張玉婷

(金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人工智能與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著三維技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字化可以更好、更便捷地展示特定的區(qū)域、場(chǎng)館、風(fēng)景。其科技性、藝術(shù)性和身臨其境的觀感,可以給人們提供跨越時(shí)間和空間的沉浸式體驗(yàn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外各大高校一直努力進(jìn)行硬件、軟件的數(shù)字化、智能化、信息化的建設(shè)。在以往傳統(tǒng)的校園場(chǎng)景三維建筑動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)上,融入新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),增加體驗(yàn)效果。本文以金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例,介紹基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

首先確定了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維校園漫游的方案。使用CAD、3ds max制作三維模型,在三維軟件中對(duì)建筑物、地形、實(shí)體對(duì)象進(jìn)行模型的創(chuàng)建和優(yōu)化、展開(kāi)UV,再導(dǎo)出FBX文件到Unreal Engine 4(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“UE4”)中進(jìn)行整合和搭建場(chǎng)景。在其中完成植被、燈光、材質(zhì)、碰撞等設(shè)置。通過(guò)藍(lán)圖可視化腳本或者C++語(yǔ)言,添加有趣、恰當(dāng)?shù)慕换ピO(shè)計(jì),最后與VR硬件設(shè)備進(jìn)行打包安裝、測(cè)試發(fā)布,完成虛擬校園的三維漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作[1]。

2 漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

真實(shí)場(chǎng)景的數(shù)字化還原要有準(zhǔn)確的校園各場(chǎng)景建筑物分布信息。金肯學(xué)院有南、東、西3個(gè)校區(qū),已有的CAD圖紙不完整。通過(guò)實(shí)地勘測(cè)與拍照結(jié)合的方式,采集、整理了地形圖和建筑設(shè)計(jì)圖等數(shù)據(jù),繪制了校園內(nèi)的各教學(xué)樓、體育館、圖書(shū)館、宿舍區(qū)、食堂、辦公樓、實(shí)訓(xùn)樓等區(qū)域分布圖,劃分出主干道和建筑小品的區(qū)域[2]。

2.2 模型創(chuàng)建和導(dǎo)入

在前期繪制的CAD圖紙的基礎(chǔ)上,通過(guò)照片建模的方式,在三維軟件3Ds Max中,1∶1還原各主要建筑物的外觀模型。由于整個(gè)場(chǎng)景數(shù)字化數(shù)據(jù)較大,因此在創(chuàng)建過(guò)程中,務(wù)必要做好模型面數(shù)的控制,及時(shí)優(yōu)化、處理錯(cuò)漏面,最后導(dǎo)出 為FBX格式的文件。

打開(kāi)UE4,在新建項(xiàng)目中選擇藍(lán)圖,選擇第一人稱(chēng),創(chuàng)建空白項(xiàng)目。點(diǎn)擊導(dǎo)入命令按鈕,將FBX文件導(dǎo)入引擎中。

第一次導(dǎo)入的時(shí)候,通常需要選擇設(shè)置選項(xiàng)卡。可以根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置“自動(dòng)創(chuàng)建碰撞體”“創(chuàng)建燈光UV視圖”“合并模型”等項(xiàng)目?jī)?nèi)容。此外,還可以選擇“新建材質(zhì)”或者“導(dǎo)入紋理”來(lái)決定導(dǎo)入模型時(shí),是否創(chuàng)建材質(zhì)球和附帶相關(guān)的材質(zhì)素材。

將地形、建筑物等模型依次導(dǎo)入后,UE4會(huì)對(duì)導(dǎo)入有問(wèn)題的部分進(jìn)行提醒,通常要一一查看模型、材質(zhì)球、紋理貼圖等效果是否需要修改。必要的時(shí)候,要返回到三維模型軟件中進(jìn)行調(diào)整。解決問(wèn)題后,對(duì)各個(gè)文件進(jìn)行分類(lèi)整理,方便以后調(diào)取使用。

2.3 材質(zhì)貼圖制作

由于整個(gè)校園的建筑外立面設(shè)計(jì)獨(dú)特、風(fēng)格統(tǒng)一,系統(tǒng)采用了大量拍攝的實(shí)景照片,使用Photoshop軟件進(jìn)行后期處理,Substance Painter軟件繪制紋理,作為建筑的貼圖使用。此外,使用UE4虛幻引擎自帶的材質(zhì)系統(tǒng)為模型添加外觀效果[3]。

