胡曉雪

（山東工藝美術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、立體影像技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、動(dòng)作識(shí)別技術(shù)語音交互技術(shù)等構(gòu)建出的一個(gè)能夠再現(xiàn)人類想象空間的系統(tǒng)，其呈現(xiàn)出的視覺效果令人震撼。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的簡述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征

1993 年，美國科學(xué)家Burdea G.和Philippe Coiffet在世界電子年會(huì)上提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)最突出的特征:“沉浸感（Immersion）”“構(gòu)想性（Imagination）”“交互性（Interactivity）”，即虛擬現(xiàn)實(shí)的“3I”特性。

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，“沉浸感”指的是某種技術(shù)手段最終達(dá)到的效果，是虛擬現(xiàn)實(shí)世界力爭追求的技術(shù)體驗(yàn)。用戶通過VR 設(shè)備，進(jìn)入計(jì)算機(jī)營造的立體三維虛擬場景中，成為虛擬場景的一部分，全身心的投入到虛擬環(huán)境設(shè)定好的程序里。用戶可以在三維虛擬場景中自由行走、觀看，還可以參與場景設(shè)定的情節(jié)，好比真實(shí)世界的一切[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)里的“沉浸感”是衡量虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)性能好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。用戶之所以能夠產(chǎn)生“沉浸感”是因?yàn)橛脩魧?duì)虛擬的環(huán)境產(chǎn)生了現(xiàn)實(shí)世界感覺的錯(cuò)覺。沉浸感包含了多種特征，其中多感知性（Multi-Sensory）和自主性（Automony）是最為關(guān)鍵的兩個(gè)特征。多感知性是指除計(jì)算機(jī)體驗(yàn)給人帶來的主觀視知覺外，還應(yīng)具有其他“四感”的感知性。理想中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該是包羅萬象的，能夠體驗(yàn)真實(shí)世界的“五感”。自主性則是虛擬場景在與人們交流互動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)程度，最大限度的服從自然規(guī)律或設(shè)計(jì)師設(shè)定的規(guī)律。

構(gòu)想性指的是在現(xiàn)實(shí)世界中無法實(shí)現(xiàn)或不存在的創(chuàng)意構(gòu)想，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維的虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。用戶可以大膽想象并創(chuàng)造出真實(shí)性與非真實(shí)性并存的想象空間。

交互性是指用戶通過VR 設(shè)備用人類的自然屬性與虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行交流互動(dòng)，能夠感受到虛擬的物體屬性，如重量、外形等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最大特點(diǎn)就是可以與用戶直接進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)改變了長久以來“以計(jì)算機(jī)為主體”的理念，開始接受“人是信息環(huán)境的主體”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使人與虛擬世界建立起了多維度交流互動(dòng)的橋梁，使人機(jī)交互提升到了一個(gè)新的層面。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

20 世紀(jì)90 年代，計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到前所未有的迅猛發(fā)展，這為二維信息、三維信息整合成為虛擬現(xiàn)實(shí)增加了可能性；進(jìn)入21 世紀(jì)以后，大數(shù)據(jù)信息處理速率顯著提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也逐步出現(xiàn)在教育、軍事、娛樂、設(shè)計(jì)、商業(yè)、藝術(shù)等領(lǐng)域。

1.2.1 教育領(lǐng)域

1985 年，美國國立醫(yī)學(xué)圖書館嘗試使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)教學(xué)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展仿真的人體解剖教學(xué)課程；21 世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育方面的實(shí)際運(yùn)用日趨廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)技術(shù)讓用戶自然而然的、無障礙的與三維虛擬場景中的各個(gè)事物進(jìn)行交流互動(dòng)，甚至還可以轉(zhuǎn)變參與形式，多元化的參與教學(xué)與學(xué)習(xí)進(jìn)程。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)技術(shù)是一種可以直觀的呈現(xiàn)出多維度訊息的培訓(xùn)學(xué)習(xí)方式，使用戶更有效、更迅速地掌握一門新技能。

