唐亞輝，趙宏林，常迎春

(1.中國石油大學(xué)(北京)機械工程學(xué)院，北京 102249;2.河北工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300401)

0 引言

時至今日，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。從最初的文字MUD 游戲，到二維游戲，再到網(wǎng)絡(luò)三維游戲，逼真度和沉浸感正在一步步提高［1］。虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造了一個包括三維模型、三維聲音和三維人物等資源逼真的虛擬世界［2］。Oculus 在2012年的“電子娛樂博覽會”上首次展出了搭載虛擬現(xiàn)實技術(shù)的Rift 頭戴式顯示器。隨后索尼在美國游戲開發(fā)者大會上發(fā)布Project Morpheus。這些都標志著在游戲領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展。

目前，國內(nèi)還沒有應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的投籃動漫游戲。本文基于虛擬現(xiàn)實理論，以Unity3D 為開發(fā)平臺，通過3DS Max 進行三維建模，開發(fā)出一款全新的三維投籃游戲，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)及Unity3D 和3DS Max 等軟件的應(yīng)用提供可靠的實例參考。

1 游戲總體架構(gòu)

1.1 游戲內(nèi)容要求

模擬籃球運動員投籃游戲中，需建立籃球館場景和人物模型，實現(xiàn)用鍵盤控制人物在場景中做走、跑、跳和投籃等動作，并且添加音樂和特效處理。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過游戲場景來展現(xiàn)球館和人物，包括模擬真實的碰撞和碰撞發(fā)出的聲音。場景中的主要物體有籃球館、人物、籃球、地面、籃球架及相機。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

通過分析系統(tǒng)功能，可將系統(tǒng)分為:特效、聲音、數(shù)據(jù)、碰撞、控制和運動邏輯等6 個模塊。

1)特效:為了給用戶強烈的視覺沖擊，在菜單中為籃球加入粒子特效［3-4］。

2)聲音:系統(tǒng)的背景音樂，物體之間碰撞的音效和音量的大小。

3)數(shù)據(jù):用來存儲用戶設(shè)定的有關(guān)游戲中聲音和人物屬性的數(shù)據(jù)。

4)控制:對人物運動的控制，比如走、跑步、投籃、撿球等;對相機的控制，使相機能夠始終以人物為中心點運動。

5)碰撞檢測［5］:主要是籃球與地面、籃球架、籃球框之間的碰撞。對于不同材質(zhì)的物體碰撞之后產(chǎn)生的效果應(yīng)該是不同的［6］。

6)運動邏輯:人物的運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換，比如從運球走到急停跳投、從跑到走、從運動到撿球等。運動狀態(tài)之間應(yīng)該有過渡動畫。

1.3 模型動畫架構(gòu)

圖2 模型及動畫架構(gòu)

實現(xiàn)3D 籃球游戲的關(guān)鍵是人物和3D 場景的建立。特別是人物骨骼動畫的調(diào)試，它將直接影響到玩家的真實性體驗。本系統(tǒng)在3DS Max 中建立人物場景及調(diào)整骨骼動畫［7-8］，在Unity3D 中實現(xiàn)游戲的控制、碰撞處理和物體的渲染［9］。具體關(guān)系如圖2 所示。

2 游戲模型及動畫的設(shè)計

3DS Max 創(chuàng)建模型的種類有網(wǎng)格模型、多邊形模型和面片模型［10］。此外3DS Max 自帶網(wǎng)格修改器、多邊形修改器等，可完善創(chuàng)建模型的效果［11］。

2.1 模型的創(chuàng)建

2.1.1 球館的創(chuàng)建

使用3DS Max 中wall 類型添加3DS Max 模型庫中的Windows 模型和door 模型，效果如圖3 所示。

圖3 墻壁及門窗初始效果

籃球場地按國際籃聯(lián)標準，長28 m，寬15 m，場地上的線的寬度為0.05 m［11］。液壓籃球架模型的尺寸標準為，底座尺寸2.2 m ×1.2 m，臂展3.25 m，籃筐距地面3.05 m［12］，效果如圖4 所示。為了使得球館整體更為真實，在場館內(nèi)添加了吊燈、椅子［13］。最終室內(nèi)效果如圖5 所示。

