徐玉如 黃瑋

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是當(dāng)前IT行業(yè)的熱點(diǎn)，虛擬家裝系統(tǒng)是其應(yīng)用之一。該研究首先介紹虛擬家裝系統(tǒng)的總體架構(gòu)。并在此基礎(chǔ)上針對(duì)資源加載的效率、拖動(dòng)管理的策略、射線管理模塊等等各個(gè)功能的進(jìn)行分析并最終在Unity3d環(huán)境下將其實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；資源加載；序列化

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0098-02

1 背景

VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]是當(dāng)前IT界熱門技術(shù)。當(dāng)前VR技術(shù)已經(jīng)在在工程[2]、機(jī)械[3]、展覽[4]、旅游領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在家庭裝修過(guò)程中使用VR技術(shù)進(jìn)行虛擬家裝，不僅可以讓用戶最終更好的預(yù)覽家裝的效果，而且，也便于用戶參與家裝的過(guò)程，不斷試錯(cuò)，最終修改出適合自己體驗(yàn)的家裝方案。

Unity3d[5]是進(jìn)行VR/AR開(kāi)發(fā)的主流引擎之一。在Unity3d引擎中提供了如粒子系統(tǒng)、射線系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)、三維坐標(biāo)體系等基本模塊，開(kāi)發(fā)者可在此基礎(chǔ)上快速開(kāi)發(fā)。本研究以Unity3d為底層技術(shù)介紹虛擬家裝系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

虛擬家裝系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下的核心功能：

1）在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)家具的選擇、安裝、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。

2）對(duì)家具進(jìn)行變更材質(zhì)。

3）提供家具、材質(zhì)的上傳功能。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要許多的輔助功能。例如，對(duì)家具模型的選擇涉及模型的上傳保存、加載以及界面上的選擇操作等。此外還有許多的業(yè)務(wù)也均涉及存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)邏輯與UI等部分。因此在本系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的三層進(jìn)行設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)訪問(wèn)、業(yè)務(wù)邏輯與界面三個(gè)部分。這三層的具體情況如圖1所示。

與許多信息系統(tǒng)不同的是，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)不與數(shù)據(jù)庫(kù)打交道。該系統(tǒng)需要與外部交互的數(shù)據(jù)主要為3D模型與材質(zhì)貼圖，因此數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的主要任務(wù)是文件的讀寫操作。其中文件訪問(wèn)類是最為底層的類。在此基礎(chǔ)上為滿足不同的應(yīng)用分別提供序列化類、資源加載類、貼圖讀寫類等模型。序列化類采用Json格式進(jìn)行家裝方案的保存與讀取。資源加載類則采用異步讀取的方式針對(duì)大文件進(jìn)行訪問(wèn)以提供系統(tǒng)的性能。而貼圖讀取器則直接從進(jìn)行貼圖與二進(jìn)制文件的交互。

業(yè)務(wù)邏輯層中的業(yè)務(wù)解釋器類與狀態(tài)管理器配合，將UI中獲得的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)邏輯中的各種狀態(tài)，從而分離UI與業(yè)務(wù)邏輯。拖動(dòng)管理器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的拖放、材質(zhì)管理器則實(shí)現(xiàn)更換材質(zhì)的功能、 位移管理器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位置的移動(dòng)以及角度的旋轉(zhuǎn)、射線管理器用于物體的選擇。

在UI中對(duì)話框管理器主要實(shí)現(xiàn)彈出對(duì)話框的功能，用于與用戶的交互。攝像機(jī)管理則實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的上下左右移動(dòng)，鼠標(biāo)管理器則實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)，在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行VR內(nèi)容呈現(xiàn)時(shí)則支持觸屏操作。

3 系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

3.1 資源加載功能的實(shí)現(xiàn)

在虛擬家裝系統(tǒng)中，需要加載的資源是很多的，如各種房間、家具、電器的模型，各種材質(zhì)圖片等。更了更好提供用戶體驗(yàn)，模型需要有一定的精度。但隨著資源精度的提高，所需加載的文件的數(shù)據(jù)量大，這又會(huì)造成加載速度慢，造成卡頓效果，反而易給用戶帶來(lái)眩暈感。

