基于VR技術的虛擬場景漫游與交互設計

劉丙浩 李佳奇

摘 ?要：虛擬現實技術是一種具有極強沉浸性的交叉性技術，廣泛應用于虛擬場景漫游項目的制作。文章以黨建展覽館為例，采用Maya作為場景建模工具，以Unity 3D虛擬現實引擎為開發工具，實現了黨建展覽館項目第一人稱虛擬漫游，能夠為體驗者提供全景展示、場景漫游、歷史事件介紹等服務。讓學生成為場景的直接參與者，提高學生的沉浸性、交互性，使其能夠更加直觀地感受三維空間，找到并解決項目中存在的問題，以此提高學生自主學習和解決問題的能力。

關鍵詞：VR技術;場景漫游;黨建展覽館

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）21-0011-06

Abstract： Virtual reality technology is a cross technology with strong immersion， which is widely used in the production of virtual scene roaming projects. Taking the party construction exhibition hall as an example， this paper uses Maya as the scene modeling tool and Unity 3D virtual reality engine as the development tool to realize the first person virtual roaming of the party construction exhibition hall project， which can provide panoramic display， scene roaming， historical event introduction and other services for the experimenters. Make students become direct participants in the scene， improve students immersion and interaction， make them more intuitively feel the three-dimensional space， find and solve the problems existing in the project， so as to improve students ability of autonomous learning and problem-solving.

Keywords： VR technology; scene roaming; party construction exhibition hall

0 ?引 ?言

虛擬現實技術（Virtual Reality， VR）是20世紀發展起來的一項全新的實用技術，同時也是一種多學科綜合交叉的技術。由于基于VR技術開發制作的虛擬場景，可以讓用戶在體驗項目時獲得身臨其境的感受，還可以通過事先制作完備的交互設計，幫助用戶實現全景漫游、360°賞析物品等功能，因此VR技術被廣泛應用于虛擬建筑漫游、城市規劃等領域。本文以黨建展覽館為例，基于VR技術進行項目的開發與制作，由于項目具有實現第一人稱視角漫游和實時交互等優勢，扭轉以往消費者所得到的大都是圖片、視頻等形式二維視覺效果的弊端，提高消費者的三維空間感受，具有一定的實用價值。

1 ?虛擬場景漫游

虛擬場景漫游是虛擬漫游的一個方面，是虛擬場景搭建與虛擬漫游技術的結合，因其具有很強的沉浸性、交互性、構想性，擺脫了在MAYA、3D MAX軟件中沿用固定的攝像機路徑進行漫游的單一形式，這種漫游更加自由、靈活、方便。所以在虛擬展覽館、虛擬景點旅游、城市規劃、建筑設計等領域應用較為廣泛。目前，在虛擬場景漫游項目的制作中，使用三維軟件進行場景搭建是基礎，而虛擬現實引擎是實現漫游、交互的關鍵。

2 ?Unity3D引擎

Unity3D引擎是一款可以實現3D互動內容創作和運營的虛擬現實引擎。目前，該引擎是我校“虛擬現實技術”課程中使用的虛擬現實引擎，也有很多高校和企業都在利用該引擎進行項目的開發。由于可以將項目發布到PC端、安卓端等端口供用戶體驗，如若再配以專業的硬件設備，則可以讓用戶感受到身臨其境的效果，被廣泛應用于ATM、AEC、游戲、影視動畫以及Untiy教育等領域。

3 ?VR黨建展覽館整體設計與制作

本文所開發的VR黨建展覽館，是“虛擬現實技術”課程中的一個綜合項目，其中在模型創建環節主要使用MAYA軟件，貼圖使用的是Photoshop軟件，運行引擎使用的則是Untiy 3D軟件。在MAYA和Photoshop中進行模型和場景美術制作，在Unity3D虛擬現實引擎中完成場景漫游和交互設計與制作，如圖1所示。

