李 晶

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510300）

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的快速普及與發(fā)展，其在空間與時(shí)間上的技術(shù)突破對(duì)人們的工作、生活、娛樂(lè)都產(chǎn)生了不同程度的影響[1]。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)，將其應(yīng)用于博物館場(chǎng)景的虛擬展示和交互中，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Unity3D的虛擬仿真博物館漫游系統(tǒng)，打破了時(shí)間與空間的限制，為用戶(hù)提供了逼真的博物館游覽體驗(yàn)，并針對(duì)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中以下3點(diǎn)問(wèn)題提出了針對(duì)性的解決策略。

問(wèn)題1：三維場(chǎng)景的構(gòu)建與資源優(yōu)化問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須應(yīng)用在三維場(chǎng)景中，而三維場(chǎng)景在圖形處理、渲染等方面需要占用大量的計(jì)算資源，容易造成系統(tǒng)運(yùn)行效率低下、響應(yīng)延時(shí)等問(wèn)題[2]，繼而影響用戶(hù)體驗(yàn)。因此在保證虛擬場(chǎng)景顯示效果同時(shí)還需對(duì)場(chǎng)景結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)場(chǎng)景資源進(jìn)行有效調(diào)度，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

問(wèn)題2：場(chǎng)景交互的觸發(fā)精度問(wèn)題。用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中漫游，會(huì)通過(guò)各類(lèi)觸發(fā)條件與場(chǎng)景進(jìn)行交互，在觸發(fā)點(diǎn)較多，且場(chǎng)景空間較小的情況下，觸發(fā)點(diǎn)的邊界設(shè)置過(guò)大容易產(chǎn)生相互遮擋或邊界重合，導(dǎo)致響應(yīng)錯(cuò)誤；邊界設(shè)置過(guò)小，又難以被精準(zhǔn)觸發(fā)，也會(huì)影響用戶(hù)體驗(yàn)效果，因此需要對(duì)場(chǎng)景交互的觸發(fā)精度做進(jìn)一步的優(yōu)化處理。

問(wèn)題3：場(chǎng)景漫游的視角問(wèn)題。場(chǎng)景漫游需要設(shè)置邊界以防止用戶(hù)視角移出到場(chǎng)景之外，通常采用的策略是對(duì)場(chǎng)景邊界添加剛體組件以阻止場(chǎng)景攝像機(jī)的移出。但攝像機(jī)視角都設(shè)置有視域，當(dāng)攝像機(jī)移動(dòng)到場(chǎng)景邊界，視角已經(jīng)超出了場(chǎng)景邊界，因此還需要對(duì)視角進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

1 Unity3D引擎

Unity3D是由丹麥公司開(kāi)發(fā)的一款3D引擎，最初主要應(yīng)用于3D游戲的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與普及，Unity3D也逐漸被用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，成為虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的主流工具之一。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）初期開(kāi)源免費(fèi)，通過(guò)用戶(hù)的共用推廣，積累了豐富的功能插件和精美的場(chǎng)景、模型資源，能夠高效滿(mǎn)足用戶(hù)的各類(lèi)開(kāi)發(fā)需求[3]。

（2）圖形化界面操作，提供了基于三維空間的可視化操作界面以及直觀、便捷的操作工具，便于開(kāi)發(fā)者快速搭建場(chǎng)景，調(diào)整場(chǎng)景布局。

（3）提供了多種數(shù)據(jù)接口，支持3D模型、二維圖像、音頻、視頻等多媒體文件的指定格式導(dǎo)入。

（4）支持組件式開(kāi)發(fā)，內(nèi)置多種功能組件供開(kāi)發(fā)者調(diào)用，并可由開(kāi)發(fā)者自行設(shè)置功能參數(shù)，例如物理模擬組件用于模擬物體重力、碰撞彈射、刮風(fēng)下雨等效果，粒子組件用于模擬煙火、爆炸等效果。

