VR技术在数字场馆中的应用

王栋

摘要：在全球化、信息化、数字化的今天，VR作为先进的信息化、数字化技术，成为科技领域的一个重要入口，在模拟的三维虚拟世界中，使用者能够享受更加真实、感同身受的体验，是一种全新人机交互的形式，近年来虚拟现实产品获得了广泛的发展，本文研究VR技术在数字场馆中的应用。

关键词：VR 三维虚拟建模; 数字场馆

VR是一门新兴的信息技术，其能创造逼真的应用场景，让使用者体验到了从未有过的真实感，提供与场景的良好互动等特性，日益受到人们的欢迎和关注，未来随着VR的发展和普及，VR将被应用于许多行业，如展览、医疗、地产、旅游、培训等，我们甚至可以预见，VR将会影响我们的生活习惯，与我们的日常紧密结合起来。总之，VR是互联网智能终端硬件发展的必然趋势，将颠覆重塑众多领域的生活生产形态，具有广阔的应用领域和市场前景。[1]

在虚拟环境中，通过相应的设备，用户可以与环境产生相互作用，根据用户的操作，环境会作出相应的反应，用户从而很自然的与虚拟世界中的对象进行交流，用户从观察者成为此环境的主人，用户感觉进入了真实世界，VR提供了一个可以拓展思维想象的空间，这个空间可以设置为不受限制的现实空间，乃至现实中不可达的场景。从仿真技术研发角度来说，VR技术是仿真技术研发的一个重要方向，也是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。[2]

1 场馆三维虚拟建模

场馆三维虚拟建模主要是进行场馆漫游系统虚拟设计，在众多因素中，视觉是最真观、形象的用户体验，因此形象、逼真的呈现场景成为重要的功能需求，场馆三维虚拟建模是基于图形和图像的混合建模。

首先从几何建模来说，利用计算机输出几何实体，采用表示、控制、分析方法，利用已有的三维造型软件，对虚拟的实体和环境的外观采用人工建模方式进行处理，用计算机画出许多各种多边形所模拟的立方体外形，也即形体的描述和表达。其次基于图像建模就是建立物体的几何模型，几何模型利用图像（真实物照片）来做，基于图像来确定物体外观、物体几何结构、动力学特性、光照明特性、反射特性。最后基于图像的建模仅能提供虚拟环境，没有实体场景对比，这种环境中难以实现用户与实体之间的交互，如果用户需要与场景中对象进行交互，这种对象须是几何模型实体，虚拟建模的设计结果是要求具有逼真度、真实感、实时性，而基于图形和图像混合建模技术具备了这样的优势。

准备制作场馆三维虚拟建模所需要的资料，收集CAD图纸及相关数据资料，对CAD图纸进行信息过滤，去掉图层中不需要的部分，对于必须存在的图层如：场馆里的房间、标志、照明等要保留下来。由于三维场馆模型图建立在二维场馆平面模型图的基础之上，所以二维场馆平面图的数据准确度、比例是否合适，对于三维场馆虚拟图的作用至关重要。二维场馆虚拟建模底图完成后，导入到3ds Max中，3ds Max是集建模、材料、灯光、渲染、动画、输出等于一体的全方位3D制作软件，它可以为创作者提供多方面的选择，满足不同的需要。[3]创建模型时须要关心到的是，如果这个面是看不见的，可以删掉，如果地方是看不见的，不需要建模，从而降低场景面数，提高场景交互运行速度。场馆房间场景建模，房间分为办公区和公共区，办公区供场馆工作人员使用，公共区为公众使用的房间如健身房、阅读区等，场馆里灯模型的创建使用十字面片方法，模型被创造在可视纹理的平面物体上，场馆里路面建模时，对底图进行场馆路面空出，使用环境反衬方法进行。

