溫子燊　劉螢

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備與軟件驅(qū)動進(jìn)一步的完善，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲也逐漸步人人們的生活當(dāng)中。本文通過對海洋探索游戲的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究，針對Ul交互和游戲基本邏輯進(jìn)行分析，對于虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的設(shè)計(jì)方式與開發(fā)流程有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);游戲開發(fā);Unity 3D

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0228-02

1 引言

從1958年第一款示波器上的電子游戲“雙人網(wǎng)球”到2018年獲得大量獎項(xiàng)的VR游戲Beat Saber，從電子游戲的誕生之初到現(xiàn)在，承載著電子游戲的設(shè)備在一定程度上能夠反映出該游戲所處時代的科技水平。從2014年Face Book收購Oculus開始，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正逐漸步人正軌，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上的游戲也變得刻不容緩。Unity3D是一款利用交互的圖形化開發(fā)環(huán)境為首要方式的專業(yè)游戲引擎，支持C#編程語言，可用于開發(fā)Windows、MacOS、Linux平臺和PlayStation、XBox、NintendoSwitch等游戲主機(jī)平臺以及IOS、Android等移動設(shè)備的游戲，擁有跨平臺的特性，被廣泛用于建筑可視化、實(shí)時三維動畫、VR/AR游戲應(yīng)用等互動內(nèi)容的綜合性創(chuàng)作工具。

2 游戲的設(shè)計(jì)思路

《The Sea》是一款基于Unity3D引擎和HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備開發(fā)的VR海洋探險游戲，將3D環(huán)繞的立體音效、扁平化的空間UI交互系統(tǒng)、人性化的語音引導(dǎo)與當(dāng)今主流的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，配合次時代PBR模型以及PostProcessing屏幕后處理技術(shù)，使玩家的沉浸感和體驗(yàn)提升到更高的層次。該游戲主要通過VR手柄進(jìn)行交互，玩家可通過頭顯正前方的HUD面板來獲取自身和可交互物體的位置信息，使用扳機(jī)鍵配合手柄射線來對菜單以及可回收物體進(jìn)行交互。玩家可通過不斷地收集魚類信息和回收污染物得到點(diǎn)數(shù)回饋，一方面可以通過點(diǎn)數(shù)的累計(jì)來解鎖劇情，另一方面可以通過消耗點(diǎn)數(shù)來增強(qiáng)自身的屬性，從而逐漸減少難度。

3 游戲的實(shí)現(xiàn)方式

3.1 HUD面板UI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器與眼睛之間的距離固定在20厘米左右的范圍內(nèi)，因此如果采用傳統(tǒng)的單個攝像機(jī)對畫布內(nèi)的UI進(jìn)行渲染，UI元素將會分散在FOV視場角邊緣，在屏幕后處理的影響下UI元素會產(chǎn)生圖像扭曲、RGB分離和亮度變暗等效果，影響用戶體驗(yàn)和破壞沉浸感的同時容易使玩家產(chǎn)生暈眩或惡心等不良影響。將Canvas的Render Mode改為WorldSpace，并將Canvas畫布固定在用戶眼前既能清楚地看到HUD同時又不會被HUD所遮擋視線的位置。將Canvas中的Slider設(shè)為豎直顯示并將其value值與玩家當(dāng)前位置的Y坐標(biāo)數(shù)值掛鉤以達(dá)到顯示當(dāng)前深度的效果，同時將另一個豎直的進(jìn)度條與玩家的旋轉(zhuǎn)角度相掛鉤，并通過歐拉角與四元數(shù)的轉(zhuǎn)換得到玩家當(dāng)前頭部的旋轉(zhuǎn)角度并將其顯示在HUD面板上即可完成HUD部分。

3.2 手柄交互功能的實(shí)現(xiàn)

交互作為游戲所必不可少的功能[2]，在本游戲中以手柄交互作為主要交互手段，通過獲取玩家手柄的Transform.Position坐標(biāo)并在該位置實(shí)例化一個子彈預(yù)制體，通過計(jì)算手柄的旋轉(zhuǎn)角度并將其X軸方向轉(zhuǎn)化為單位三維矢量，在該三維矢量上對預(yù)制體的Rigibody剛體組件添加一個作用力，使子彈預(yù)制體能夠沿著手柄X軸方向射出并與Terrain地形或其他可交互預(yù)制體產(chǎn)生碰撞交互。在子彈的碰撞器組件開始碰撞時，在OnCoI-liderEnter方法內(nèi)判斷碰撞到的物體的標(biāo)簽，若標(biāo)簽為可交互材料則對該材料的數(shù)值+1，若為魚類則對該種魚類的DNA采集度+l，判斷完成后使用Destroy方法銷毀該子彈預(yù)制體以減少內(nèi)存的占用與GPU的消耗。

3.3 模型的創(chuàng)作與動作的實(shí)現(xiàn)

一個完整的次世代PBR模型的制作流程從Maya軟件內(nèi)建中模開始，然后到Zbrush軟件中雕刻高模，再回到Maya拓?fù)涞湍?、拆分UV，再到Substance Painter軟件中烘焙貼圖。后半段的烘焙+貼圖+引擎階段是Physically-Based Rendering基于物理的渲染過程，用于精確描述光和物體表面互動的著色和渲染技術(shù)。從光的角度來看主要包括顏色、亮度、衰減、強(qiáng)度、形狀等主要屬性，當(dāng)燈照射到模型表面上會產(chǎn)生反射或者折射的情況，被折射的光線會被吸收或者離散。將制作完成的PBR模型導(dǎo)人Cinema4D中，由于模型動作相對較簡單，因此采用正向動力學(xué)的方式對骨骼進(jìn)行綁定，使用關(guān)節(jié)工具創(chuàng)建骨骼與控制器，再用命令工具將骨骼綁定蒙皮，綁定蒙皮后模型的運(yùn)動可能會產(chǎn)生破面，因此使用權(quán)重工具對模型進(jìn)行處理。