（5）支持C#、JavaScript等主流編程語(yǔ)言工具，用于進(jìn)行系統(tǒng)前端界面交互功能的開(kāi)發(fā)；支持MySQL、SQLlite等數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后端的數(shù)據(jù)管理。

（6）支持多平臺(tái)的項(xiàng)目發(fā)布，基于unity3D開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目可以發(fā)布在各類(lèi)主流平臺(tái)，包括PC端、移動(dòng)Android端和iOS端以及Web瀏覽器端。

基于Unity3D的上述技術(shù)特點(diǎn)，采用Unity3D引擎進(jìn)行虛擬仿真博物館漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)在技術(shù)層面是可行的。

2 虛擬仿真博物館漫游系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

虛擬仿真博物館漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖1。

（1）三維場(chǎng)景的構(gòu)建。該模塊用于完成虛擬仿真系統(tǒng)的三維模型素材制作，主要包括博物館場(chǎng)景建模、物品建模兩個(gè)部分。其中場(chǎng)景建模屬于建筑模型，需要先繪制二維平面圖，再進(jìn)行三維建模，因此采用CAD制圖軟件按照1∶1比例進(jìn)行精準(zhǔn)的二維平面圖形繪制，再生成三維場(chǎng)景；物品建模使用3DMAX軟件完成。

（2）模型材質(zhì)的制作。三維場(chǎng)景的視覺(jué)效果好壞很大一部分原因是取決于模型材質(zhì)的精美程度[4]，因此繪制材質(zhì)時(shí)，物體本身細(xì)節(jié)的表現(xiàn)、明暗層次的自然過(guò)渡、不同材質(zhì)的特質(zhì)區(qū)分都需要十分注意。材質(zhì)繪制常用的軟件有Photoshop、Illustrator等軟件工具。

（3）素材導(dǎo)入。Unity3D引擎支持三維模型、圖形、視頻、音頻等各類(lèi)素材的規(guī)范化格式導(dǎo)入，其中三維模型統(tǒng)一導(dǎo)入格式為FBX；圖形圖像文件導(dǎo)入格式為PSD、TIFF、JPG、TGA、PNG、GIF、BMP、IFF、PICT 等，需要注意的是Unity3D導(dǎo)入圖片后統(tǒng)一默認(rèn)為T(mén)exture（紋理）模式，不能直接應(yīng)用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，需要手動(dòng)轉(zhuǎn)換為Sprite（圖片精靈）模式；音頻導(dǎo)入格式包括AIFF、WAV、MP3、OGG 4種[5]，其中AIFF、WAV為原生音頻，可在不損失音頻質(zhì)量的前提下進(jìn)行播放，但文件占用存儲(chǔ)空間較大；MP3為有損壓縮的音頻格式，雖然節(jié)省了大量的存儲(chǔ)空間，但每次播放都需要消耗CPU周期進(jìn)行解碼，并且開(kāi)發(fā)環(huán)境需要配置適用的解碼器；視頻導(dǎo)入格式包括MOV、MPG、MPEG、MP4、AVI等[6]，基于Windows平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境中還需要額外配置QuickTime插件才能正常播放視頻。

Unity3D工程開(kāi)發(fā)：Unity3D引擎以工程為單位進(jìn)行獨(dú)立項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。創(chuàng)建工程后，基于工程完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的具體工作，包括：場(chǎng)景搭建、前端界面設(shè)計(jì)、交互功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)管理、項(xiàng)目發(fā)布5個(gè)步驟。

步驟1：場(chǎng)景搭建。導(dǎo)入場(chǎng)景模型素材后，首先設(shè)置攝像機(jī)位置、視域、遮罩范圍等參數(shù)，如場(chǎng)景需要假設(shè)多個(gè)攝像機(jī)，還需設(shè)置優(yōu)先級(jí)；其次制作天空盒，Unity3D提供了天空盒插件，配合制作好的天空素材即可在虛擬場(chǎng)景中模擬出藍(lán)天白云、黑夜星空等天空效果；場(chǎng)景光源設(shè)置，Unity3D提供了多種光源效果，包括自然光和方向光兩大類(lèi)，可以營(yíng)造室內(nèi)外不同環(huán)境下的光源效果[7]；為場(chǎng)景中的墻體、物品等需要交互的模型對(duì)象設(shè)置剛體屬性和添加碰撞體組件，使其具有交互檢測(cè)的功能。

