沉浸式交互虚拟现实展馆设计与制作论文

 SCI论文（www.lunwensci.com）：

  摘   要：沉浸式交互虚拟现实展馆是目前较为先进的虚拟现实展管技术,但是目前现有的沉浸式交互虚拟现实展馆系统存 在运行速度慢、模型加载速度慢、瞬移和交互有延迟等问题。本研究使用了精细展品的 LOD 技术、PBR 技术、瞬移和抓取碰 撞检测算法,提高了展馆的实时渲染加载速度和交互性。

  关键词：虚拟现实 ；展馆 ；沉浸式交互 ；LOD 技术 ；PBR 技术 ；瞬移 ；抓取


  【Abstract】：The immersive interactive virtual reality exhibition hall is currently a relatively advanced virtual reality exhibition tube technology, but the current immersive interactive virtual reality exhibition hall system has slow running speed, slow model loading speed, teleportation and interaction delay, etc. question. This study uses LOD technology, PBR technology, teleportation and grab collision detection algorithms for fine exhibits to improve the real-time rendering loading speed and interactivity of the pavilion.

  【Key words】：virtual reality;exhibition hall;immersive interaction;LOD technology;PBR technology;teleportation; grabbing

  沉浸式交互虚拟现实展馆中设计了相应的实时交互 动作,可以通过头盔和手柄实现实时瞬移和交互,提高 参观兴趣。通过研究系统总体结构、开发方法、开发流 程,实现了基于 HTC VIVE 设备的曲阜楷木雕刻沉浸 式交互虚拟现实(VR)展馆仿真系统(如图 1 所示)。 参观者在 VR 头盔中置身于展馆之中,通过实时追踪 VR 头盔、手柄位置,实现瞬移、抓取等交互功能,通 过手柄及碰撞检测功能实现与展品和场景的交互操作。 实验表明,该仿真方法具有身临其境的沉浸感,提高了 实时渲染效率、碰撞检测效率、交互效率,达到了高逼 真的视觉效果和生动形象的参观体验。

  1 LOD 技术由于展馆展品众多,展品的造型也较为复杂, 为了减轻计算量, 本展馆采用 LOD(Levels of Detail 细节层次模型)技术。这是一种较为方便的模型渲染加速技术,可以在不影响观看者视觉感受的同时减轻电脑的渲 染负担。其原理也非常简单 ：


  (1)要制作低、中、高三种精度的模型,简称低 模、中模、高模。高模采用三维扫描生成的原始模型, 优点是可以看到模型上的所有细节,缺点是面数较多, 渲染速度慢。中模采用 Maya 中的 Mesh(网格)手工 建模,优点是保持高模的大体形状,缺点是模型面数仍 旧较多,渲染速度慢。低模采用单面片的方式,即将原 始模型的纯正面图渲染出来贴到一个平面上做贴图,然 后将这个平片实时朝向镜头的方向,优点是渲染速度 快,缺点是较为失真,只能远距离观看 [1]。

  (2)将建好的高模、中模和低模导入 Unity,并且 将三个模型重叠放置在场景中的相同位置。在 Unity 场 景中新建一个空物体, 命名为 LOD, 为该空无图添加 LOD Group 组件,在该组件的属性栏点击 LOD0,出 现 Add(添加) 按钮, 点击添加高模。在该组件的属性 栏点击 LOD1,出现 Add(添加)按钮,点击添加中模。 在该组件的属性栏点击 LOD2,出现 Add(添加)按钮, 点击添加低模 [2]。
 
  (3)点击运行按钮测试,通过 VR 眼镜和手柄在虚 拟场馆中瞬移。当瞬移到远离模型的时候,可以看到该 物体的低模,当瞬移到模型附近的时候,可以看到该物 体的中模,当瞬移到贴近模型的时候,可以看到该物体 的高模。

  2 PBR 技术

  为了让虚拟展馆模型能够根据周围的光线和观察者的 位置、视角的变化而实时变化,本项目还采用了 Unity 引 擎中的 PBR 材质和光照系统。PBR 是 Physically Based Rendering(基于物理的渲染)的简称,是一种能够模 拟现实世界中的光照变化的实时图形渲染技术。具体方 法是在 Unity 中新建材质球,将材质球添加到从 Maya 中导入到 Unity 场景中的模型上,并且将模型的纹理映 射贴图加到材质球的漫反射属性上。但是使用该材质的 过程中也遇到了一定问题,首先是低模透明贴图不显示 透明效果的问题。由于低模是一个平面加上周围是透明 中间是模型的透明贴图生成的,只用普通材质球透明背 景会显示成黑色,应选中材质球属性栏中的 Shader 栏 里的 Legacy Shaders(传统光影模式)/Transparent (透明度) /Diffuse(颜色贴图) [3]。其次是低模平面 的贴图只能单面显示的问题,这就需要创建一个新的 Shader,给该 Shader 加上双面显示的代码 [4]。

  3 瞬移功能的实现

  启动 Unity Hub, 新建一个 2019.1.13f1 版本的 3D 新场景命名为 untitled.unity。在 Unity 界面中打开 Asset Store 窗口,在搜索框输入 HTC Vive 搜索出 VIVE Input Utility 插件下载安装,然后在搜索框输入 SteamVR 搜 索出 SteamVR Plugin 插件下载安装 [5]。在 Hierarchy  (层级)窗口右键选择 Creat Empty(创建空物体)新 建一个空物体,命名成 Teleportable(可瞬移的),给 该空物体添加脚本 Teleportable。此后所有需要被手柄射 线点击后产生瞬移效果的物体都要拖放到该空物体中。在 Teleportable 下一层级新建 3D 物体 Plane(平面)作为 地面。删掉场景中的原摄像机。新建空物体 VR Origin, 在该空物体下一层级创建空物体 DeviceHeight, 给该空 物体添加脚本 Custom DeviceHeight。