圖4 籃球架效果圖

圖5 籃球館效果圖

2.1.2 人物的創(chuàng)建

人物的建模分為對頭部的建模和身體的建模，兩者都采用多邊形建模方法。最終人物的整體模型效果如圖6 所示。

圖6 模型正視圖

在模型處理后期，為模型添加平滑組，這樣可以增加模型的光滑度。結(jié)果如圖7 所示。之后將模型的UV 坐標圖導(dǎo)出到Photoshop 軟件中，作為繪制貼圖的模板［14］。添加貼圖之后的人物模型如圖8 所示。

圖7 平滑模型圖

圖8 人物正視圖

2.1.3 材質(zhì)貼圖的使用

現(xiàn)實環(huán)境中的物體表面具有豐富的紋理效果，3DS Max 中也需為材質(zhì)賦予某種圖像，即貼圖［15］。通過添加uvmaping 修改器給籃球模型添加了貼圖。模型效果如圖9 所示。

圖9 帶貼圖的籃球

2.2 模型導(dǎo)出

導(dǎo)出模型主要考慮3 個方面:坐標軸、比例和貼圖。人物導(dǎo)出時需要勾選動畫［16］。

2.3 骨骼動畫的添加和調(diào)整

當(dāng)前人物模型與骨骼動畫是分開的。人物的骨骼綁定是通過為人物模型添加骨骼綁定相關(guān)的修改器來完成的。作為3D 單人籃球系統(tǒng)，需要創(chuàng)建的動作有閑置動作、跑步運球動作、投籃動作、扣籃動作等。3DS Max 提供Motion Flow Mode 和Mixer Mode 兩種方式來編輯多個動作文件。Motion Flow Mode 可以對多個動作文件進行順序編輯、循環(huán)編輯、共享編輯、隨機編輯。Mixer Mode 可以將多個動作文件的不同動作單元，在同一時段內(nèi)分別指定給同一骨骼的不同骨節(jié)上。

3 游戲在引擎中的實現(xiàn)

3.1 游戲菜單的設(shè)計及實現(xiàn)

進入游戲之后，首先展示Splash 界面，之后進入菜單選項。菜單結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 菜單結(jié)構(gòu)圖

1)菜單的介紹。

菜單的設(shè)計應(yīng)當(dāng)盡量簡潔，讓用戶能夠快速找到每一個功能。為了避免菜單靜態(tài)單一的出現(xiàn)，系統(tǒng)菜單選用了2D 加3D 的方式顯示。2D 菜單的制作運用了NGUI 插件。3D 部分展示了Player 的各種動作。菜單效果如圖11 所示。

圖11 菜單效果圖

2)菜單的實現(xiàn)。

①相機:Unity 中的相機為用戶展示了游戲世界。相機的投射方式有2 種，一種是Perspective，另一種是Orthographic。Perspective 方式相機投射成放射線型，用三維的方式展現(xiàn)游戲物體;Orthographic 方式相機以平面的方式展示游戲物體［17］。

②控制:給每個按鈕添加控制組件來實現(xiàn)場景的切換。

3.2 游戲場景的設(shè)計及實現(xiàn)

游戲中除了物理碰撞之外，主要的部分為籃筐、籃球、player，代碼組件為籃球管理器、籃球、籃筐、player 等。

籃球組件的主要作用是根據(jù)player 的投籃方式、出手力度和角度來進行相應(yīng)的位置改變。當(dāng)前的投籃方式分為跳投、上籃、快速投籃和扣籃4 種方式。由籃球的出手距離又可以將籃球分為2 分球和3 分球2 種類型，得分類型設(shè)置代碼如圖12 所示。