步驟2：前端界面設(shè)計(jì)，Unity3D內(nèi)置有UI組件用于交互界面的設(shè)計(jì)，并提供了二維與三維兩種設(shè)計(jì)模式，二維模式常用于二維屏幕終端發(fā)布的項(xiàng)目界面設(shè)計(jì)，例如PC終端和手機(jī)移動(dòng)終端；三維模式用于VR終端發(fā)布的項(xiàng)目界面設(shè)計(jì)，例如VR眼鏡、VR頭盔。

步驟3：交互功能實(shí)現(xiàn)。首先需要進(jìn)行觸發(fā)條件的設(shè)置，Unity3D主要通過(guò)檢測(cè)攝像機(jī)與場(chǎng)景中其他物體的剛體碰撞，或是攝像機(jī)的射線(xiàn)與物體的碰撞來(lái)觸發(fā)交互事件，因此需要預(yù)先為交互物體設(shè)置剛體屬性和添加碰撞體組件；交互功能的編程實(shí)現(xiàn)，Unity3D內(nèi)置有碰撞器檢測(cè)函數(shù)與觸發(fā)器檢測(cè)函數(shù)分別對(duì)上述兩個(gè)碰撞方式進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)條件滿(mǎn)足后即可觸發(fā)相應(yīng)的交互事件。

步驟4：數(shù)據(jù)管理。Unity3D后端數(shù)據(jù)庫(kù)的連接與訪問(wèn)需要通過(guò)導(dǎo)入MySql.Data.MySqlClient插件實(shí)現(xiàn)，該插件提供了在C#語(yǔ)言中引用SQL語(yǔ)句連接數(shù)據(jù)庫(kù)的方法以及對(duì)數(shù)據(jù)增、刪、改、查的操作接口。

步驟5：項(xiàng)目發(fā)布。Unity3D的項(xiàng)目發(fā)布以場(chǎng)景為單位，當(dāng)項(xiàng)目中包含多個(gè)場(chǎng)景時(shí)，需要按照?qǐng)鼍暗捻樞蛑鹨惶砑又另?xiàng)目中，再進(jìn)行打包發(fā)布。除此，Unity3D還提供了項(xiàng)目發(fā)布的個(gè)性化參數(shù)設(shè)置，包括項(xiàng)目名稱(chēng)、開(kāi)發(fā)者署名、軟件圖標(biāo)、項(xiàng)目啟動(dòng)的展示界面、項(xiàng)目分辨率、項(xiàng)目?jī)?nèi)存優(yōu)化、項(xiàng)目發(fā)布平臺(tái)選擇等。

2.2 系統(tǒng)交互功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)交互功能設(shè)計(jì)包括3個(gè)模塊：UI交互、藏品交互和場(chǎng)景漫游，見(jiàn)圖2。

UI交互模塊：用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)注冊(cè)、登錄及數(shù)據(jù)管理等功能。用戶(hù)可以通過(guò)系統(tǒng)提供的UI界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、查詢(xún)、修改、存儲(chǔ)、刪除等具體操作。

場(chǎng)景交互模塊：用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與模型和場(chǎng)景的交互。模型交互主要針對(duì)藏品模型可以進(jìn)行物體的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)以及藏品信息的文字展示、音頻和視頻播放等；場(chǎng)景交互用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)場(chǎng)景之間的切換。

場(chǎng)景漫游模塊：用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中的漫游，用戶(hù)可以第一個(gè)人稱(chēng)視角在虛擬場(chǎng)景中漫游，游覽各個(gè)展覽點(diǎn)。場(chǎng)景設(shè)置有邊界碰撞檢測(cè)，防止用戶(hù)移出到場(chǎng)景之外。

