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标题	基于VR技术的虚拟仿真生活体验馆设计与实现
范文	胡萍+蒋纪平+赵明富+刘媛媛 摘要：虚拟现实技术通过计算机控制系统形成三维空间场景，使个体沉浸于虚拟环境中，提升个体在虚拟环境中的交互能力。运用虚拟现实技术，结合新乡市荷叶鲫鱼农民专业合作社发展现状，构建虚拟场景模型，运用图、文、动画等多媒体技术，开发具有交互功能的仿真生活体验馆，探讨了虚拟仿真交互技术在水产业中的应用开发价值。 关键词：虚拟现实技术；虚拟仿真生活体验馆；荷叶鲫鱼；3ds Max；VRP 中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2017）004010303 0引言 随着计算机技术和三维图形软件的发展，利用数字化手段对真实场景仿真的虚拟技术成为计算机应用领域热点。虚拟仿真生活体验馆不受时空限制，与传统会展结合，能更好更快地传递信息。将虚拟仿真交互技术应用到水产业中，根据养殖基地真实场景和产品情况生成逼真的三维场景，用户通过鼠标或键盘点击拖拽，身临其境地漫游在体验馆中，与环境和产品交互，得到全新的体验。该技术极大地提高了农业水产品资源利用率，有效促进了农业信息化发展。 1虚拟现实技术及系统开发工具 1.1虚拟现实技术 虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或幻真技术。虚拟现实是用现代高科技手段虚构出来的一种人工模拟现实环境，它能模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能。虚拟现实技术的最终目的是提高人的认知能力，促进人与环境交流，更深入开发人类智慧[1]。虚拟现实技术通过计算机控制系统形成三维图形空间，利用跟踪技术、人机接口技术、传感技术、人工智能技术等产生逼真的“虚拟环境”，使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。 1.2系统开发工具 本文运用虚拟现实技术及建模软件进行设计，使用的软件有： 3ds Max，即3D Studio Max，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，是目前应用最广泛的三维动画制作软件，具有强大的建模、动画、材质和渲染功能。 VRP：Virtual Reality Platform，简称VR-Platform或VRP，即虚拟现实平台。VRP是一款由中视典数字科技有限公司独立开发的一款虚拟现实软件，可以较好地进行三维场景模型导入、后期编辑、交互操作、特效操作、界面设计及打包发布等。 Photoshop：处理或绘制三维贴图，为模型制作精良贴图。 2设计思路 新乡市卫滨区荷叶鲫鱼农民专业合作社是一家集水产养殖、休闲垂钓、品牌化运营、无公害水产品专卖、农超对接于一体的专业合作经济组织[2]，由一个体验中心和3个养殖鱼塘组成。合作社主养鱼类品种为淇河鲫鱼和彭泽鲫鱼，严格按照国家无公害標准进行生态养殖。模拟荷叶鲫鱼农民合作社养殖基地的虚拟仿真生活体验馆，辅助人们感受水产虚拟环境，供消费者和相关技术人员参观学习，指导鲫鱼养殖技术推广，推动农产品销售。 开发流程：前期结合数码相机和Photoshop获得虚拟现实模型的纹理贴图；中期使用3ds Max搭建虚拟模型；后期将构建模型导入虚拟交互平台软件VRP中进行场景驱动，并设置漫游和交互，如图1所示。 3设计与实现 3.1前期分析 建模开始之前要进行场景分析，即分析场景建筑、场景环境、场景布局、基础设施等。主要数据资料有：①纹理数据采集。