程、三維建模、場(chǎng)景交互等有關(guān)技術(shù)進(jìn)行討論。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

Unity是一個(gè)專業(yè)級(jí)的高質(zhì)量游戲引擎[8]，提供了可視化編輯工具，可以將藝術(shù)資源綁定在一起并對(duì)可交互對(duì)象進(jìn)行編碼，產(chǎn)品可以發(fā)布在PC、Web和Mac等平臺(tái)上，提供了高度跨平臺(tái)的性能。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)配合用戶交互，使得用戶可以佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備在虛擬場(chǎng)景內(nèi)漫游，參觀展館內(nèi)部建筑，了解展品文化歷史?；赨nity3D技術(shù)，結(jié)合Occlus dk2虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔開(kāi)發(fā)沉浸式虛擬交互系統(tǒng)。首先基于3DMAX建模工具構(gòu)建場(chǎng)景模型；然后將場(chǎng)景模型導(dǎo)入到Unity中構(gòu)建展館場(chǎng)景；最后加入碰撞檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)用戶交互、虛擬漫游等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用Unity3D技術(shù)，結(jié)合Occlus dk2開(kāi)發(fā)的虛擬校園能夠使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，并且具有良好的交互性。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)部分采用UGUI技術(shù)[9]。UGUI即UnityGUI，是官方UI的實(shí)現(xiàn)方式。UGUI是強(qiáng)大的UI系統(tǒng)，其事件處理通常由開(kāi)發(fā)人員編寫C#腳本完成。本系統(tǒng)采用UGUI來(lái)提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)圖形用戶界面的美感，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)定2個(gè)功能按鈕，如圖2所示。一個(gè)是進(jìn)入場(chǎng)景Start，一個(gè)是系統(tǒng)設(shè)置Set，其中系統(tǒng)設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)聲音大小的控制，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下所示。

圖2 界面效果圖

public void StartGame()

{Application.LoadLevel("m10_library_art_office");}

public void OpenSetting()

{StartButton.SetBool("TrueBool",true);

SettingButton.SetBool("true",true);

Setplace.enabled=true;

Setplace.SetBool("TrueBool",false);}

2.2 三維建模

2.2.1 3DS MAX構(gòu)建模型

3DS MAX有非常好的性價(jià)比，它所提供的強(qiáng)大功能適合做場(chǎng)景模型的建模工作[10]，因此本系統(tǒng)內(nèi)的建筑模型采用3DS MAX實(shí)現(xiàn)。在模型的構(gòu)建中盡量采用的是低模，以達(dá)到優(yōu)化場(chǎng)景模型的目的。將制作好的模型保存成.fbx文件，然后導(dǎo)入到Unity3D中。

2.2.2 模型組件場(chǎng)景

場(chǎng)景空間包括場(chǎng)景地形、建筑物、環(huán)境裝飾、光源等內(nèi)容，將導(dǎo)入到Unity3D中的場(chǎng)景模型設(shè)置為prefab(預(yù)制件)，添加到場(chǎng)景中，場(chǎng)景整體效果如圖3所示。

圖3 場(chǎng)景模型頂視圖

2.3 碰撞檢測(cè)

虛擬漫游時(shí)，當(dāng)用戶在操控手柄進(jìn)行前后左右移動(dòng)時(shí)，如果碰到場(chǎng)景內(nèi)的物體應(yīng)該發(fā)生碰撞的本能反應(yīng)，所以碰撞檢測(cè)功能是提高虛擬漫游體驗(yàn)的核心功能[11]。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用AABB包圍盒碰撞檢測(cè)算法，其基本算法是將2個(gè)包圍盒分別向3個(gè)坐標(biāo)軸投影，只有2個(gè)包圍盒在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間都相交時(shí)才能判斷2個(gè)包圍盒相交[12]，如圖4所示。

圖4 AABB碰撞檢測(cè)原理示意

設(shè)A，B為2包圍盒，x為投影軸，CA，CB分別為A和B的中心點(diǎn)；PA，PB分別為點(diǎn)CA和CB在x軸上的投影；LA，LB分別為包圍盒A和B在x軸向的半條邊在x軸上的投影。若LA+LB

2.4 虛擬交互

虛擬交互系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)參觀者與展品間交流互動(dòng)的平臺(tái)，豐富的虛擬交互將大大提升參觀者的互動(dòng)體驗(yàn)，使參觀者在參觀過(guò)程中與展品交流互動(dòng)、發(fā)現(xiàn)探索。本系統(tǒng)中主要的虛擬交互包括場(chǎng)景漫游和視頻播放交互。

2.4.1 場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游是虛擬交互的關(guān)鍵[13]。系統(tǒng)漫游功能主要采用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，通過(guò)WSAD控制人物的行走方向，它們分別代表了前、后、左、右四個(gè)方向，通過(guò)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)視角旋轉(zhuǎn)，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下所示。

if(Input.GetKey(KeyCode.W))

{zm+=m_movSpeed*Time.deltaTime;}

else if(Input.GetKey(KeyCode.S))

{zm-=m_movSpeed*Time.deltaTime;}

if(Input.GetKey(KeyCode.A))

{xm-=m_movSpeed*Time.deltaTime;}

else if(Input.GetKey(KeyCode.D))

{xm+=m_movSpeed*Time.deltaTime;}

m_ch.Move(m_transform.TransformDirection(new Vector3(xm,ym,zm)));