Unity3d中要呈現(xiàn)一個(gè)物體需要有以下的操作：首先，將模型資源從磁盤加載到內(nèi)存，并實(shí)例化該模型的原型對(duì)象，接著再根據(jù)該原型創(chuàng)建具體需要呈現(xiàn)的物體。這一過(guò)程需要涉及大量的IO操作，性能較差。本系統(tǒng)中采用原型模式+緩存機(jī)制+異步加載的方式實(shí)現(xiàn)。原型模式是指對(duì)象的創(chuàng)建方式不是采用動(dòng)態(tài)生成的方式，而是根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的內(nèi)存值直接復(fù)制出一個(gè)副本，原型模式通過(guò)增加內(nèi)存的消耗提高了對(duì)象的創(chuàng)建效率。為了提高內(nèi)存的使用率，通過(guò)引入哈希表對(duì)模型的原型進(jìn)行緩存。而對(duì)于文件的加載，則可以采用異步預(yù)加載的方式。系統(tǒng)預(yù)加載的算法如下：

Step 1：（系統(tǒng)閑時(shí)）根據(jù)系統(tǒng)的路徑獲取資源目錄下所有模型的文件列表。

Step 2：遍歷文件列表，如果文件列表中的資源在緩存目錄中，則不再加載該文件

否則，加載該文件，并將所加載的內(nèi)容寫入緩存。

為了顯示場(chǎng)景中的物體，需要實(shí)例化模型對(duì)象。實(shí)例化模型對(duì)象的算法如下：

Step 1：如果緩存中有模型，則直接使用原型機(jī)制創(chuàng)建模型副本并呈現(xiàn)。

Step 2：如果緩存中不存在模型，則查看有沒(méi)有啟動(dòng)加載該模型的異步線程，如果沒(méi)有則啟動(dòng)。如果有，則提高該線程的加載優(yōu)先級(jí)。

Step 3：加載完成后通過(guò)回調(diào)實(shí)例化模型，并將模型加入緩存?；氐絊tep 1。

以上的方法可以較好的提高系統(tǒng)的性能。

3.2 拖動(dòng)管理功能的實(shí)現(xiàn)

家裝系統(tǒng)中需要進(jìn)行各種家具位置的移動(dòng)擺放。無(wú)論是通過(guò)鼠標(biāo)、觸摸屏、手柄或是其他的控制設(shè)備進(jìn)行操作，本質(zhì)上都是要先選中物體，然后通過(guò)控制設(shè)備的移動(dòng)軌跡計(jì)算出虛擬現(xiàn)實(shí)三維坐標(biāo)系統(tǒng)上物體的新坐標(biāo)。由于控制設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中的位移向量與三維坐標(biāo)系中的移動(dòng)向量不可能等同，例如控制設(shè)備（如鼠標(biāo)）的移動(dòng)是在二維平面上移動(dòng)，其控制的物體卻要在三維中移動(dòng)。二維向量是無(wú)法直接映射到三維向量。為解決這一問(wèn)題，先對(duì)三維中的物體進(jìn)行降維，即一次僅限其在一個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也僅考慮鼠標(biāo)在一個(gè)維度上的分量，使得兩個(gè)維度的向量建立起映射關(guān)系。這種方式可以通過(guò)輔助坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示的輔助坐標(biāo)系，需要拖動(dòng)物體時(shí)只能點(diǎn)中某個(gè)物體的三維坐標(biāo)系箭頭，使其沿一個(gè)方向進(jìn)行拖動(dòng)，從而建立起平面坐標(biāo)系與三維坐標(biāo)系的映射。

以上輔助坐標(biāo)系采用第三方組件形式完成，但最為核心的拖動(dòng)代碼如下：

Step 1：得到要拖動(dòng)的物體在屏幕的坐標(biāo)screenSpace。

Step 2：記下鼠標(biāo)的位置，并將鼠標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為三維場(chǎng)景中的座坐標(biāo)startPos。