1.2.2 軍事領(lǐng)域

傳統(tǒng)的大規(guī)模軍事演習(xí)不僅消耗大量物資且安全得不到保障。為了彌補(bǔ)這一缺陷，虛擬現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)系統(tǒng)指的是在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建一個(gè)模擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場的虛擬場景，作戰(zhàn)人員可通過模擬場景得到訓(xùn)練。同時(shí)，在這個(gè)線上的虛擬場景中，通過模擬與敵人作戰(zhàn)，還可以檢測、評(píng)測作戰(zhàn)武器的綜合性能。在我國同樣也非常重視虛擬戰(zhàn)場的研究工作，如模擬飛行的虛擬仿真系統(tǒng)，飛行虛擬仿真系統(tǒng)能夠讓操作者產(chǎn)生置身云端的感覺，使操作者的視覺、聽覺與現(xiàn)實(shí)無異，開啟了虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事領(lǐng)域培訓(xùn)的新模式。

1.2.3 醫(yī)療領(lǐng)域

現(xiàn)今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛開發(fā)使用于醫(yī)療手術(shù)過程中的方方面面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可提前使醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)實(shí)施演練，還可為實(shí)際治療提供輔助信息和輔助操作，規(guī)避手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)生運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)實(shí)操訓(xùn)練，通過3D 模型模擬患者病灶，設(shè)計(jì)出適用于患者的手術(shù)切口位置及角度。醫(yī)生在VR 設(shè)備的輔助下，置身于虛擬手術(shù)臺(tái)上，全方位的進(jìn)行虛擬手術(shù)演練，提前熟悉手術(shù)流程，反復(fù)分析與推敲患者病情，最終選擇合理的治療方案，減少給患者帶來的損傷，降低手術(shù)出錯(cuò)率。

1.2.4 設(shè)計(jì)領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、展示設(shè)計(jì)、游戲開發(fā)等領(lǐng)域。在德國的高端汽車制造行業(yè)中，絕大多數(shù)的制造商都設(shè)有專門的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)，為汽車設(shè)計(jì)研發(fā)提供專業(yè)的技術(shù)服務(wù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的加持下，汽車的設(shè)計(jì)造型、內(nèi)飾外飾、零部件等設(shè)計(jì)得到反復(fù)試驗(yàn)達(dá)到最優(yōu)。空氣動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)和安全試驗(yàn)也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成，節(jié)約了大量的人力物力，縮短了汽車的研發(fā)時(shí)間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也起到不可忽視的作用，改變了先前二維圖紙枯燥的表達(dá)方式，通過可視化的三維技術(shù)，將虛擬建筑造型立體的展現(xiàn)在客戶眼前。同時(shí)，它還可以模擬大型機(jī)械的施工操作，從而預(yù)測機(jī)械施工過程中可能出現(xiàn)的問題，提前預(yù)防并解決問題。

2 視覺呈現(xiàn)的基礎(chǔ)

三維模型是虛擬現(xiàn)實(shí)場景運(yùn)行的視覺呈現(xiàn)基礎(chǔ)，也是虛擬現(xiàn)實(shí)場景在VR 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，關(guān)乎虛擬現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)際體驗(yàn)。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，一個(gè)三維虛擬環(huán)境的建立主要包括環(huán)境模型的建立和環(huán)境漫游程序的編寫[2]。用戶在體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場景時(shí)，所呈現(xiàn)出來的一切都是由三維建模技術(shù)創(chuàng)建，可見三維模型的重要地位。

2.1 模型的創(chuàng)建與優(yōu)化

3DMax 是一款基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)且專用于三維模型制作與動(dòng)畫渲染的軟件，建模功能強(qiáng)大，材質(zhì)種類豐富。設(shè)計(jì)師使用3DMax 軟件能夠建造出富有創(chuàng)造力且逼真的模型作品，可以充分展現(xiàn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意構(gòu)思。

構(gòu)建三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)營造出能夠呈現(xiàn)真實(shí)世界自然屬性的虛擬環(huán)境系統(tǒng)。當(dāng)然，三維模型在模擬真實(shí)世界時(shí)并不是越逼真越好，而是要結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的速率與虛擬環(huán)境的需求，在保障虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境顯示的可實(shí)施性前提下，從中找到一個(gè)最佳合理方案。