3.1 ?場景搭建和美術設計

該環節主要是通過MAYA軟件來完成，基本流程包括建模、貼圖、渲染等。側重于考查學生對場景搭建的整體把握：

（1）展覽館墻體模型制作。展覽館內部墻體為白色，前后有兩個門，兩面墻上有英雄人物介紹，一面墻上有長條狀LED顯示屏，屋頂有五星形狀的燈具。整體布局數據為，長30米、寬6米、高4米。在建模環節，主要利用長方體進行墻體的制作，如圖2所示。

（2）兩個展臺模型制作。本次制作的內容是展覽館中的一間展覽室，因此所需模型的數量較多，其中還包括兩個展臺，所以各個展臺的位置、比例都需要提前設計好。展臺高為1.2米，寬為1.2米，玻璃架外寬為1.4米，如圖3所示。

（3）LED顯示屏模型制作。通過縮放擠出等命令由長方體變形而來，長3.5米，高1.2米。主要用來播放相關視頻，豐富展覽館的內部環境，如圖4所示。

（4）汽車、槍支模型制作。這兩個模型是主要的展示物品，需要仔細認真地完成每一個制作環節，例如：輪胎、車門、車座椅等模型都需要制作。然而由于模型細節過多，若一一制作，過多的面數必定會影響項目運行速度，所以對汽車和槍支內部不可見的零件進行了簡化處理，如圖5所示。

（5）人物展板模型制作。主要是在長方體的基礎上，按照一定的尺寸進行縮放擠出，此外還需執行復制、擺放步驟。

3.2 ?美術設計

美術設計主要是針對預想的畫面效果，對模型進行UV拆分，然后使用Photoshop軟件進行貼圖的繪制與處理。該項目中第一類貼圖的制作主要是對現有素材進行校色、剪切、摳圖等處理;由于場景中一些特定的圖形圖案需要制作者親自設計，因此第二類貼圖的制作基本上是由制作者自己繪制的。

主要考查學生對燈光、色彩的掌握情況：

（1）展覽館墻體貼圖制作。由于展覽館墻體不會有過多的圖案，因此展覽館墻體貼圖采用的是整體亮白色。

（2）人物展板貼圖制作。這部分貼圖制作工作量比較大，展板數量多，需要在Photoshop軟件中逐一調整素材大小比例關系，最終在MAYA軟件中將貼圖指定給模型。

（3）汽車、槍支貼圖制作。在建模時考慮到面數過多會影響場景在Untiy 3D引擎中的運行效率，對模型進行了相應的簡化處理。為此對這兩個模型貼圖的繪制要精細、逼真，除了常規的color貼圖之外，還繪制了凹凸貼圖，通過貼圖的細節彌補模型細節方面的缺失，從而提高體驗者的視覺效果，如圖6所示。

3.3 ?漫游環節效果制作

在將模型導入Unity3D引擎之前，對場景進行了清理和優化：

（1）刪減重疊的面，尤其是刪掉在漫游過程中看不到的面。

（2）過濾掉不需要的材質球、空組、空節點等無效數據。

（3）刪除在模型制作階段創建的所有燈光、攝像機，避免與Untiy 3D引擎中的燈光、相機產生沖突。

在Unity3D中新建一個項目文件并以英文命名，這樣可以避免文件損壞。然后，將搭建好的場景導入Unity 3D中，為下一步的工作做好準備。

制作自動漫游大致分為兩步：

（1）第一人稱視角的漫游效果制作。首先，在場景中加載、激活Xdreamer插件，創建一個Xdreamer根節點;然后，新建一個“行走相機”，這樣就可以通過W、A、S、D四個按鍵實現模擬人走路的視角;最后，創建碰撞體，避免行走相機穿出墻體，如圖7所示。