Step 3：如果是鼠標(biāo)拖動(dòng)狀態(tài)：

記下鼠標(biāo)的位置，并將鼠標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為三維場(chǎng)景中的坐標(biāo)curScreenSpace。

計(jì)算兩點(diǎn)curScreenSpace與startPos之間的向量，并將該向量轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)系的向量V1。

計(jì)算V1在物體移動(dòng)方向上的投影V2。V2即為物體需要移動(dòng)的向量。

當(dāng)前物體的座標(biāo)與V2相加，得到目的地的坐標(biāo)V3，將物體移到V3位置。

重置起始點(diǎn)。

等待下一幀，并重復(fù)Step 3。

3.3 射線管理功能的實(shí)現(xiàn)

射線管理功能是本系統(tǒng)中的一個(gè)基礎(chǔ)功能，無(wú)論是更換材質(zhì)、拖動(dòng)物體或是UI元素交互，均需要使用射線功能。

射線功能實(shí)現(xiàn)的工作有兩個(gè)，一是發(fā)出射線，二是獲得射線路徑上的物體。發(fā)出射線是通過(guò)場(chǎng)景中的攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Unity3D中的Camera向屏幕上指定一點(diǎn)發(fā)出射線。但在VR環(huán)境下，可能存在多攝像機(jī)的情況，例如使用Google Card Board類型的眼鏡時(shí)，實(shí)際上左右眼分別對(duì)應(yīng)一個(gè)攝像機(jī)。因此在這種情況下，使用狀態(tài)模式來(lái)解決射線的切換問(wèn)題。

圖3是射線管理模塊的設(shè)計(jì)類圖，在RayState的抽象狀態(tài)類中派生出NormalState與VRState兩種狀態(tài)，每個(gè)類均重寫父類的CreateInstance方法用于生成射線對(duì)象。對(duì)于NormalState中的CreateInstance則用Unity3d的Ray類生成射線對(duì)象，而VRState中，則取兩攝像機(jī)連線的垂直方向產(chǎn)生射線。在實(shí)際操作中，以兩攝像機(jī)正前方向量之和為新射線的向量。

射線創(chuàng)建后可以通過(guò)與碰撞器的識(shí)別來(lái)判斷所擊中的物體，從而獲得場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)的物體。偽碼如下：

Ray ray = State.CreateInstance（）；

RaycastHit hit；

if（Physics.Raycast（ray，out hit））{

return hit.transform；

}

return null；

通過(guò)上述的偽碼解決了選中物體的邏輯。另外射線管理模塊使用狀態(tài)模式的設(shè)計(jì)也解決了在不同設(shè)備呈現(xiàn)VR場(chǎng)景時(shí)不易管理的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

在介紹虛擬家裝系統(tǒng)的功能后進(jìn)行了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上介紹了最為核心的三個(gè)功能，即資源加載、拖動(dòng)管理與射線管理。受制于篇幅，系統(tǒng)中還有如材質(zhì)變更、序列化、對(duì)話框管理等許多也存在創(chuàng)新性的地方就不一一介紹。測(cè)試運(yùn)行的結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李敏， 韓豐. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述[J]. 軟件導(dǎo)刊， 2010， 9（6）： 142-144.

[2] 徐偉， 李龍華. 全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)事故處理虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)[J]. 科技廣場(chǎng)， 2016（10）： 40-43.

[3] 王娜. 基于Unity3D的采礦機(jī)械零件庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2017（1）： 32-33.

[4] 郭丹， 商書元. 基于Unity3D的虛擬博物館展陳模型研究[J]. 北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2017， 37（2）： 63-68.

[5] 黃瑋， 余葉蘭. 基于Unity3d的虛擬現(xiàn)實(shí)家裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 新余學(xué)院學(xué)報(bào)， 2017， 22（3）： 19-22.