基于Android虚拟现实系统的设计

刘红 王艳艳 北方工业大学 电子信息工程学院通信工程系

1 基于Android的虚拟现实系统的技术优势

信息时代促进了Android移动终端技术与虚拟现实技术的发展与融合。这两种技术的迅速发展，为人们提供了更人性化的便捷服务。基于Android的虚拟现实系统，用户直接使用制作好的虚拟摇杆UI,不需要复杂的输入设备就能实现对系统的操作，及时的在便于携带的Android移动终端实时查看场景变化，不受网络，时间，地点的限制。

2 系统的开发流程及关键技术

2.1 开发流程

本系统的开发,第一部分的主要工作是利用3ds Max建模工具创建毛泽东故居的3D模型，然后在Phtooshop软件制作故居周围环境的纹理贴图，将制作好的纹理贴图赋予给模型，并导出模型为FBX格式，完成模型的导出工作；第二部分的主要工作是将模型导入到Unity工程中，渲染场景，设置场景参数，给模型添加AudioSouse脚本，导入EasyTouch5.0.12资源包，制作虚拟摇杆UI，并编写互动脚本。完成基于Android虚拟现实系统操作，系统开发流程如图1所示：

图1 系统开发流程

2.2 关键技术

2.2.1 摄像机运动

摄像机是一个非常重要的用于显示虚拟场景的组件，在Unity3D的摄像机用来将虚拟场景呈现到屏幕上。摄像机可以用Perspective（透视）或Orthographic（正交）方式投影渲染对象。本系统采用摄像机的正交投影，运用“Up”、“Down”、“Left”、“Right”键控制摄影机向左、向右、向前、向后运动。设置摄像机渲染路径，利用鼠标、摇杆等输入设备控制虚拟场景漫游的观察角度，实现第一人称场景漫游。

2.2.2 碰撞检测

碰撞检测是两个物体相互接近利用碰撞器来检测对象是否发生碰撞，通过PlayerSlideDoor对象进行控制碰撞器被触发，PlayerSlideDoor对象绑定TriggerOnTag脚本处理碰撞。碰撞器是Unity3D开发平台中的组件，它包含诸如BoxCollider，CapsuleCollider，SphereCollider，MeshCollider，WheelCollider，TerrianCollider等类，这些碰撞器应用的场合不同，本系统选择BoxCollider，首先为碰撞检测的对象添加BoxCollider，开启触发器功能，再修改其size属性，确保可以完全包围待检测对象，最后设置BoxCollider的IsTrigger属性为ture。完成以上步骤之后，通过TriggerOnTag脚本处理碰撞事件，编写互动脚本，并将其指定于待检测对象。

2.2.3 3D拾取

在虚拟环境漫游过程中，用户需要通过触击2D屏幕浏览3D物品，或利用鼠标选取环境中的物体进行操作，这个过程需要3D拾取技术。3D拾取是将2D信息转化成3D信息，所以必须对信息进行相应处理，通过计算得出正确的结果。

3D拾取技术之所以复杂，是因为该技术跨越了流水线的多个阶段。从摄像机投射空间到viewport的变换中，摄像空间中的一个顶点v经过线性插值变换将投影平面上的2D投影点变换到齐次裁剪空间CVV中，通过CVV裁剪，并且顶点进行透视除法，将从4D齐次形式变回成3D齐次形式，再经过Viewport Transformation最终将点变换到viewport中。将点的位置信息进行处理后，再通过逆处理将顶点从viewport中变换到投影平面。因此用户在手机屏幕上点击一个位置，即点击事件的触发，实际上得到的是viewport中的点击位置，标记为p0（XP0,YP0），通过线性插值公式如公式（1），把P0变换到CVV中得到P1（XP1,YP1），紧接着将P1通过线性插值的逆运算变换到plane of projection中，得到P2（XP2,YP2），X方向的线性插值逆运算变换公式如公式（2）所示：Y方向变换公式同理计算。P2就是点击的位置处于投影面的2D点，拾取一个3D对象，需要将2D信息拓展到3D中，需要进行线性模型中的射线ray方式，在屏幕上点击位置确定一条射线，射线射向3D模型，从摄像机到屏幕空间的触摸点发出一条射线，这条射线第一个撞到的3D物体默认是被选中的物体。

3 系统实现

3.1 3D模型的构建

三维虚拟毛泽东故居构建需要注意场景尺寸、单位长度、模型塌陷、命名、坐标、贴图格式、材质等。制作流程如图2所示：

图2 3D模型制作流程

3.2 毛泽东故居模型

从3ds Max导入到Unity3D的Assets文件中，需要注意3ds Max和Unity3D两个软件中默认的单位长度，为了最大程度地简化3ds Max导出及Unity3D导入FBX文件的工作，3d Max系统单位设置为“厘米”，Unity3D系统单位设置为“米”。三维虚拟毛泽东故居场景构建设计如图3所示：

图3 场景构建设计

3.3 毛泽东故居的场景优化

资源的使用会影响性能，所以完成场景构建后需要场景优化。为了优化场景，则需减少模型数量，所以可以将相同材质的模型合并在一起；减少材质贴图数量，可以将多张贴图合并，模型共享一张贴图，并且尽可能压缩贴图，减少位数。

3.4 虚拟毛泽东故居发布与展示

在安卓端的产品使用方法比较简单，如图4所示，首先把虚拟毛泽东故居app拷贝到安卓手机中，或者通过扫描生成的二维码，然后安装，打开app运行，这样就可以体检虚拟毛泽东故居3D漫游。手机界面效果如图5所示。

图4 毛泽东故居app安装流程

图5 手机界面效果

4 结束语

本文以3ds Max为工具完成建模,利

用unity3d引擎，采用C#编写脚本，使用摄像机运动，碰撞检测等关键技术设计虚拟毛泽东故居系统，系统通过虚拟摇杆控制移动操作实现环境漫游及场景切换，展示室外构造及周围环境的功能。系统设计简单方便,开发成本低,场景的真实感和交互性在Android移动终端完全能够满足用户需求。

基于Android虚拟现实系统设计，探索了通过可游、可视、可互动、可听的有趣虚拟展示方式让用户感受良好的情境体验，更有助于用户的信息感知。同时也是对毛泽东故居历史文化传播方式的新探索。虚拟现实技术时代的出现，将给各个领域带来全新的体验和变化，推动了新时代的经济发展，并且给人们带来生活方式的改善和社会的进步。

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