前期使用数码相机现场拍摄，后期利用Photoshop进行处理，制作成三维模型的材质贴图，使整体效果更贴近真实场景；②建筑物尺寸。合作社提供房屋、鱼塘等大型建筑的相关数据，按照实物建筑1：1建模；③其它数据资料。场景中其它细小模型相关数据来源于实地测量。 3.2模型构建 3.2.1模型建立 模型是整个虚拟仿真生活体验馆设计的基础，它的好坏及逼真度直接影响整个虚拟环境的真实性，常规建模方式主要有两种：①采用标准几何体建模，该建模方式较为简便并且便于后期贴图；②采用标准几何体模型组合方法建模，通过纹理添加使模型逼真，既简化建模过程，缩小文件容量，又不影响模型整体效果。此外，在建模中应遵循一个原则：在保证视觉对象不失真的前提下，尽量采用最简单的模型[3]。 根据以上要求，荷叶鲫鱼虚拟仿真生活体验馆的场景模型设计为3个部分： （1）房屋及鱼塘模型。场景模型中有一个荷叶鲫鱼体验中心和3个养殖鱼塘。体验中心建模主要根据相关数据制作相应的标准几何体模型，将标准几何体模型组合成完整的体验中心模型；鱼塘及鱼塘周围的土壤建模主要使用“线”绘制出基本轮廓，再通过挤压操作形成面片效果。 （2）场景中栏杆及其它模型。场景中的栏杆虽然不是重点模型，但比例相当大，也是整个场景中不可或缺的部分。栏杆模型的构建与房屋及鱼塘方法不同，必须使用圆柱体构建模型。一个圆柱体模型至少需要14个侧面才能保证其轮廓完整，本文大面积的栏杆建模需要将近1 500根大小长短不一的圆柱体，栏杆模型中至少有24 000个面数，建模工作量大。结合场景及栏杆特点，采取建立高精度模型方案，对其渲染并保存为PNG图片，如图2所示。再新建一个平面模型，将保存的PNG图片赋给平面，即通过贴图平面来表现栏杆模型，如图3所示。这样，经过高精度建模后只需要一个面就可以达到完全相同的效果。通过该表现手法制作出来的栏杆虽然提高了渲染速度及系统实时性，但视觉对象缺少一定的真实性，即在顶视图中模型缺乏立体感。因此，栏杆模型顶部的圆柱依然采用标准圆柱体来表现。 荷叶鲫鱼农民专业合作社中除了荷叶鲫鱼体验中心、鱼塘和栏杆外，还有如自动投料机、门亭、马路等。这些模型的构建主要使用基本几何体表现出轮廓即可。 3.2.2场景贴图及烘焙 建模贴图效果好坏决定场景的逼真性及渲染的好坏，本虚拟仿真生活体验馆的重点建筑物为体验中心及鱼塘，遵循不重复使用贴图和一个建筑物一张贴图的原则进行贴图。为了保证场景渲染及后期交互的流畅性，非重点建筑物贴图遵循不必非常清晰的原则进行贴图。此外，整个场景中均将贴图的背景色改成和贴图本身色调类似的颜色，以减少在UVW展开时出现匹配不准或有明显白边和黑边的现象。 建模完成后，对整个场景添加灯光效果，并按照常规烘焙操作进行场景烘焙，最终荷叶鲫鱼虚拟仿真生活体验馆三维模型如图4所示。 3.3交互驱动 3.3.1模型导入VRP 考虑到3ds Max与VRP的兼容性，在使用3ds Max创建的模型导入到VRP编辑器之前，需要安装VRPformax插件，利用该插件将烘焙好的场景通过插件导入到VRP中。3.3.2交互动画设计 在虚拟仿真生活体验馆中实现实时漫游以及逼真效果，〖HJ*3〗需要在VRP系统中创建行走、飞行、动画相机，添加天空盒、太阳光晕，并要对场景中的建筑物和植物等设置物体碰撞规则。 （1）交互动画。荷叶鲫鱼虚拟仿真生活体验馆设计的游览模式为两种：漫游模式和游客模式，漫游模式为不需要引导的自动游览模式，而该馆设计的最终目的是能够实现在场景中通过人物游走浏览各个部分，即游客模式。游客模式主要利用VRP设置行走相机，通过鼠标或键盘操作控制游览方向，实现交互。实现交互首先要创建骨骼动画作为目标人物，调整骨骼的身高比例并放到适当位置，通过动作库为骨骼添加“休闲站立”、“原地行走”等动作，最后添加角色控制相机绑定目标人物。