場(chǎng)景交互與場(chǎng)景漫游兩個(gè)功能模塊，系統(tǒng)提供了鍵盤(pán)、觸屏、鼠標(biāo)3種操作模式，用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同靈活選擇操作方式。

3 關(guān)鍵問(wèn)題的解決策略

3.1 三維場(chǎng)景的構(gòu)建與資源優(yōu)化

精美的三維場(chǎng)景制作可以帶給用戶(hù)更加美觀和逼真的游覽體驗(yàn)，但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)卡頓。因此在場(chǎng)景結(jié)構(gòu)優(yōu)化與最終的項(xiàng)目展示效果之間需要通過(guò)合理的優(yōu)化策略以達(dá)到兩者之間的平衡。三維場(chǎng)景的資源優(yōu)化可以從3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

（1）三維場(chǎng)景的模型優(yōu)化。在三維場(chǎng)景建模過(guò)程中，通過(guò)模型的合理布線(xiàn)與面數(shù)控制等方式，在保證模型細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的同時(shí)盡可能簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)。例如模型布線(xiàn)應(yīng)以三角形邊面為主，盡量減少不規(guī)則邊面的形成，因?yàn)槿切芜吤娴挠?jì)算效率是最高的；另外模型曲面的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)是非常大的，因此盡量減少曲面的構(gòu)成可以有效提高模型的計(jì)算效率，并以高質(zhì)量的材質(zhì)繪制彌補(bǔ)模型的細(xì)節(jié)損失。

（2）減少不必要的模型面構(gòu)建。例如場(chǎng)景地面的處理，Unity3D內(nèi)置的平面幾何體輔以材質(zhì)即可呈現(xiàn)較好的地面效果，因此場(chǎng)景建模就可以省略地面的處理；再如像展柜、植物、裝飾物等不需要交互的靜態(tài)模型，被放置在場(chǎng)景中固定不動(dòng)的情況下，部分面會(huì)與場(chǎng)景重疊的而無(wú)法展示，因此也可以省略處理。

（3）三維模型的資源調(diào)度優(yōu)化。Unity3D加載場(chǎng)景時(shí)會(huì)對(duì)場(chǎng)景中的所有模型進(jìn)行計(jì)算和渲染，切換新的場(chǎng)景時(shí)，原來(lái)場(chǎng)景中的模型信息仍然會(huì)被保留在內(nèi)存當(dāng)中，需要通過(guò)調(diào)用Destroy方法才能手動(dòng)清理。如果不清理原來(lái)的模型信息，會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)存消耗越大，系統(tǒng)效率越低；如果清理原有的模型信息，則會(huì)導(dǎo)致每次切換場(chǎng)景都要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)模型重新進(jìn)行計(jì)算和渲染，而場(chǎng)景與場(chǎng)景之間頻繁切換的話(huà)，也會(huì)造成很大的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。資源調(diào)度優(yōu)化主要采取的策略是將場(chǎng)景的模型進(jìn)行分類(lèi)管理和選擇調(diào)度，將其劃分為共有模型資源與私有模型資源兩類(lèi)，通過(guò)Unity3D的資源管理器對(duì)模型進(jìn)行分類(lèi)管理，屬于場(chǎng)景之間的共有模型資源的，在場(chǎng)景切換時(shí)不做銷(xiāo)毀處理；屬于單獨(dú)場(chǎng)景私有模型資源的，在切換場(chǎng)景時(shí)進(jìn)行銷(xiāo)毀，以有效提高場(chǎng)景資源的調(diào)度效率。

3.2 場(chǎng)景交互的準(zhǔn)確觸發(fā)

