虚拟现实技术漫游系统在轨道车辆上的研究及应用

李芳　邱利伟　王会艳

【摘 要】研究轨道车辆虚拟展示及漫游系统，以3ds Max和Virtools为开发工具，采用轻量化建模方法，解决了海量数据渲染慢和人机实时交互困难的问题。建立虚拟展示平台，实现以虚拟样车代替实物模型，为进行产品虚拟体验及设计方案提供了展示平台和技术手段。

【关键词】虚拟展示；轻量化；人机交互

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0245-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.115

Research and application of virtual reality technology roaming system in track vehicle

LI Fang QIU Li-wei WANG Hui-yan

（zhongche tangshan locomotive vehicle co.， LTD.，Tangshan Hebei 063000，China）

【Abstract】To study the virtual display and roaming system of rail vehicles， with 3ds Max and Virtools as development tools，a lightweight modeling method is used to solve the problem of massive data rendering and real-time interaction between man and machine. The virtual display platform is established to replace the physical model with virtual prototype， and the platform and technical means are provided for the product virtual experience and design scheme.

【Key words】Virtual display； Lightweight； The human-computer interaction

0 前言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。现阶段，虚拟现实技术已经被广泛应在工业、医学、航空、教育等多个领域，取得了很大成就。构建的轨道列车虚拟展示系统，解决海量数据渲染慢和人机实时交互困难的问题，促进铁路行业的发展水平是势在必行的。借助虚拟现实漫游展示系统实现轨道车辆的虚拟展示，为进行造型、内装布置及美工方案变化等提供更先进的研发手段，为设计方案的评审、展示及为公司对新产品进行决策提供方便。将虚拟展示技术应用到轨道列车设计中，可大大减少实物模型和样车的制造，减少开发成本，缩短开发周期；通过模拟真实场景，供参观者深入体验产品的优势与特色，能展示公司研发制造能力，协助市场营销，提升企业形象与知名度。

1 虚拟现实漫游系统功能设计

构建轨道列车虚拟展示系统，需要实现列车的外观和内饰漫游展示、列车驾驶控制、多种设计方案的设备模型切换、颜色纹理切化等功能，及总体天气系统界面设计。总体技术路线规划如下图1：

2 虚拟现实漫游系统数据处理

2.1 三维模型的数据轻量化

虚拟现实场景在计算机上运行是否流畅，与场景中的模型个数、模型面数、模型贴图这三个方面的数据量相关。轨道列车工程数据量庞大，必须进行模型精简，只有在前期制作中处理好这三个方面的数据量，以创建出最优化的虚拟现实场景，才能在后期运行时保持较好的帧速率，避免出现运行不流畅、卡帧、停顿等现象。

①减少模型的面数和数量。采用3ds Max多边形建模方法，对看不见的地方不用建模，或者删除看不见的面。这样做有利于提高贴图的利用率，降低整个场景的面数，以提高交互场景的运行速度。

②对于复杂图形采用纹理映射。对于复杂图形采用纹理贴图的方式来代替多边形表示模型的细节，从而减少模型的数量，如顶部格栅和通风孔的模型，数量大面数多，实时渲染时会出现锯齿与闪烁现象，利用贴图的方式来表现，效果细腻，真实感也很强。

③尽量使用规范和不易混淆的命名规则。模型命名还不规范时，制作虚拟现实交互容易给程序员造成混淆，影响交互功能的制作。

2.2 烘焙技术的应用

烘焙（Render To Texture）技术就是将3ds Max场景中的光影信息渲染成一张贴图的方式，而后把这个烘焙好的贴图导入到Virtools编辑器中，再贴回到场景中去，从而得到一个具有真实光影效果的虚拟现实场景。烘培前需要通过多角度地渲染效果图，来查看灯光效果，以达到后理想的展示效果。

①使用Lighting Map的烘焙方式具有很大优势。它支持大部分的材质，如多维材质、复合材质等，它仅记录光线明暗信息，烘焙出来的效果光感好。而且Lighting Map后的模型贴图坐标可以再次更改，发现贴图坐标不合适时，可以返回到Max里重新调整后无需再次进行烘焙，导入Virtools编辑器里，其烘焙效果依然存在，避免重复工作。

②适当地降低烘焙时的纹理尺寸。众所周知，纹理图越大渲染的效果就越好。烘焙纹理也是一样。烘焙纹理的大小直接影响最終效果。但纹理过大，对计算机的系统资源的消耗也就越大，渲染速度也会相对变得很慢。因此，对于一个复杂的场景，需要有计划地进行烘焙设置，对表面积比较大的、多边形面复杂的应优先考虑使用较大的纹理尺寸。这样便可节约有限的系统资源，从而获得高质高效的烘焙结果。

