基于图像核心的VR技术在数字媒体艺术设计中的应用

毛 炜

（浙江工业大学之江学院设计学院，浙江 绍兴 302030）

导语

虚拟现实技术（Virtualreality，简称VR）作为一种能够模拟真实世界、建立虚拟环境的计算机技术，能够让使用者沉浸在虚拟环境中并能帮助人们进行不同互动体验从而激发创意。任何一款成熟VR系统都必须要以使用者“第一视角”为核心，通过相关设备操作使用者可在3D虚拟环境中自由移动，可与虚拟场景进行互动并且可在虚拟场景中自由切换。

1. VR技术概述

1.1 VR技术界定及组成

VR技术是一种能够模拟真实世界、建立虚拟环境计算机技术。VR技术通常是基于计算机、电子技术利用传感器采集使用者信息从而形成高度逼真的虚拟环境，进而实现与使用者视觉、听觉、触觉、力度、动作等多个方面交互，让使用者形成身临其境的感觉。虚拟现实是研究人员在对自然界探索中，逐渐发展起来的一种科学技术，以模仿自然使其更好地发挥作用。[1]具体如下：

计算机设备。作为VR技术中心，计算机设备往往要求有高性能硬件设备来实时地处理和反馈数据。如使用者想要建立非常复杂的虚拟环境就需要一台超级计算机。

输入资讯装置。感官是人类大脑唯一载体，为实现用户真实虚拟现实，需要多个传感器对用户原始感知数据进行检测和收集并产生融合信息，将其反馈到计算机上，主要传感器包括数据手套、头部跟踪器、移动手柄、3D鼠标、动作捕捉器等。

资讯输出装置。VR技术的终极目标是为使用者创造近乎于现实的虚拟世界，从视觉、听觉、触觉等各方面都能给使用者带来真切体验。该系统包括头盔显示器、三维声音合成器、力反馈系统等。

应用程序。应用软件是指在特定应用中模拟真实特定内容，该软件具体内容取决于VR技术实际应用。

1.2 VR技术特征

VR技术是当今最为天然的人机界面，它能提供全方位听觉、视觉、触觉和嗅觉，让使用者可通过最直接方式进行互动。VR技术特征具有沉浸性、交互性、构想性等特征。由于这3个英文词汇特征都是“I”英文，因此VR技术特征也被简单地称为“3I”。概念图如图1所示。

图1 VR技术特征

沉浸性。VR技术最突出特征就是沉浸式。使用者在使用鼠标和键盘时，也可与计算机进行交互，沉浸式体验是其他科技所不能取代的。

交互性。在VR技术出现以前媒介技术也是可进行互动的，但是目前媒介技术还处于一维、二维水平，它作用主要是通过对用户命令进行执行和反馈（交互方式如图2所示），比如通过鼠标、键盘来控制计算机运行。VR技术强调是互动自然，使用者一举一动都会在游戏中得到即时反馈，与真实游戏世界没有什么区别，如使用者想要使用虚拟杯子，那么它就会自动地被举起，并且能够感觉到它重量。[2]

图2 交互方式

构想性。构想性泛指使用者在接收输出装置所提供资讯后，借由想象创造出虚拟情境。VR头盔在一定程度上将使用者与现实世界隔离开来，并利用计算机运算技术将感知信息传达给使用者，从而为使用者创造全新虚拟环境。这些想象力可反映使用者意图和想法，比如城市规划、模拟军事实验、训练医疗手术等。

2.基于图像核心的VR技术在数字媒体艺术游戏设计中应用的原则

2.1 项目策划

VR游戏策划节点要保证游戏内容不能太复杂，规避与其他网游内容雷同，既要华丽还要保证剧情发展。这样可让体验者在看到规划后对游戏情况有个大概解，鼓励体验者从这个角度积极探索游戏。一般来说游戏策划设计都是先确定大致思路，然后再去做，具体策划则需要各个部门及其人员进行交流，特别是程序员和美术设计师，要想做出高质量作品，就必须建立起良好合作关系。