場(chǎng)景中可交互模型都需要添加剛體組件，攝像機(jī)與物體的碰撞或射線(xiàn)檢測(cè)都是基于與剛體的接觸，剛體組件提供了位置、縮放比例、旋轉(zhuǎn)角度等屬性，以便開(kāi)發(fā)者自行調(diào)整剛體框架，使其能將模型完全包裹。場(chǎng)景較小而交互對(duì)象較多的情況下，各模型的剛體之間很容易出現(xiàn)前后遮擋或邊界重疊的問(wèn)題，導(dǎo)致交互事件觸發(fā)錯(cuò)誤，用戶(hù)想與A物體交互，觸發(fā)的卻是B物體。解決這一問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法是盡可能縮小剛體的邊界，例如只將模型的一部分包裹在剛體中，縮小交互檢測(cè)的范圍。但剛體是透明不可見(jiàn)的，用戶(hù)交互時(shí)只能看到交互對(duì)象的整體模型，看不到剛體范圍，就導(dǎo)致用戶(hù)無(wú)法準(zhǔn)確觸發(fā)該物品的交互事件，需要不斷的移動(dòng)視角進(jìn)行嘗試。針對(duì)上述場(chǎng)景交互的準(zhǔn)確觸發(fā)問(wèn)題，基于范圍的碰撞檢測(cè)是較為有效的解決方法。

基于范圍的碰撞檢測(cè)策略，需要先對(duì)攝像機(jī)添加碰撞機(jī)組件，Unity3D提供了盒狀、球狀、膠囊狀3種碰撞機(jī)，由于本系統(tǒng)采用的是第一人稱(chēng)視角，需要交互的范圍鎖定在視角的前、后方向，因此適用于膠囊狀范圍檢測(cè)，通過(guò)調(diào)整膠囊碰撞機(jī)Y軸的縮放比例，可以確定視角前后的碰撞檢測(cè)距離。當(dāng)攝像機(jī)視角在場(chǎng)景中前后移動(dòng)時(shí)，進(jìn)入到碰撞機(jī)范圍的物體將以數(shù)組形式返回各自的屬性信息，攝像機(jī)通過(guò)范圍檢測(cè)即可鎖定進(jìn)入交互范圍的物體，依據(jù)物體的屬性信息可以動(dòng)態(tài)計(jì)算出距離攝像機(jī)最近的物體，觸發(fā)與其的交互。通過(guò)范圍檢測(cè)，可以將距離較遠(yuǎn)的物體進(jìn)行剔除，處于范圍內(nèi)的物體通過(guò)動(dòng)態(tài)算法始終鎖定距離攝像機(jī)視角前方（Z軸正方向）最近的物體進(jìn)行交互。

3.3 場(chǎng)景漫游邊界的視角移出

場(chǎng)景漫游的邊界檢測(cè)是防止用戶(hù)視角移出的重要手段，但視角具有一定的視野范圍，當(dāng)攝像機(jī)檢測(cè)到與邊界發(fā)生碰撞時(shí)，視野范圍已經(jīng)超出了場(chǎng)景邊界。基于范圍的碰撞檢測(cè)策略同樣可以解決這一問(wèn)題，但其范圍檢測(cè)主要是視角的前后方向，無(wú)法檢測(cè)到其他方向的邊界，因此還需要結(jié)合剛體碰撞檢測(cè)，為場(chǎng)景邊界添加剛體組件。為了進(jìn)一步改善用戶(hù)的漫游體驗(yàn)，當(dāng)視角前方檢測(cè)到場(chǎng)景邊界的同時(shí)，可通過(guò)編程動(dòng)態(tài)調(diào)整視角的視野范圍，當(dāng)視角退出邊界檢測(cè)范圍后，還原其視野屬性，以確保視野始終處于場(chǎng)景之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬博物館游覽中的應(yīng)用及主要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究和探討，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于Unity3D的虛擬仿真博物館漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有場(chǎng)景漫游、用戶(hù)交互、數(shù)據(jù)管理等主要功能，并在場(chǎng)景構(gòu)建和資源調(diào)度、交互觸發(fā)準(zhǔn)確性、場(chǎng)景漫游邊界視角控制3個(gè)方面進(jìn)行了策略改進(jìn)與優(yōu)化。