3.4 魚類生成方式與AI自動尋路的實(shí)現(xiàn)

由于受到主機(jī)性能的限制，魚類并不能無限制的生成，因此在開發(fā)階段利用Unity的性能分析組件Profiler對運(yùn)行時CPU的Draw Call消耗、內(nèi)存的Garbage Collection情況與GPU的Ren-dering情況進(jìn)行分析，得出魚類數(shù)量超過60個時游戲延遲會達(dá)到30ms以上，因此將魚類的數(shù)量限制在50個以內(nèi)。在地形的周圍設(shè)置10個用來控制魚類生成位置的空物體，使用遍歷數(shù)組的方式獲取到各個空物體的位置坐標(biāo)，并通過使用空物體上掛載腳本的Object.lnstantiate方法將魚類的預(yù)制體實(shí)例化。由于魚類活動區(qū)域限制在海水中，移動的方式不受重力影響，因此魚類的AI尋路方式不采用傳統(tǒng)的Nav Mesh Agent組件進(jìn)行自動尋路。使用Vector3.Distance方法計(jì)算出玩家與魚類的距離，并判斷該距離是否小于或等于玩家受到海水fog霧效影響后的可視距離，若魚類在玩家可視距離外，則沿著以Terrain地形中心為圓心，自身與圓心的距離為半徑的圓上進(jìn)行移動，否則以隨機(jī)方向移動，并使用射線組件判斷當(dāng)前移動方向Rayc-astHit. point是否與玩家所處方位一致，若一致則朝玩家移動，否則繼續(xù)以隨機(jī)方向移動。

3.5 玩家移動的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在當(dāng)前市面上的VR游戲中，玩家的移動效果大致分為以下三種[3]：（1）通過利用手柄的指針射線，將玩家坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為指針末端所指的坐標(biāo)。（2）在地形上設(shè)定Teleport傳送點(diǎn)，當(dāng)玩家指針指向該傳送點(diǎn)時將玩家坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為傳送點(diǎn)的坐標(biāo)，與方法（1）相比減少了玩家的自由度，但相對提升了游戲的穩(wěn)定性。（3）通過獲取手柄觸摸板的坐標(biāo)進(jìn)行位移，手指離觸摸板邊緣越近則移動速度越快，該方式與傳統(tǒng)的手柄搖桿移動方式相同，玩家能夠快速上手該移動方式，但在VR環(huán)境下，變速運(yùn)動會使眼睛獲取的信息與前庭系統(tǒng)的感知不一致，玩家會產(chǎn)生惡心或眩暈感，但由于該游戲主要活動場所為海平面以下的水體中，物理參考系較少且移動速度相對較慢，因此適合該移動模式。

3.6 場景立體音效的實(shí)現(xiàn)

聲音在游戲開發(fā)中作為必不可缺的一環(huán)，其重要性也是不言而喻的。傳統(tǒng)的音效播放方式只是將音頻原聲通過輸出設(shè)備進(jìn)行播放，缺乏方向性與空間感，與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合會破壞其原本的沉浸感，因此需要將Audio Source的Spatial Blend改為3D。調(diào)整之后的音效具有了方向性，會根據(jù)用戶的朝向而改變雙聲道的輸出功率，但仍缺乏空間感，需要將Proj ect Set-ting下的Audio的Spatializer Plugin改為Resonance Audio，同時將Audio Source組件下的3D Sound Settings的Spatialize Post Ef-fect效果開啟，使音頻具有多普勒效應(yīng)。

4 VR海洋探索游戲《The Sea》的應(yīng)用效果

進(jìn)入游戲后，玩家將會開始新手指引教程，聽從語音指示和HUD面板上的文字指示進(jìn)行活動，在教程內(nèi)學(xué)會移動、射擊、查看圖鑒、制作/升級裝備以及通過HUD面板了解信息。引導(dǎo)教程完成后，玩家將會被傳送到荒島上，通過一次次的下潛收集魚類的DNA來解鎖圖鑒推進(jìn)劇情的同時，沉人海底收集廢物并將其回收利用制成裝備以達(dá)到強(qiáng)化自身能力的效果。

5 結(jié)語

該游戲在玩法設(shè)計(jì)上將探索、收集元素融人游戲當(dāng)中，在用戶的視覺交互上采用了空間范圍內(nèi)的立體UI+HUD抬頭顯示面板的方式，同時使用了次時代的PBR流程技術(shù)建模，提升了玩家的沉浸感與交互體驗(yàn)。本文展示了Unity3D引擎制作VR游戲的大致流程，為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的游戲設(shè)計(jì)提供一定的思路與見解，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jeff W. Murray.Building Virtual Reality with Unity and Steam-VR[M]，吳彬，等，譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[2]溫涵泳.基于HTC Vive平臺的防化訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[Dl.廣州：華南理工大學(xué)，2017.

[3]鄧德榮，基于Unity3D的VR交互場景設(shè)計(jì)與運(yùn)行監(jiān)控[Dl.廣州：華南理工大學(xué)，2018.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項(xiàng)目：省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的文化教育傳播及創(chuàng)新運(yùn)用”（項(xiàng)目編號：S201913714019）

作者簡介：溫子糶（1999-），男，廣東梅州人，本科，研究方向：新媒體技術(shù)及應(yīng)用;劉螢（1987-），女，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)及應(yīng)用、游戲設(shè)計(jì)與開發(fā)。