陳春暉

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350000)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要產(chǎn)物，因為其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，比如仿真性、互動性等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)和領(lǐng)域。通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與家庭裝修系統(tǒng)進(jìn)行融合，能夠?qū)彝パb修方案進(jìn)行仿真模擬，在該系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，用戶能夠通過選擇裝修材料、布置方案等直觀地看到裝修效果。對于裝修企業(yè)以及設(shè)計人員而言，不再需要花費大量資金新建樣板房，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以采用科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計方案，提高系統(tǒng)應(yīng)用實效性。

1 基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實家裝系統(tǒng)功能與架構(gòu)設(shè)計

通常情況下，用戶對于家庭裝修系統(tǒng)具有如下幾項功能要求：(1)用戶管理功能。需要為用戶提供基礎(chǔ)的用戶注冊、用戶登錄以及密碼管理等功能。(2)家庭管理功能。需要為用戶提供家庭房間增加、房間刪除、房間查詢以及房間修改等功能。(3)房間物品管理功能。需要為用戶提供房間內(nèi)的物品移動、物品旋轉(zhuǎn)、物品張貼、物品懸掛、顏色更換、材質(zhì)更換等多項功能。(4)保存與加載功能。需要為用戶提供隨時保存房間的設(shè)計方案與效果加載功能，還需要提供不同方案的對比功能。(5)其他功能。為用戶提供留言、通信、評論等社交功能，在成本規(guī)劃完成后將這部分功能移動到其他應(yīng)用程序中[1]。

本次基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實家裝系統(tǒng)采用經(jīng)典的模塊化設(shè)計方案，主要包括UI模塊、業(yè)務(wù)邏輯模塊以及數(shù)據(jù)訪問模塊。在UI模塊中，主要包括用戶信息、房間信息、物體信息列表以及當(dāng)前信息，通過動畫控制器對物體狀態(tài)進(jìn)行模擬與設(shè)計；旋轉(zhuǎn)物體、張貼物體、懸掛物體、解綁物體、綁定物體、保存場景以及加載場景等通過射線控制模塊進(jìn)行調(diào)整；系統(tǒng)基礎(chǔ)為數(shù)據(jù)訪問模塊，數(shù)據(jù)加載類模塊用于獲取和保存Json公式數(shù)據(jù)，針對模型、圖片以及圖形等資源采用資源加載模塊進(jìn)行交互；中間模塊為業(yè)務(wù)邏輯模塊，其中核心為GameController，通過該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對當(dāng)前房間中的物體控制，比如移動、旋轉(zhuǎn)等，MonoBehavior能夠?qū)φw房間場景進(jìn)行加載與保存；GameController中每個房間或物品都能夠?qū)⒖刂祁愖鳛榻M件；控制類組件能夠記錄房間中物體的位置、材質(zhì)以及顏色等，通過對物體顏色的操作實現(xiàn)物體狀態(tài)改變；同時提供射線類控制模式，主要功能是選擇當(dāng)前房間中的物體；動畫控制器用戶將當(dāng)前的物品狀態(tài)調(diào)整與UI動畫相結(jié)合；GameControlle中的OnGUI以及Update等內(nèi)置程序能夠用于人機(jī)界面交互[2]。

2 系統(tǒng)核心問題及解決方法

2.1 家庭裝修中房間物品的選取

在用戶利用計算機(jī)或智能手機(jī)訪問基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實家裝系統(tǒng)時，采用鼠標(biāo)、手柄等對物體進(jìn)行交互，邏輯與在2D平面中的操作存在一定差異，鼠標(biāo)、手柄在操作過程中得到的數(shù)據(jù)為屏幕中的二維坐標(biāo)，場景中物體采用三維坐標(biāo)，因此，需要對二維坐標(biāo)進(jìn)行處理。系統(tǒng)中應(yīng)用Unity3D所提供的射線類Ray控制，具有模擬人眼視線的功能，Camera能夠向場景中發(fā)射一條射線，為了能夠明確射線遇到房間物品的具體情況，需要對房間中的物品增加Collide組件，保證能夠?qū)崿F(xiàn)物品與射線的碰撞效果，能夠為用戶提供模擬場景。針對射線碰撞到的物體可以更改其外觀，還可以模擬出物品的選擇[3]。

2.2 預(yù)制件問題

在虛擬現(xiàn)實場景中，為了能夠展現(xiàn)出房間物品的具體情況，在本次系統(tǒng)設(shè)計中采用了多項細(xì)節(jié)處理方式，主要包括材質(zhì)、貼圖、腳本處理邏輯以及動畫等內(nèi)容。以虛擬現(xiàn)實場景中的人物為例，需要從3DMax中導(dǎo)出fbx格式人物模型，將其增加到虛擬現(xiàn)實場景中，在場景中導(dǎo)出材質(zhì)與貼圖，并設(shè)置動畫控制器與動畫，將對應(yīng)的控制代碼以組件形式增加到人物模型中，從而構(gòu)成一個虛擬現(xiàn)實人物，但是該過程對于用戶而言，只需要對場景中人物進(jìn)行移動。為了能夠提高系統(tǒng)開發(fā)便利性，在人物及其元素構(gòu)成中將其預(yù)制成為一個整體，同時Unity3D提供了預(yù)制件的整體設(shè)計方案[4]。