打開(kāi)UE4虛幻引擎,在內(nèi)容瀏覽器空白處單擊鼠標(biāo)右鍵,選擇創(chuàng)建新材質(zhì)。雙擊材質(zhì)球,打開(kāi)UE4的材質(zhì)編輯器,在界面中空白位置按下數(shù)字鍵3,創(chuàng)建一個(gè)三維數(shù)組。點(diǎn)擊Constant色塊可以設(shè)置具體的RGB顏色。按住鼠標(biāo)左鍵不松手,拖拽連接到基礎(chǔ)顏色的節(jié)點(diǎn)上,完成材質(zhì)顏色的創(chuàng)建。同樣的原理,按住數(shù)字鍵1,創(chuàng)建一個(gè)一維數(shù)組,設(shè)置參數(shù)在0～1的任意數(shù)值,再拖拽到粗糙度或者高光度的節(jié)點(diǎn)上,就可以設(shè)置相對(duì)應(yīng)的效果。之后返回場(chǎng)景中,將材質(zhì)球附在模型上,就可以看到實(shí)際效果。漫游系統(tǒng)中,可以通過(guò)復(fù)制已有的材質(zhì)球,在編輯器中修改其中的某些參數(shù),來(lái)得到另一個(gè)新的材質(zhì)?；A(chǔ)材質(zhì)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)材質(zhì)

在系統(tǒng)中,有些模型需要添加紋理貼圖?？梢栽诓馁|(zhì)編輯器界面中,按住U鍵的同時(shí)單擊鼠標(biāo)左鍵,就會(huì)創(chuàng)建新的節(jié)點(diǎn)紋理坐標(biāo)。在其中導(dǎo)入處理好的貼圖,將輸出端連接到UV引腳上。在左下角的界面中輸入數(shù)量,可以調(diào)整貼圖的比例以適應(yīng)模型的大小。

2.4 交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)置了第一人稱(chēng)的視角,帶上VR眼鏡之后,仿佛置身于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。參觀者通過(guò)對(duì)手柄的控制,實(shí)現(xiàn)走、跑、跳躍、轉(zhuǎn)向、瞬移等運(yùn)動(dòng)效果,模擬真實(shí)場(chǎng)景中人的基本運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

系統(tǒng)添加了對(duì)話系統(tǒng)。當(dāng)人物走進(jìn)特定的區(qū)域,或者點(diǎn)擊場(chǎng)景中的某個(gè)道具,畫(huà)面中會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的校園介紹。為了增加參觀者的體驗(yàn)感,這些內(nèi)容以動(dòng)態(tài)文字、動(dòng)畫(huà)視頻結(jié)合的方式呈現(xiàn),伴以適合的音樂(lè),提升氛圍感和視覺(jué)效果。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)導(dǎo)航,默認(rèn)情況下順著設(shè)計(jì)好的路線進(jìn)行漫游。通過(guò)右上角的同步小地圖,體驗(yàn)者可以一目了然地掌握所在位置。同時(shí),考慮到校區(qū)區(qū)域范圍大,在制作系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)了通過(guò)快捷鍵或者操作VR設(shè)備配套的手柄,可以跳轉(zhuǎn)到不同的校園區(qū)域,精準(zhǔn)定位到各場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)空間的交互。

為了添加趣味性,系統(tǒng)特地增加了一些交互小游戲。比如在漫游到湖心亭的時(shí)候,體驗(yàn)者通過(guò)手柄射線點(diǎn)擊UI界面上的按鈕,開(kāi)啟材質(zhì)貼圖的樣式和顏色的切換功能,欣賞由“一鍵換裝”帶來(lái)的春夏秋冬不同的風(fēng)景。

2.5 多視角角色的創(chuàng)建和切換

高職院校各類(lèi)實(shí)訓(xùn)室、工作室的建設(shè),也體現(xiàn)學(xué)院的成果和特色。系統(tǒng)特意增加了室內(nèi)漫游的內(nèi)容,因此系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)360°室外場(chǎng)景自由旋轉(zhuǎn)查看的功能和用于室內(nèi)漫游的角色,以及兩種角色相互切換控制權(quán)的設(shè)置。