2 模型纹理贴图

在贴图时要具有对场馆的真实理解和分析，贴图的质量和尺寸直接影响了模型的美观程度，经过细致的调整贴图才能使虚拟场景拥有体验的真实感。制作纹理贴图可以利用相机实地拍摄的方法，采集场馆的纹理图片，建议使用三脚架固定拍摄，这样正射贴图纹理更自然、真实，如果有无法拍摄的位置，可以使用相关纹理在Photoshop软件里绘制。拍摄出来的图片在Photoshop软件里，利用位移和仿制等工具把图片处理成无缝贴图。在做模型之前需要整理出自己的贴图库，这样在做模型的时候，从贴图库里能找到对应的贴图，贴的就比较方便了。贴图库按照类型进行归类，贴图的名称按照场景模型名称保存，贴图不能出现前缀名相同情况，否则在烘焙后系统自动将名称相同贴图转化，在导入VRP后，其中一张前缀名相同的贴图会被另一张贴图所取代。在虚拟场景中，如果场景容纳的数据量很大，那么需要对该场景进行优化，通过简单模型和合适贴图来展现，同时在虚拟场景中，建议使用最少的面数模型和最少的贴图来实现。采用纹理贴图建模可以简化模型复杂过程进行细节处理，相对固定材质更有真实效果。

3 场景烘焙制作

将场景中所布置好的灯光效果与贴图的纹理结合，运行转变成新的贴图，再贴回原模型，目的是为了得到具有光影效果场景。烘焙前的检查很重要，要先对虚拟展示场景的各个角度进行渲染，观察是否有重叠、破面等不理想的情况，进行调整，通过渲染的效果观察灯光效果，这也是节约虚拟展示场景制作时间的必要工作。在烘培的时候有时可能会出现软件崩溃，所以及时做好备份，方便及时找到文件再次烘焙。烘焙完成后导入到VRP软件平台的贴图是纹理与光照结合成的新贴图展示，这样以普通贴图的方式就能达到较好的虚拟展示。数字场馆场景模型较多，在制作时的烘焙速度跟计算机的性能有直接关系。当多边形与面之间细密存在的物体进行UV平铺设置时，会出现很小的簇，导致整体场景会出现黑斑、黑块现象，这时可以在合理范围内，把Threshold Angle值增加或者手工调节簇等。从烘培对模型的要求来说虚拟场景初始建模时尽可能避开多边形密集分布的地方，这样可以更好的提高烘培质量。

4 虚拟场馆交互设计

完成了上面的内容之后，三维场馆虚拟图的设计场景依然只是一个静态的场景，交互设计是能让场景动起来的重要步骤，交互设计可以让用户与虚拟场馆中的对象模型进行实时的交流互动。在VRP 中构建 GUI 窗口，进行风格、尺寸等属性设定，进行该窗口导入并设定内容，进行结构布局分配。首先是VRP 编辑器，我们可以利用它进行 3D 场景向 VRP 编辑界面导入进行编辑与制作的操作。其次是VRP脚本编辑器，利用该编辑器可以根据场馆需要来设置各种交互功能，它是所有交互脚本的一个集合，可以通过它给模型、图片等添加交互脚本。对于系统函数来说，是自带函数，如在程序运行时，进行变量值设置、开启背景音乐等。所用触发函数响应VRP场景的鼠标移出、移出模型等触发事件。最后是ATX 动态贴图编辑器，该编辑器用于编辑动画贴图，为了实现场馆视觉的真实感，用户可借助它编辑独立帧文件，设置每帧的停留时长，从而做到非等时动画序列，在做这种效果时，先制作类似的模型，然后结合动态贴图，效果会更好。在运行时，可看到模型显示的是动态图片，类似于avi效果。如场馆里的景观处的喷泉就是以ATX动态贴图实现。

5 生成文件发布

在用VRP编辑器制作调整好场馆虚拟设计场景之后，需要将做好的场景打包，通过VRP 编辑器的打包功能，编译成可执行文件，生成虛拟数字场馆系统，如果要增强场景的漫游功能效果，可利用脚本编辑器进行干预，完成解说、音乐等添加。

6 结束语

通过VR技术创造出虚拟数字场馆，用户虽然接触的是虚拟现实技术创建的模型，但用户感觉到如同在真实世界中一样的感觉，而过去的人机交互所无可比拟的，而从数字场馆的应用我们也可以推导出，VR技术将越来越深入到我们平常的工作、生活、学习中，我们也可以预见，VR技术将得到更好的发展，更好的服务于人们。

参考文献

[1]杨栗洋，陈建英，曾华林.  VR战略：从虚拟到现实的商业革命[M]. 北京：中国铁道出版社，2017.

[2]周锡冰.  VR新未来[M]. 北京：中国人民大学出版社，2018.

[3]易盛. 虚拟现实：沉浸于VR梦境[M]. 北京：清华大学出版社，2019.