这样，在浏览过程中就可以通过鼠标或键盘操作控制目标人物，在场景中自由行走，以游览者身份观察整个场馆。另外，场景中若只有一个目标人物，画面过于单调，为了使场景丰富，添加了多个骨骼动画，效果如图5所示。 （2）特效设计。在设置好浏览模式后，为了模拟室外场景，选择适合场景的天空盒效果，并对其角度进行旋转，使光线的摄入方向与场景中的投影方向一致，再适当添加光晕效果。光晕效果角度和高度与天空盒光线方向、太阳光照方向相融合。这样添加特效后，场景更加美观逼真。 （3）交互按钮设计。虚拟仿真生活体验馆的另一特点是通过鼠标触发事件控制相应内容，如浏览模式切换、音乐开关设置，以及通过添加文字、图片、动画，甚至链接数据库、网页或加载视频等功能，向使用者介绍场馆情况。主要使用VRP的初级界面和高级界面，在场景中添加控制按钮，再结合相应的脚本程序，实现按钮控制。 （4）浏览模式按钮设计。在该体验馆中，主要通过触发事件即按钮来控制相机的转换和交替，场景中设计了两个动画相机漫游，分别为行走动画即游客模式和环绕动画即漫游模式实现生活馆的虚拟展示，如图6所示。 （5）荷叶鲫鱼种类介紹设计。荷叶鲫鱼种类介绍通过服务控制平台实现，采用添加文字、图片及Flash动画的形式制作相应介绍，再通过按钮触发，结合相应的脚本程序进行控制，如图7所示。 （6）背景音乐设计。为了给使用者视听觉双重感受，增强场景的真实感染力，在该虚拟仿真生活体验馆中添加了背景音乐，并对背景音乐进行了相关属性设置，可自动循环播放。同时使用音乐开关触发控制按钮，通过该按钮可以暂停和播放音乐。此外，添加了音乐大小控制滑杆，结合脚本语言精致控制音乐音量大小。 3.3.3系统输出与发布 动画设计完成后，可将其发布为单独的可执行文件EXE演示DEMO，也可输出为网络发布的VRPIE文件。综合考虑多方面因素，选择将作品发布为可执行的EXE文件，不过在使用时要注意相应的环境配置，如显示器屏幕尺寸、显卡性能等，否则可能影响展示效果。 4结语 本文通过3ds Max、VRP及Photoshop软件构建了荷叶鲫鱼虚拟仿真生活体验馆。随着硬件、软件技术的不断成熟，虚拟现实技术在农业中的应用极大地加快了农业技术的现代化进程，场景的逼真性和实时交互性受到广大用户喜爱，在农业领域的应用前景越来越广阔。采用虚拟现实技术设计的荷叶鲫鱼虚拟仿真生活体验馆具有真实性、交互性、易实现性等特点，较好地满足了消费者的使用需求，促进了水产品与现代科技结合，为农业信息化提供了可靠手段。 参考文献：[1]马贺清，陈建平.VRP虚拟校园建设及其关键技术[J].计算机系统应用，2012，21（5）：153157. [2]李好琴.新乡市水产行业的产业带头兵——记发展中的新乡市卫滨区荷叶鲫鱼农民专业合作社[J].渔业致富指南，2013 （16）：2728. [3]祖先锋.矩阵继电器在多路数据采集系统中的应用[J].煤矿机械，2005，2（24）：106108. [4]冯少云.基于Web的虚拟展馆的设计与实现[D].北京：北方工业大学，2012. [5]刘科文.虚拟现实技术的应用与发展[J].数字技术与应用，2012 （10）：123125. [6]罗子明.消费者心理学[M].北京：清华大学出版社，2007：7390. [7]吕莲.基于VRP平台的三维建筑虚拟展示设计[J].南京工业职业技术学院学报，2011，12（4）：4748. [8]罗演.基于 Web 3D 虚拟现实技术在农业技术推广中的前景分析[J].农业网络信息，2014（5）：2529. （责任编辑：杜能钢）
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