2.4.2 視頻播放交互

Unity3D中播放游戲視頻的方式有兩種，一種是在游戲?qū)ο笾胁シ?，通過(guò)攝像機(jī)照在一個(gè)平面上實(shí)現(xiàn)；另一種是在GUI層面上播放視頻。本系統(tǒng)采用的是第一種方法，效果如圖5所示。首先構(gòu)建一個(gè)播放視頻的plane，然后再在平面上添加視頻播放代碼即可。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

void OnGUI()

{if(GUILayout.Button("播放/繼續(xù)"))

{if(!movTexture.isPlaying)

{movTexture.Play();}}

if(GUILayout.Button("暫停播放"))

{movTexture.Pause();}

if(GUILayout.Button("停止播放"))

{movTexture.Stop();}

}

圖5 展廳播放建筑動(dòng)畫效果圖

2.5 聲音實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的聲音播放在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。系統(tǒng)聲音分兩種，一種是背景音樂(lè)，通過(guò)在Camera上掛載Audiosouce聲音控件實(shí)現(xiàn)，另一種是特效音樂(lè)，掛載在第一人稱上實(shí)現(xiàn)腳步走路的聲音。

2.6 粒子特效

為了給場(chǎng)景添加豐富的展示效果，為系統(tǒng)場(chǎng)景添加粒子系統(tǒng)[14]。粒子系統(tǒng)中粒子會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷變形和運(yùn)動(dòng)，而且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生新的粒子，提高系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)景物體的可觀賞性。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)首先加載粒子系統(tǒng)資源，然后通過(guò)屬性面板設(shè)置粒子系統(tǒng)參數(shù)，duration=5.0f；Start Delay=0;Strat Lifetime=0.1;Start Speed=0;Strat Size是一個(gè)隨機(jī)值，介于0.1～0.5之間;Strat Roataion=0;Max Particles=10 000。

2.7 顯示輸出

系統(tǒng)顯示輸出部分采用occlus dk2[15]，如圖6所示。dk2是外接式頭戴設(shè)備，屏幕分辨率達(dá)到1 080*960，感應(yīng)器刷新率為1 000 Hz，內(nèi)置了豐富的配件以保證使用者的沉浸式感受。在Unity Free integration for Oculus平臺(tái)上提供了免費(fèi)的Oculus integration包，可以在Unity5.x平臺(tái)上運(yùn)行，開(kāi)發(fā)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先需要把Unity 4 Oculus integration package導(dǎo)入到Unity5.x中，然后找到OVRPlayer Controller prefab，將其拖入Hierarchy面板中替代MainCamera即可。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)基于Unity3D平臺(tái)，其中所用的移動(dòng)設(shè)備是在內(nèi)存Intel CoreTM2 Quad CPU，Q8200@3.22 GHz，4 GB內(nèi)存，NVIDIA GT9800顯卡的PC測(cè)試通過(guò)，軟件環(huán)境為Unity3D5.x和3DS Max2014。系統(tǒng)可以發(fā)布到PC、Web等多種平臺(tái)上，并能流暢運(yùn)行，獲得了較好的效果。由此證明，該系統(tǒng)具有較好的移植性，支持多種軟硬件平臺(tái)運(yùn)行。

啟動(dòng)系統(tǒng)后，體驗(yàn)者可以在展覽館中進(jìn)行個(gè)性化的自主參觀，欣賞展覽館內(nèi)景觀或是詳細(xì)了解展館內(nèi)藏品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)虛擬漫游沉浸感不足的缺點(diǎn)，用戶可以體驗(yàn)到與真實(shí)場(chǎng)景相近的虛擬環(huán)境，并且可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，提高了體驗(yàn)者和展品的交流互動(dòng)，具有簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。場(chǎng)景測(cè)試效果如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于3DS Max建模技術(shù)和Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔Occlus dk2開(kāi)發(fā)的沉浸式虛擬交互漫游系統(tǒng)，可以給人以身臨其境的感覺(jué)。系統(tǒng)運(yùn)行流暢，畫面真實(shí)感強(qiáng)，人機(jī)交互效果良好，擁有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，沉浸式虛擬交互系統(tǒng)將在沉浸感、真實(shí)感等方向繼續(xù)向前發(fā)展，增添更加豐富的內(nèi)容。

圖6 近距離觀察效果圖

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ResearchonKeyTechnologiesandRealizationofVirtualInteractiveSystem

LI Ting-ting，YU Qing-jun

(Department of Digital Art,Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China)

Virtual reality technology has developed rapidly,but the traditional virtual reality system is lack of scene immersion,with poor interaction,which cannot let the users immersed in the virtual system.In synthesis of these factors,based on the Unity3D platform，using 3Dmax as the scene modeling tool,the interaction is realized by JavaScript and C#.Combined with Oculus dk2,the virtual interactive system is developed and its corresponding technologies are researched including collision detection,3D modeling,particle effects,virtual interaction and so on.Experimental results show that the system can overcome the shortcomings of poor immersion of virtual roaming and bad interaction.The users can experience the virtual environment close to the real scene and interact with it.It is significant for virtual reality technology to apply interaction into virtual roaming,simple and easy to implement,with broad application prospects.

virtual roaming;virtual reality;scene interaction;collision detection;dk2

TP391

A

1673-629X(2017)12-0124-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.027

2017-01-20

2017-05-24 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-27

遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(ZX2016KJ008)

李婷婷(1985-)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)；余慶軍，博士，教授，研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0959.070.html