模型創(chuàng)建之前一般會(huì)在3DMax 中導(dǎo)入一張CAD平面圖，圖片的在3DMax 上的三維坐標(biāo)設(shè)置為（0，0，0）原點(diǎn)，并設(shè)置好模型創(chuàng)建的單位，以便模型的建立。

創(chuàng)建模型時(shí)，要注意模型中面與面的距離不能太近，兩個(gè)面之間的間距約是虛擬場景最大尺度的1/2000。若場景中面的距離過近，場景在實(shí)際應(yīng)用過程中就會(huì)出現(xiàn)畫面的閃爍。為提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中交互場景的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，應(yīng)降低模型中面的數(shù)量以及刪減場景中看不見的面。模型創(chuàng)建完成時(shí)需反復(fù)檢查，不能出現(xiàn)共用面、反面、漏面、破面等。重復(fù)的物體可以復(fù)制，不用重復(fù)建立，減少資源的消耗。模型創(chuàng)建時(shí)，先對(duì)意向概念進(jìn)行分析，將模型的塊面進(jìn)行劃分，利用3DMax 修改器中的樣條線（Edit spline）和可編輯多邊形（Editable Ploy）建模。盡量避免使用可編輯網(wǎng)格（Editable Mesh）建模，避免三角面的出現(xiàn)，如圖1。

圖1 模型場景的建立

模型創(chuàng)建完成后，為提高虛擬現(xiàn)實(shí)場景運(yùn)轉(zhuǎn)速率，降低VR 設(shè)備與計(jì)算機(jī)硬件的負(fù)荷，還需要對(duì)模型再進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型有著復(fù)雜的面和頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)，對(duì)于計(jì)算機(jī)渲染來說，復(fù)雜的模型會(huì)帶來更多的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，影響環(huán)境渲染的效率和質(zhì)量。因此，為了降低模型的網(wǎng)格面數(shù)，通過安裝使用Polygon Cruncher 插件來提高計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行時(shí)的渲染性能，提高渲染速率[3]。Polygon Cruncher 插件較其他同類插件的優(yōu)勢就在于不影響模型原有結(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)化減少模型的面數(shù)。當(dāng)然，我們也可用紋理貼圖來替代，利用渲染器中的凹凸與置換命令，使得模型跟隨貼圖紋理變化，減少因建模而產(chǎn)生的模型面與頂點(diǎn)數(shù)量。

2.2 模型的材質(zhì)和貼圖

模型優(yōu)化之后需要根據(jù)物體特性給素模附上對(duì)應(yīng)材質(zhì)。材質(zhì)編輯一般使用Vray 標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)球，也可使用3DMax 自帶的多維/子對(duì)象材質(zhì)球，使用這兩種材質(zhì)球的3DMax 格式文件導(dǎo)出與Unity3D 通用的文件格式，導(dǎo)出文件格式為FBX，再把通用格式FBX 文件導(dǎo)入到Unity3D 虛擬引擎中，這樣的軟件之間的導(dǎo)出轉(zhuǎn)化就不會(huì)使材質(zhì)與模型失去關(guān)聯(lián)。

2.3 模型的塌陷與導(dǎo)出

模型經(jīng)過創(chuàng)建、優(yōu)化和附材質(zhì)后，需將模型塌陷[4]。在3DMax 中，模型的每一次修改都會(huì)被記錄下來，如果記錄較多就會(huì)占用系統(tǒng)資源，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行緩慢，所以模型需要用塌陷命令來解決這一問題。