  在 Projiect 窗口中找到 Asset/HTC.UnityPlugin/ ViveInputUtility/Prefabs 文件夹中的 ViveCameraRig 和 ViveCurvePionters, 拖 放 入 DeciceHeight 的 下 一 层级 [6]。全部展开后的效果如图 2 所示,是 Unity 软件 中的层级。点击运行按钮,戴上头盔和手柄,测试在刚 才新建的平面上的瞬移效果 [7]。


  HTC VIVE cosmos 套装的手柄与老版本的 HTC VIVE 的手柄外形和功能都有很大不同。如图 3 所示, 图 3 是在 Unity 软件 Game 窗口中显示的新版手柄显 示样式。

  使用瞬移功能时,手柄前端会有一条蓝色射线射出 指向地面,在射线和地面交接的地方会有一个黄色小 球。此时按下手柄上的摇杆按钮就可以瞬移到小球所在 的位置,这样就完成了瞬移的功能。

  4 抓取功能的实现

  在 Hierarchy 窗口右键选择 Creat Empty(创建空 物体)新建一个空物体,命名成 PlayGround(游戏场 地),给该空物体添加脚本 Play Ground Manager。在 Hierarchy 窗口右键选择 UI 里的 Canvas(画布)新 建一个空白的画布,在 Canvas 属性栏里找到 Render Mode(渲染方式)选择 Word Space(世界坐标系),把 Hierarchy 窗口里的 Camera(相机) 拖放到 Canvas 的 Inspector(属性) 栏 Event Camera 上, 这样 Canvas 才能在 VR 眼镜视角里被渲染出来。在在 Hierarchy 窗 口的 Canvas 上右键选择 UI 里的 Button(按钮),在 Button 的 Inspector(属性) 栏 On Click(点击) 上按 “+”按钮添加物体 PlayGround, 选择 Runtime Only  (运动时),PlayGroundManager.ResetPositions(重 置位置)。PlayGround 物体下一层级新建一个空物体 Draggable(可抓取的),在 Draggable 下一层级新建 3D 物体 Cube(盒子)作为被抓取物体,给 Cube 添 加一个紫色材质。此后所有要被抓取的物体都要拖放到 Draggable 下一层级作为 Draggable 的子物体 [8]。

  点击运行按钮,戴上头盔和手柄,测试在刚才新建 的抓取效果,将手柄射线指向 Cube,按下手柄上的扳 机键,可以远距离抓起 Cube ；将手柄射线指向 Cube, 按下手柄上摇杆键,可以将物体沿着射线吸取到手边并 抓起 Cube ；将手柄射线指向空中的按钮“重置”, 按下 手柄上的扳机键,可以重置整个场景,让场景中的所有 物体回到最原始的位置,这样就完成了瞬移的功能。

  5 结语

  曲阜楷木雕刻是山东省济宁市曲阜地区的一种有两 千多年历史的传统雕刻艺术,在 2018 年入选国家级非 物质文化遗产名录。楷木雕刻据传说为孔子弟子子贡所 创,采用孔子林地特有品种树木楷木作为雕刻原料进 行雕刻,因此非常珍贵,历史上作为朝廷进贡用品。最 早的楷木雕刻作品是子贡为孔子守孝期间雕刻的孔子及 其夫人的雕像,后来演变出多种雕刻题材,其中以孔子 像、如意、寿杖居多。清朝时期山东巡抚曾以楷木雕刻 如意和寿杖作为慈禧太后的寿礼,建国后楷木雕刻作品 也作为国礼赠送给各国贵宾。但由于木材珍贵,现在学 习和传承这项非遗技术的人非常少,本研究将非遗文化 与虚拟现实技术融合,希望能够为冷门绝学的保护与传 承提供新思路。将国家级非遗曲阜楷木雕刻通过科技手 段融入虚拟现实展馆设计与制作中是一种全新尝试,通 过设计制作曲阜楷木雕刻沉浸式交互虚拟现实展馆并投 放使用,收集反馈数据,分析汇总经验教训,为新时代 传承冷门绝学融入科技力量。

  参考文献

[1] 洪毅.曲阜楷雕工艺的发展现状探究[J].大众文艺,2012(14): 177-178.

[2] 苏晓宇.曲阜楷木雕刻艺术及其美学寓意研究[J].美术大观, 2018(6):68-69.

[3] 刘豆.基于儒家美学视角的曲阜楷木雕刻艺术研究[J].戏剧 之家,2021(4):171-172.

[4] 吴磊.基于虚拟现实技术(VR)的动画交互性设计分析[J].信 息技术,2019(7):125-128+132.

[5] 俞丽丽.基于VR技术的宝玉石雕刻加工实训课程改革初探 [J].艺术科技,2018,31(7):250+296.

[6] 王玉慧,张玉茹.CAID中变形造型及虚拟雕刻技术探讨[J]. 机械设计,2003,20(7):19-21.

[7] 姚远,刘志刚.基于Kinect的三维重建与点云雕刻的实现[J]. 现代制造工程,2017(4):128-132.

[8] 陈辉,孙汉秋.虚拟体空间中的触觉雕刻[J].计算机学报, 2002,25(9):994-1000.

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