在UE4中選擇藍(lán)圖類(lèi)創(chuàng)建Pawn,創(chuàng)建一個(gè)能被操控的角色。在編輯界面中,添加組件里面新建彈簧臂組件。以這個(gè)點(diǎn)做一個(gè)牽制,以彈簧臂組件為父類(lèi),添加攝像機(jī)組件為子類(lèi),彈簧臂就能牽制攝像機(jī)進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)查看。接著點(diǎn)擊彈簧臂組件,在細(xì)節(jié)面板中勾選使用Pawn控制旋轉(zhuǎn),彈簧臂會(huì)跟著鼠標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

接下來(lái),通過(guò)藍(lán)圖輸入一些控制邏輯,來(lái)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)輸入的事件。在事件列表界面中,輸入Turn,調(diào)取“輸入軸Turn”;再輸入LookUp,調(diào)取“輸入軸LookUp”。將“輸入軸Turn”里面的Axis Value連接關(guān)聯(lián)的“添加控制器Yaw輸入”,其中Yaw設(shè)置的是Z軸。將Lookup連接關(guān)聯(lián)的“添加控制器Pitch輸入”,Pitch對(duì)應(yīng)的是Y軸。設(shè)置完成之后,攝像機(jī)就可以跟隨鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)。接著把藍(lán)圖類(lèi)放置在場(chǎng)景中,調(diào)整位置、高度。可以通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)的目標(biāo)臂長(zhǎng)度的數(shù)值,將視角調(diào)整得遠(yuǎn)或者近一些。設(shè)置完成回到場(chǎng)景,在細(xì)節(jié)面板中,自動(dòng)控制玩家選擇“玩家0”。保存文件進(jìn)行編譯,查看設(shè)置效果。如果旋轉(zhuǎn)生硬,可以在藍(lán)圖類(lèi)中選擇彈簧臂組件,啟動(dòng)攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)延遲。這樣旋轉(zhuǎn)角度時(shí),就會(huì)更加絲滑自然。

接下來(lái)繼續(xù)創(chuàng)建第二個(gè)用于室內(nèi)場(chǎng)景漫游的角色。在內(nèi)容瀏覽器中單擊鼠標(biāo)右鍵,選擇藍(lán)圖類(lèi),創(chuàng)建一個(gè)有碰撞的Actor角色,用來(lái)模仿人在場(chǎng)景中真實(shí)漫游。

先添加彈簧臂組件和攝像機(jī)。攝像機(jī)放在彈簧臂組件的子類(lèi)里面,但彈簧臂長(zhǎng)度要改成0,用來(lái)模擬人的頭部旋轉(zhuǎn)查看場(chǎng)景。在右側(cè)的編輯面板中,勾選“使用Pawn的控制旋轉(zhuǎn)”。在設(shè)置完Z軸Y軸坐標(biāo)后,還需要設(shè)置角色前后左右的移動(dòng)。在場(chǎng)景漫游角色的事件圖表界面中,添加“輸入軸Move Forward”和“輸入軸Move Right”,再調(diào)出“獲取控制旋轉(zhuǎn)”,在Return Value右鍵引出“分割結(jié)構(gòu)體引腳”,使用Z軸Yaw創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)體,Return Value中獲取向前向量,再獲取向右向量Add Movement,添加移動(dòng)輸入。系統(tǒng)已經(jīng)封裝好能夠讓角色移動(dòng)的藍(lán)圖節(jié)點(diǎn),只要傳入對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可。設(shè)置完成之后,當(dāng)按下鍵盤(pán)W,就會(huì)返回?cái)?shù)字+1,按下S就會(huì)返回?cái)?shù)字-1,如果沒(méi)有輸入,就會(huì)返回?cái)?shù)字0。有數(shù)值之后,角色就會(huì)移動(dòng)。當(dāng)按下W鍵,傳入的是+1,移動(dòng)的方向就會(huì)參考向控制器正前方移動(dòng);當(dāng)按下S鍵,傳入的是-1,向前的向量乘以-1,變成向后的向量,就會(huì)向后移動(dòng)。同樣的原理,按下A鍵輸入的是-1,向左移動(dòng);按下D鍵輸入的是+1,向右移動(dòng)。將設(shè)置好的Actor角色拖動(dòng)到場(chǎng)景中編譯測(cè)試。如果角色移動(dòng)速度或快或慢,可以在Character Movement組件中設(shè)置最大行走速度,改成適合的數(shù)值即可。

