基于Android虛擬現實系統的設計

劉紅 王艷艷 北方工業大學 電子信息工程學院通信工程系

1 基于Android的虛擬現實系統的技術優勢

信息時代促進了Android移動終端技術與虛擬現實技術的發展與融合。這兩種技術的迅速發展，為人們提供了更人性化的便捷服務。基于Android的虛擬現實系統，用戶直接使用制作好的虛擬搖桿UI,不需要復雜的輸入設備就能實現對系統的操作，及時的在便于攜帶的Android移動終端實時查看場景變化，不受網絡，時間，地點的限制。

2 系統的開發流程及關鍵技術

2.1 開發流程

本系統的開發,第一部分的主要工作是利用3ds Max建模工具創建毛澤東故居的3D模型，然后在Phtooshop軟件制作故居周圍環境的紋理貼圖，將制作好的紋理貼圖賦予給模型，并導出模型為FBX格式，完成模型的導出工作；第二部分的主要工作是將模型導入到Unity工程中，渲染場景，設置場景參數，給模型添加AudioSouse腳本，導入EasyTouch5.0.12資源包，制作虛擬搖桿UI，并編寫互動腳本。完成基于Android虛擬現實系統操作，系統開發流程如圖1所示：

圖1 系統開發流程

2.2 關鍵技術

2.2.1 攝像機運動

攝像機是一個非常重要的用于顯示虛擬場景的組件，在Unity3D的攝像機用來將虛擬場景呈現到屏幕上。攝像機可以用Perspective（透視）或Orthographic（正交）方式投影渲染對象。本系統采用攝像機的正交投影，運用“Up”、“Down”、“Left”、“Right”鍵控制攝影機向左、向右、向前、向后運動。設置攝像機渲染路徑，利用鼠標、搖桿等輸入設備控制虛擬場景漫游的觀察角度，實現第一人稱場景漫游。

2.2.2 碰撞檢測

碰撞檢測是兩個物體相互接近利用碰撞器來檢測對象是否發生碰撞，通過PlayerSlideDoor對象進行控制碰撞器被觸發，PlayerSlideDoor對象綁定TriggerOnTag腳本處理碰撞。碰撞器是Unity3D開發平臺中的組件，它包含諸如BoxCollider，CapsuleCollider，SphereCollider，MeshCollider，WheelCollider，TerrianCollider等類，這些碰撞器應用的場合不同，本系統選擇BoxCollider，首先為碰撞檢測的對象添加BoxCollider，開啟觸發器功能，再修改其size屬性，確保可以完全包圍待檢測對象，最后設置BoxCollider的IsTrigger屬性為ture。完成以上步驟之后，通過TriggerOnTag腳本處理碰撞事件，編寫互動腳本，并將其指定于待檢測對象。

2.2.3 3D拾取

在虛擬環境漫游過程中，用戶需要通過觸擊2D屏幕瀏覽3D物品，或利用鼠標選取環境中的物體進行操作，這個過程需要3D拾取技術。3D拾取是將2D信息轉化成3D信息，所以必須對信息進行相應處理，通過計算得出正確的結果。

3D拾取技術之所以復雜，是因為該技術跨越了流水線的多個階段。從攝像機投射空間到viewport的變換中，攝像空間中的一個頂點v經過線性插值變換將投影平面上的2D投影點變換到齊次裁剪空間CVV中，通過CVV裁剪，并且頂點進行透視除法，將從4D齊次形式變回成3D齊次形式，再經過Viewport Transformation最終將點變換到viewport中。將點的位置信息進行處理后，再通過逆處理將頂點從viewport中變換到投影平面。因此用戶在手機屏幕上點擊一個位置，即點擊事件的觸發，實際上得到的是viewport中的點擊位置，標記為p0（XP0,YP0），通過線性插值公式如公式（1），把P0變換到CVV中得到P1（XP1,YP1），緊接著將P1通過線性插值的逆運算變換到plane of projection中，得到P2（XP2,YP2），X方向的線性插值逆運算變換公式如公式（2）所示：Y方向變換公式同理計算。P2就是點擊的位置處于投影面的2D點，拾取一個3D對象，需要將2D信息拓展到3D中，需要進行線性模型中的射線ray方式，在屏幕上點擊位置確定一條射線，射線射向3D模型，從攝像機到屏幕空間的觸摸點發出一條射線，這條射線第一個撞到的3D物體默認是被選中的物體。

3 系統實現

3.1 3D模型的構建

三維虛擬毛澤東故居構建需要注意場景尺寸、單位長度、模型塌陷、命名、坐標、貼圖格式、材質等。制作流程如圖2所示：

圖2 3D模型制作流程

3.2 毛澤東故居模型

從3ds Max導入到Unity3D的Assets文件中，需要注意3ds Max和Unity3D兩個軟件中默認的單位長度，為了最大程度地簡化3ds Max導出及Unity3D導入FBX文件的工作，3d Max系統單位設置為“厘米”，Unity3D系統單位設置為“米”。三維虛擬毛澤東故居場景構建設計如圖3所示：

圖3 場景構建設計

3.3 毛澤東故居的場景優化

資源的使用會影響性能，所以完成場景構建后需要場景優化。為了優化場景，則需減少模型數量，所以可以將相同材質的模型合并在一起；減少材質貼圖數量，可以將多張貼圖合并，模型共享一張貼圖，并且盡可能壓縮貼圖，減少位數。

3.4 虛擬毛澤東故居發布與展示

在安卓端的產品使用方法比較簡單，如圖4所示，首先把虛擬毛澤東故居app拷貝到安卓手機中，或者通過掃描生成的二維碼，然后安裝，打開app運行，這樣就可以體檢虛擬毛澤東故居3D漫游。手機界面效果如圖5所示。

圖4 毛澤東故居app安裝流程

圖5 手機界面效果

4 結束語

本文以3ds Max為工具完成建模,利

用unity3d引擎，采用C#編寫腳本，使用攝像機運動，碰撞檢測等關鍵技術設計虛擬毛澤東故居系統，系統通過虛擬搖桿控制移動操作實現環境漫游及場景切換，展示室外構造及周圍環境的功能。系統設計簡單方便,開發成本低,場景的真實感和交互性在Android移動終端完全能夠滿足用戶需求。

基于Android虛擬現實系統設計，探索了通過可游、可視、可互動、可聽的有趣虛擬展示方式讓用戶感受良好的情境體驗，更有助于用戶的信息感知。同時也是對毛澤東故居歷史文化傳播方式的新探索。虛擬現實技術時代的出現，將給各個領域帶來全新的體驗和變化，推動了新時代的經濟發展，并且給人們帶來生活方式的改善和社會的進步。

[1]金璽曾.Unity 3D手機游戲開發[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]黃濤. 基于Unity3D的虛擬校園漫游系統的研究和實現[D].桂林：廣西師范大學，2014.

[3]王星捷，李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J].計算機技術與發展，2013，23（4），241-244.

[4]胡傳志，程顯毅，曹小峰.網絡敏感信息自適應多重過濾模型研究[J].計算機科學，2015，42（1）：272-275，307.

[5]張瑞昕，卜方玲.一種適用于多數據鏈網絡的信息過濾轉發策略 [J].計算機工程與應用，2015 （8）：89-91，112.