2.3 坐標(biāo)調(diào)整問題

在用戶采用鼠標(biāo)、手柄等輸入設(shè)備對物體進(jìn)行操作的過程中，需要完成二維坐標(biāo)向三維坐標(biāo)的調(diào)整。在Unity3D中具有多種不同的坐標(biāo)系，比如本地坐標(biāo)、視圖坐標(biāo)等，世界坐標(biāo)對應(yīng)真實的東、西、南、北4個方向，本地坐標(biāo)以物體自身作為基礎(chǔ)，對應(yīng)真實的物品前、后、左、右，屏幕坐標(biāo)為二維坐標(biāo)，在用戶操作時能夠自動化實現(xiàn)對二維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，視圖坐標(biāo)為虛擬現(xiàn)實場景中攝像機(jī)輸出的Viewport坐標(biāo)。因為各個坐標(biāo)系存在差異，在對應(yīng)場景中物體的位移、旋轉(zhuǎn)等操作能夠?qū)崿F(xiàn)自動化坐標(biāo)換算。

2.4 結(jié)果保存

在虛擬家庭裝修完成后，需要將模擬方案保存，若存儲的為整體場景，因為整體虛擬現(xiàn)實場景中存在大量物品，每個物品還包含不同材質(zhì)、顏色以及位置信息等，整體存儲量較大，根據(jù)計算，常規(guī)的家庭裝修虛擬現(xiàn)實結(jié)果模擬方案一般能達(dá)到500 M以上，采用以虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)的保存方式不利于存儲與還原，為此，本次系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用Json實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存。Json是一項輕量級的數(shù)據(jù)格式，相比于XML，其靈活性較好，輸出存儲時間更長，從而能夠減少數(shù)據(jù)存儲與傳送；Json針對數(shù)組和對象采用不同的形式，數(shù)組采用“[]”，格式比如[“java”,”javascript”,”vb”]，數(shù)值存儲時采用索引格式進(jìn)行讀取；對象存儲采用{}格式，格式采用鍵值對的方式，比如{key:value,key:value,…}，Unity3D支持Json功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 物體選取功能實現(xiàn)方式

在虛擬現(xiàn)實場景中，選擇物體需要采用射線與碰撞檢測，在Unity3D中能夠采用RaycastHit實現(xiàn)，使用Cameta向屏幕射出一條射線后，在遇到碰撞檢測物體時，能夠從RaycastHit的屬性中獲取碰撞物體的信息。示例代碼為：

RaycastHithit;

Vector3 pos = Input.GetTouch(0).position

Ray ray Camera.Main.ScreenPointToRay (pos);

if(Physics.Raycast(ray,outhit)){

return hit.transform;

}

Else return null;

在上述代碼中，若射線為左手觸碰屏幕區(qū)域發(fā)出的射線，碰撞到物體后會返回物體中，反之返回null，從而實現(xiàn)對虛擬現(xiàn)實物體的選取。

3.2 預(yù)制組件實現(xiàn)方式

預(yù)制組件功能呈現(xiàn)出本次系統(tǒng)設(shè)計精益求精的思想，能夠為用戶提供更高質(zhì)量的設(shè)計方案，通過采用更多的預(yù)制組件能夠有效提高系統(tǒng)質(zhì)量以及開發(fā)效率。家庭裝修系統(tǒng)中包括家具、壁紙、地板以及電器等多項元素，難以將所有元素事先制作，因此，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中需要不斷豐富，可以采用預(yù)制件的方式實現(xiàn)。在選擇對應(yīng)物品后，需要對物體進(jìn)行移動處理，為了實現(xiàn)坐標(biāo)中的效果，需要完成以下幾項動作：(1)從3DMax中導(dǎo)出fbx格式圖形。(2)在虛擬現(xiàn)實場景中增加Cylinder組件，并對其屬性進(jìn)行更改，使其成為符合要求的圖形。(3)組合兩個圖形使其構(gòu)成單個坐標(biāo)軸。(4)將fbx格式圖形添加攪拌Cone.cs，該腳本能夠使得用戶操作在圖形中更改圖形的顏色或材質(zhì)。(5)對坐標(biāo)軸進(jìn)行復(fù)制與旋轉(zhuǎn)，使其構(gòu)成x，y，z3個方向，并對其他坐標(biāo)軸材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，使得不同的坐標(biāo)軸能夠表現(xiàn)為不同的顏色狀態(tài)。(6)提供ConeMan-ager，在選擇某個物品時，創(chuàng)建坐標(biāo)軸副本，該副本與選種目標(biāo)結(jié)合，同時在移動坐標(biāo)軸時還能夠移動選定的物品。

在上述流程結(jié)束后，能夠直接在Unity3D開發(fā)場景中將坐標(biāo)軸拖動到Assert中，Assert中能夠顯示出制作完成的預(yù)制物品，預(yù)制物品還能夠在其他場景中使用；除三維坐標(biāo)系之外，場景中的其他元素比如電器、家具等，都能夠采用預(yù)制件制作的方式，按照用戶的具體需求將其添加到場景中加載[5]。