最后,設(shè)置兩個(gè)角色控制權(quán)的切換。為了能夠快速地實(shí)現(xiàn)功能,可以把這些藍(lán)圖寫(xiě)在關(guān)卡藍(lán)圖里面。

打開(kāi)關(guān)卡藍(lán)圖界面,先創(chuàng)建兩個(gè)自定義事件,一個(gè)是切換到場(chǎng)景漫游,另一個(gè)是切換到360度自由查看。接下來(lái)將兩個(gè)藍(lán)圖類(lèi)拖拽到關(guān)卡藍(lán)圖界面。新建“獲取玩家控制器”節(jié)點(diǎn),連接“使用混合設(shè)置視圖目標(biāo)”,引腳連到“切換到場(chǎng)景漫游”,再將“場(chǎng)景漫游角色”連接到New View Target,Bland Time(混合時(shí)間)設(shè)置成2.0。設(shè)置的效果是經(jīng)過(guò)2 s時(shí)間,將當(dāng)前的畫(huà)面,混合到新的畫(huà)面。Bland Func(混合函數(shù))選擇“VT混合交叉緩動(dòng)”,就會(huì)有緩動(dòng)效果。

再用同樣的方法,完成從另一個(gè)角色的跳轉(zhuǎn)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)2個(gè)鏡頭之間的混合。之后,在事件圖表界面中輸入F鍵、空格鍵和鍵盤(pán),直接跳轉(zhuǎn)到鍵盤(pán)事件,用FlipFlop制作一個(gè)流程控制。按下F走A,再按一下走B,再按一下再走A,往復(fù)循環(huán)的功能。實(shí)現(xiàn)由A引出切換到場(chǎng)景漫游,由B切換到360°全景漫游。

2.6 場(chǎng)景中播放視頻

為了更好地展示和介紹學(xué)院信息,系統(tǒng)在場(chǎng)景中設(shè)置了幾處通過(guò)屏幕播放視頻的組件。

先提前制作好相關(guān)的mp4格式的視頻文件。在內(nèi)容文件夾里面創(chuàng)建新文件夾存儲(chǔ)相關(guān)文件。在空白處單擊鼠標(biāo)右鍵,在彈出的快捷菜單中選擇Media里面的Media Player。再次單擊鼠標(biāo)右鍵,在彈出的快捷菜單中選擇創(chuàng)建藍(lán)圖類(lèi),選擇Actor角色,命名之后雙擊打開(kāi)編輯界面。在左側(cè)的組件中選擇Cube,調(diào)整尺寸大小,做成類(lèi)似顯示屏的模型,用來(lái)播放視頻使用,再根據(jù)需求設(shè)置材質(zhì)。

在關(guān)卡藍(lán)圖中,調(diào)出Event BeginPlay事件。創(chuàng)建變量,選擇Media Player中的Object Reference對(duì)象引用。在默認(rèn)值中選擇創(chuàng)建的Media Player。再將Media Player拖入編輯區(qū),拖出引腳連接Open Source打開(kāi)源。在下方選擇需要播放的視頻。再將創(chuàng)建的Actor拖入場(chǎng)景,并編譯保存。此時(shí)場(chǎng)景中可以播放視頻畫(huà)面,但缺少聲音。這是因?yàn)檫@種播放視頻的原理是將視頻作為材質(zhì)附在模型上。因此需要再設(shè)置聲音。雙擊打開(kāi)Actor編輯界面,在Cube組件中找出Media Sound組件。在編輯器的Media Player里面找到創(chuàng)建的播放器。再次編譯,視頻畫(huà)面和聲音都同步出現(xiàn)了。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)使用了三維軟件、虛幻引擎和VR設(shè)備,創(chuàng)建了校園的虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)字化構(gòu)建、虛擬交互體驗(yàn),進(jìn)行了實(shí)踐操作。由于相關(guān)技術(shù)難度較大,更新?lián)Q代較快,目前國(guó)內(nèi)的研究還需要學(xué)習(xí)和補(bǔ)充一些國(guó)外的技術(shù)和思維。隨著技術(shù)的發(fā)展,還會(huì)有更多的虛擬數(shù)字化應(yīng)用,適用于更多不同的領(lǐng)域,拓展時(shí)間和空間的范圍[4]。