（2）自動漫游效果制作。在已創建Xdreamer根節點的基礎上，新建一個“動畫相機”，然后根據展覽館內部的空間布局，新建多個cube作為錨點，將它們放置在設計好的路線上形成一條路徑，用來控制漫游相機的移動路徑，通過鼠標點擊“動畫相機”按鈕即可以實現自動漫游效果，如圖8所示。

3.4 ?交互功能制作

交互功能的制作，能夠實現人與環境的互動，本項目中主要圍繞以下三種交互功能進行制作：

（1）汽車、槍支模型旋轉效果制作。首先，新建一個button，將其命名為“坦克旋轉”，將按鈕的文本名稱改為“汽車自動旋轉”;然后，新建一個狀態機，創建“按鈕點擊”組件，并且對“按鈕點擊”組件進行重命名，分別為“汽車旋轉”和“槍支旋轉”，將“汽車旋轉”和“槍支旋轉”的按鈕組件拖拽到“按鈕點擊”屬性中的插槽里面;最后到狀態庫中找到“自動旋轉”組件，將汽車模型、槍支模型分別拖到“旋轉”組件對象節點上，然后測試、調整旋轉一周使用的時間和鼠標旋轉時的速率，邏輯交互編輯連接：“進入”—“汽車旋轉”/“槍支旋轉”—“自動旋轉”。

（2）熱點介紹效果制作。首先，在編輯器窗口中找到所需的工具包，新建“熱點”（關閉自動縮放功能）調整大小比例和位置;然后，新建一個“image”，選擇之前在Photoshop中制作的圖案將其導入到image中;最后，新建一個文本框，輸入與人物相符的簡介，調整文本的字體、字號、顏色、行間距等項目。其他的人物介紹或物品介紹與所舉例子相同，因此可以通過復制的方法，快速設計、制作出其他項目的文字介紹，但是文本介紹必須與人物信息相符。邏輯交互編輯連接：“進入”—“熱點點擊”—“文字介紹”。

（3）多媒體素材的播放與暫停。首先，創建Xdreamer根節點，將所需的視頻素材先后拖入到資源面板、項目制作窗口，關閉Paly on Awake屬性（運行狀態下自動播放），命名為“視頻”;然后，創建一個按鈕，并且將按鈕名稱改為“視頻播放”;最后，在狀態庫/多媒體選擇“視頻”組件中，將視頻素材拖拽到“視頻”組件屬性中的“視頻源”節點上。邏輯交互編輯連接：“進入”—“視頻播放”，如圖9所示。

3.5 ?界面布局及UI設計與制作

在VR黨建展覽館項目的開發制作過程中，使用Photoshop軟件進行UI的設計與制作，主要使用了鋼筆、仿制圖章等工具，用到的UI圖標很多，例如：行走相機、漫游相機、視頻播放等。該環節最重要的目標是使UI風格統一、顏色統一、比例統一，如圖10所示。

3.6 ?項目功能測試與發布效果制作

在這一測試環節中，最重要的一點是測試運行狀態下漫游功能及交互功能能否順利實現，有沒有運行上的BUG;另一點是檢查界面布局是否美觀、大方，是否存在不合理的地方，如存在不合理之處則再次修改和完善，直至項目的運行和界面布局沒有任何瑕疵，最后執行“發布”。

4 ?結 ?論

虛擬現實場景漫游技術是虛擬現實技術中的一個模塊，也是一項綜合的計算機技術。本文所開發的VR黨建展覽館是課程教學中一個綜合的教學項目，使用MAYA、Photoshop和Unity3D三個軟件實現了黨建展覽館兩種不同的漫游方式，以及多個交互設計。以實際的項目開發和制作為載體，提高課程的教學效果，激發學生的主觀能動性，提升學生的操作技能和解決實際問題的能力。

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作者簡介：劉丙浩（1993.03—），男，漢族，山東濱州人，講師，碩士，研究方向：數字媒體藝術、新媒體;李佳奇（1994.08—），女，漢族，河北石家莊人，助教，碩士，研究方向：環境藝術設計。