以上步驟完成后，最終需要將模型導(dǎo)出，在3DMax里將模型文件導(dǎo)出為軟件轉(zhuǎn)換的通用格式，再由通用格式文件導(dǎo)入到Unity3D 虛擬引擎中，再進(jìn)行下一步的操作。FBX 格式是軟件之間進(jìn)行模型、動(dòng)作、材質(zhì)等信息轉(zhuǎn)化的通用格式，如3DMax、MAYA 文件之間的互轉(zhuǎn)等。模型導(dǎo)出時(shí)，要注意彈出對(duì)話框中的參數(shù)設(shè)置，需勾選嵌入的媒體選項(xiàng)，如若沒有勾選，模型導(dǎo)出則會(huì)使模型的紋理貼圖失去關(guān)聯(lián)。3DMax 和Unity3D的X、Y、Z 坐標(biāo)軸方向不同，需轉(zhuǎn)化成一致方向，因此，軸轉(zhuǎn)化中向上軸要勾選Y-up，其他設(shè)置保持默認(rèn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺呈現(xiàn)與交互

模型完成之后，需導(dǎo)入到虛擬引擎之中。Unreal Engine 和Unity3D 是現(xiàn)在最常用的兩款虛擬引擎，Unreal Engine 是世界范圍內(nèi)為數(shù)不多的較有影響力的游戲引擎之一，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的游戲引擎市場中占有較大份額。Unreal Engine 虛擬引擎的畫面效果可達(dá)到較高的3A 游戲水準(zhǔn)，有著強(qiáng)大的材質(zhì)編輯器，能夠輕松獲得電影級(jí)效果。Unity3D 是Unity Technologies 開發(fā)的一款跨平臺(tái)、完全集成的專業(yè)級(jí)虛擬引擎，包含了整合的編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本等特性。Unity3D 最明顯的優(yōu)勢就是可以讓開發(fā)者在多平臺(tái)之間進(jìn)行開發(fā)，避免了開發(fā)者浪費(fèi)更多的時(shí)間在操作方式、硬件條件、屏幕尺寸上等。

3.1 虛擬引擎Unity3D

Unity3D 虛擬引擎是由許多場景組成的，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需要來添加如燈光、樹木、車等組件，而這些組件上又可以添加如觸發(fā)盒子、聲音、碰撞、重力、粒子特效等，功能強(qiáng)大且便利。

3.2 模型的導(dǎo)入和基本設(shè)置

將3DMax 模型格式轉(zhuǎn)化為通用格式FBX 格式，再由FBX 格式的通用格式文件導(dǎo)入到Unity3D 虛擬引擎之中，從而實(shí)現(xiàn)軟件之間格式的兼容互換。導(dǎo)出后的FBX格式在導(dǎo)入到Unity3D 虛擬引擎時(shí)，應(yīng)將Inspector 面板里面的Generate Lightmap UVs 選項(xiàng)勾選，勾選之后的模型在烘焙光照貼圖時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出更為逼真的視覺效果。燈光也需要根據(jù)場景需要來添加：方向光（Directional）、點(diǎn)光（Point）、聚光（Spot）、面光（Area）通過這些光的配合來烘托理想的視覺氛圍達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果[5]。

3.3 虛擬引擎的腳本和UI

虛擬引擎的腳本在虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)中起到?jīng)Q定性作用，上文提到的模型、材質(zhì)、貼圖等決定了虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺效果，而游戲的質(zhì)量和運(yùn)行則需要靠虛擬引擎的腳本來實(shí)現(xiàn)。虛擬引擎的腳本是通過編寫代碼來執(zhí)行一系列動(dòng)作命令的特殊文本，Unity3D 支持Boo、JavaScript、C#三種語言格式的代碼編寫。UI（User Interface）指的是人與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)時(shí)所使用的用戶操作界面，是人與信息交互的媒介。UI 設(shè)計(jì)決定了一個(gè)產(chǎn)品的性格和品位，好的虛擬引擎腳本與好的UI設(shè)計(jì)相結(jié)合，從而制作出一個(gè)好的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在科技發(fā)展與人民需求的雙重驅(qū)使下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)迎來了一個(gè)溫暖春天，無論是技術(shù)理論還是基礎(chǔ)硬件都實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，不斷地為人們的生活提供著便利。文章系統(tǒng)的闡述了最初從模型開始到最終的虛擬引擎腳本和UI 制作，把虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺呈現(xiàn)和交互的過程完整的展現(xiàn)在大家面前。結(jié)合作品說明虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中所需要注意優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，為虛擬現(xiàn)實(shí)場景設(shè)計(jì)師提供點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)。