圖12 籃球得分設(shè)置代碼圖

籃筐主要用來判斷是否進球，并且通知UI 得分的變化情況。當(dāng)進球時要播放籃球進球聲音?；@筐觸發(fā)代碼如圖13 所示。

圖13 籃筐觸發(fā)代碼

player 組件是游戲的核心組件，通過將動畫與位置移動的結(jié)合，用半自動的方式來執(zhí)行游戲邏輯。player 狀態(tài)分為none、idle、walk、run、shot 和crouch，通過這幾種狀態(tài)的變化控制人物當(dāng)前的動作。

3.3 游戲整體效果圖

圖14 為游戲運行時的整體效果圖，玩家可以在自定的時間里通過跳投、上籃和扣籃得分，充分體驗籃球運動的樂趣。

圖14 游戲整體效果圖

4 結(jié)束語

本文基于Unity3D 平臺對三維籃球動漫進行了設(shè)計。通過3DS Max 創(chuàng)建籃球運動員和籃球場館環(huán)境，綜合了引擎的物理系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和聲音系統(tǒng)等使該游戲得以實現(xiàn)。系統(tǒng)中使用NGUI 插件制作系統(tǒng)界面的顯示功能來展現(xiàn)游戲的當(dāng)前狀態(tài);使用Adobe Soundbooth CS4 處理籃球聲音的剪輯，實現(xiàn)了對籃球運動員投籃練習(xí)的環(huán)境、動作的模擬;使用計分、計時系統(tǒng)，實現(xiàn)了對玩家當(dāng)時的得分和游戲時長的記錄，給用戶帶來視覺、聽覺兼?zhèn)涞幕@球運動體驗。

［1］沈建虎，馮文博.論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在三維游戲中的應(yīng)用［J］.中小企業(yè)管理與科技(下旬刊)，2012(3):271-273.

［2］蘇建明，張續(xù)紅，胡慶夕.展望虛擬現(xiàn)實技術(shù)［J］.計算機仿真，2004，21(1):18-21.

［3］董誠辰.基于GPU 的火焰特效技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［4］華澤璽，王迎春，孫建順.基于粒子系統(tǒng)的爆炸效果仿真研究［J］.計算機科學(xué)，2012，39(4):278-281.

［5］范昭煒，萬華根，高曙明.基于流的實時碰撞檢測算法［J］.軟件學(xué)報，2004，15(10):1505-1514.

［6］Christer Ericson.實時碰撞檢測算法技術(shù)［M］.劉天慧譯.北京:清華大學(xué)出版社，2010:1-13.

［7］白英伯.3DS Max 專業(yè)動畫教程(角色篇)［M］.北京:高等教育出版社，2004:2-18.

［8］翟旭峰，朱杰杰，潘志庚.3DS Max 建模及其在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用［J］.計算機仿真，2004，21(4):94-97.

［9］宣雨凇.Unity3D 游戲開發(fā)［M］.北京:人民郵電出版社，2012:210-233.

［10］張云苑.虛擬現(xiàn)實技術(shù)3DS Max 建模的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2006(8):189-190.

［11］陳建華.基于3DS Max 的虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)［J］.漳州師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，15(3):18-22.

［12］劉暢.籃球教程［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2011:112-165.

［13］高嵬，劉樹老.室內(nèi)設(shè)計［M］.上海:東華大學(xué)出版社，2011:233-245.

［14］孫家廣.計算機圖形學(xué)(第3 版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1998.

［15］吳業(yè)紅.基于3DS Max 材質(zhì)與貼圖技術(shù)的教學(xué)探討［J］.電腦知識與技術(shù)，2009，5(36):103，112.

［16］程杰.大話設(shè)計模式［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:5-65.

［17］張明明.基于Unity3D 虛擬校園漫游的研究與實現(xiàn)［D］.昆明:云南大學(xué)，2014.