3.3 坐標(biāo)系調(diào)整實現(xiàn)方式

用戶在虛擬現(xiàn)實場景中對家庭裝修方案進(jìn)行模擬時，需要對各種物品進(jìn)行擺放，所以需要對物品的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化與調(diào)整。其轉(zhuǎn)換流程為：(1)按照屏幕坐標(biāo)機(jī)計算各點在世界坐標(biāo)系中的位置。(2)將物品的本地坐標(biāo)系前進(jìn)方向量轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)系中的單體向量。(3)將物品的世界坐標(biāo)系位置與向量融合。以上流程實現(xiàn)代碼為：

Vector3 screenSpace = mCamera.WorhlToSereenPoint(transforni.position);

floatx = Input.mousePosition.X;

floatY =Input.mousePosition.Y;

Veeror3 vector = new Vector3 (X，Y，screenSpace.z);

Vector3 startPos = inCanlel，a．ScreenToW orldPoint (veetoF);

while(Input．GetMouseBulton(0))

{

Vector3curScreenSpace=new Vector3(Input.mousePositio.X，Input．mousePosition.Y，screenSpace.z)；

//求出偏移量

var offset = mCamera.ScreenToWorldPoint (curScreenSpace)- startPos;

//將兩點之間向量投影到物體的上方

offset= Vector3.Project(ofset,GetMoveDirection());

//對目標(biāo)位置增加一個偏移量得到新位置

Transform.position+=offset;

//重置開始點，為下一幀做準(zhǔn)備

startPos = transform．Position;

//等待下一幀

Yield return new WaitForFixedUpdate();

}

3.4 結(jié)果存儲實現(xiàn)方式

在對家庭裝修的虛擬現(xiàn)實結(jié)果進(jìn)行存儲的過程中，采用Json數(shù)據(jù)格式，因為家庭裝修系統(tǒng)需要與遠(yuǎn)程服務(wù)連接與交互，實現(xiàn)對多種模型的下載，所以，需要在系統(tǒng)中記錄模型ID，不用將所有數(shù)據(jù)存儲，同時不需要保存模型細(xì)節(jié)。在模型之間對坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化，需要記錄物品的三維坐標(biāo)；物品需要旋轉(zhuǎn)處理，所以需要記錄物品在各個軸的旋轉(zhuǎn)角度。最重要的是，物品需要和其他物品保持一定關(guān)系，比如圖片貼在墻面上、書籍放在書桌上等，這種位置關(guān)系也需要存儲[6]。以書籍放在書桌上的Json數(shù)據(jù)格式片段為例，即：{“ID”：”SO132”，”Name”：”Book1,”X”：” 200”,”Y”：”300”,”Z”:”165”，”RotateX”:”0”.” RotateY”:”0”,”RotateZ”:”0”,”Action”:” Put”,”Target:”Desk1”}

在上述片段的最后一部分中，Action和Target表示與對象之間具體關(guān)系，在虛擬場景中存儲可以通過以下代碼流程實現(xiàn)：

for(objectobjin場景 中的所有物體)

{

if(obj已經(jīng)生成過 json)continue;

if(obj有關(guān)聯(lián)對象)

生成關(guān)聯(lián)對象的json

生成當(dāng)前對象的json;

}

若需要按照生成的Json對場景進(jìn)行還原，按照物品的ID從網(wǎng)絡(luò)緩存中進(jìn)行記載，如果網(wǎng)絡(luò)緩存不存在，則可以從服務(wù)器中進(jìn)行加載，從而減少數(shù)據(jù)加載量，有效提升系統(tǒng)運行速度。

4 系統(tǒng)評價

本文所設(shè)計的基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實家裝系統(tǒng)，在實踐應(yīng)用中具有良好的效果，用戶能夠通過系統(tǒng)功能對家庭裝修方案進(jìn)行實時調(diào)整，更加直觀地明確家庭裝修效果，且能夠靈活地對各項家具、電器等物品進(jìn)行調(diào)整，還能夠?qū)ρb修材料進(jìn)行材質(zhì)、顏色等內(nèi)容的挑選，家庭裝修模擬方案存儲結(jié)果數(shù)據(jù)較小，能夠提高各項資源加載速度，對于用戶以及裝修公司具有重要作用。因此，可以將本文所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)用在家庭裝修工作中，并結(jié)合實際情況對系統(tǒng)功能進(jìn)一步完善，確保虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠發(fā)揮出更好的效果。

5 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計開發(fā)了一套基于Unity3D的虛擬現(xiàn)實家裝系統(tǒng)，對其系統(tǒng)設(shè)計以及實現(xiàn)方式進(jìn)行了全面闡述，希望能夠?qū)ξ覈彝パb修行業(yè)起到一定的借鑒和幫助作用，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)家庭裝修行業(yè)發(fā)展，為用戶以及裝修企業(yè)提供更加便利的工作條件。