③UV平铺参数在烘培过程需手动编辑。虽然3ds Max可以自动生成UV平铺参数，操作非常便捷，但它的平铺结果时常不能让人满意。从烘焙后的结果可以看出，纹理图中很多空间浪费，并且当物体多边形既复杂又非常细小时，总是会不可避免的产生一些过小的簇，这些簇在烘焙时常常被忽略，造成黑块和黑斑。只有通过手工调节才可以解决这一问题。并能较为有效、合理地利用有限的面积，提高烘焙纹理的利用率。

2.3 动态载入技术的应用

虚拟现实作品的运行画面每一帧都是靠显卡和CPU实时计算出来的，载入图片以及压缩成预览图对硬件的消耗较大，一次将这些图片全部载入系统会耗费非常多的时间，还有可能造成程序的长时间不响应。因此在Virtools中采用了动态载入技术，进行实时场景优化，使列车在进行漫游展示的时候只载入当前画面的模型和图片，隐藏视野之外的场景，以降低硬件的承受压力，提高演示质量。

2.4 模块的封装

Virtools中为场景添加交互是通过行为模块（BB）实现的，使用“Draw Behavior Graph”命令，将各个结构模块进行封装，组成一个BB系统，并把必要的可调参数“拉”出来，以便以后的自定义设置，图3是对于“模块”的封装，它可以方便的装配在场景中的其它模型上，可应用于各类基于Virtools开发的虚拟现实产品中。

3 虚拟现实漫游系统功能实现

通過对虚拟现实技术的研究构建的轨道列车虚拟展示系统，可满足人机交互、动态漫游、方案变换等。

3.1 漫游展示功能

采用动态展示技术，虚拟漫游环境的图形渲染是“实时”的，可以任意设置视点，控制前后左右移动，并依据在车厢内人眼的视觉活动范围设定摄像机视角为向上30°向下150°之间自由旋转，通过双击鼠标实现局部视图放大功能。系统提供自动漫游和手动漫游两种方式自由切换。

3.2 系统界面设计

虚拟列车漫游展示系统界面设计，按钮采用二维帧添加材质，给材质添加附有相应功能文字的图片，通过BB实现点击触发命令。点击上方三角按钮可使整个菜单出现或隐藏，通过该菜单可以快速的进入各个车厢，切换手动漫游和自动漫游方式，进行天气功能切换，声音及背景音乐的开关，打开操作帮助说明文档等。

3.3 模拟列车驾驶

模拟列车启动状态，点击启动按钮，列车受电弓升起，然后推动速度手柄，列车随之启动，速度逐渐达到最高速，最后模拟车辆进站。监测驾驶室内速度手柄推上去多少，反馈回列车当前的目标速度。根据列车的目标速度渐进加速或减速。并根据实际速度移动列车。当列车接近到车站1公里范围内时，列车转由车站控制进站减速，并停靠正确的位置。停靠完成后，用户可以再次推速度手柄启动列车。

3.4 门的开关控制

在列车中漫游过程中，通过触发条件检测，可实现自动开门及关门。开关动画通常在3ds Max中事先设定好，导入Virtools之后通过触发条件检测，执行开门和关门的动画。也可以在Virtools中使用脚本控制，通过点击按钮触发。

3.5 方案材质颜色变换选择

通过鼠标检测漫游快捷键激活该部位能够实现的交互需求，可以方便的选择取可切换的内容。如操纵台方案可选择切换、座椅面料纹理可选择切换等。

3.6 数据处理

列车虚拟现实系统制作完成之后，直接将整个作品以CMO文件格式保存，在需要的时候可以再进行修改和编辑，以满足不断发展的各种功能需求。把整个作品以VMO文件格式保存，这种文件可以直接传播或者发布到网络上，需要用户安装Virtools Web Player播放插件，就可以进行交互操作，我们通常进行方案演示也是通过这种格式进行的。利用Virtools提供的SDK开发工具包，将作品打包成单一的EXE文件，这样系统就可以在任何的WINDOWS平台直接运行。

4 结束语

通过虚拟现实技术漫游系统在轨道车辆上的应用研究，解决了海量数据渲染慢和人机实时交互困难的问题，设计和实现了一个可以应用于基于Virtools的各类虚拟轨道列车的漫游展示系统，漫游及交互功能的实现，为进行轨道列车虚拟体验及设计方案等提供了展示平台和技术手段。

【参考文献】

[1]李苏阳.《3ds max动画设计与制作》. 北京电子工业出版社，2010.

[2]法国达索公司. 《Virtools Bible》.

[3]谢阳等.《基于Virtools的虚拟商场漫游系统的设计与实现》. 辽宁石油化工大学学报，2012.