2.2 绘制原画

基于图像核心的VR游戏应在设计之前就已经做好充分准备，因缺少对原画设计的重视度，造成后期模型和动作设计反复修改的案例较为常见，不仅浪费大量时间和精力，也让整个团队工作效率大打折扣。所以，在原画设计中，角色、场景、道具都必不可少，在设计师、投资商、设计师共同努力下，才能完成原画设计。

2.3 模型贴纸

制作场景低膜时需使用3DsMax软件来完成，将它放入ZBmsh进行详细处理。ZBrush作为新时代背景下游戏角色建模的重要依据，随着游戏不断更新人物建模效率也会越来越高，可通过画板来对模型进行科学处理，以此满足数字媒体艺术游戏设计。且该软件具有UV功能，可让设计者在进行设计和制造时更容易控制软件运行，以此降低成本。由于大部分VR游戏互动要求相对较高，所以对游戏需求也非常高。假定模型面数不断增加，势必给计算机系统操作带来困难，所以在进行建模时应注意对模型进行点、线优化，以保证在运行过程中能够正常工作。而在绘制贴片时，要将ZBrush与Photoshop相结合，前者可使人物和场景细节得到优化，后者则可保证后期处理。[3]

2.4 实现交互

VR游戏种类较为常见的有冒险类、射击类、解谜类，其中最受欢迎的是VR类射击类。采用VR技术设计沉浸式游戏场景，配合高科技操纵杆，既能给玩家带来紧张、刺激的感受，又能将注意力集中到虚拟环境中。要使这个游戏模式成为现实，使用Unity3DSteamVR和VRIK非常关键。前者可在官方网站上免费下载，主要是为处理玩家视角，即通过VR技术构建交互模型后，依托关键校本及交互预制体，根据使用者目光、接触实现反馈、交互。

3.基于图像核心的VR技术在数字媒体艺术游戏设计中应用的要点

3.1 3DMax基础建模

采用3DMax建模软件对场景中可互动物体进行基本复原，并对具有动画效果物体进行动画化处理。在基本造型方面采用基于NURBS的多边形造型技术。3DMax中通过修改程序，例如：放样、倒角、柔体、编辑多边形、编辑网格等。同时，可在项目前期工作中先对场景中家具和互动物件进行初步建模、贴图、渲染工作。例如：以游戏“餐桌”该模型建立的过程为例。

首先，建立几何体—长方体—在场景中画出矩形物体—调整参数，紧接，选中长方形物体—右击—将其转化成可编辑多边形—选中可编辑多边形命令—右击—目标属性—点击标签—在它属性面板下面选中点目标—调整每个顶点，以获得想要结果，形成不规则桌子腿。由于采用模型LOD层次优化技术，所以在建模时也按顺序保留不同精度模型，并将其用于不同层次优化。最后，根据基本建模工作绘制该模型。根据该项目总体设计风格，采用Photoshop图像处理工具进行图像处理，并在3DMax上进行贴图、绘制，最终得到*.FBX。

3.2 碰撞检测

碰撞检测是计算机绘图和虚拟现实领域中最基础的一种实现方法。由于现实中无法穿越墙壁，因此要做到真实（科幻类游戏等需要特殊技术游戏除外）必须具备真实物体所有属性，碰撞检测就是其中重要环节。同时，碰撞探测也是最简单、最直观和物体进行交流的方法。在具体设计中应以第一人称方式进行游戏活动设计，并以第一人称方式来表示用户在场景中的位置和动作，以此实现游戏内容具有更多自然人特征，同时可增加一些物理性质如重力、刚性等。由于物体本身特性，“人”在画面中会有一种自然向下推压，若没有撞击物体，那么控制系统就会继续朝下直至符点数满溢为止。在程序设计过程中，则需要人工增加。此外，当使用者希望与场景中物品互动时，需要在冲突物体上增加实体属性。

此外，在应用Unity3D进行游戏开发时，一般有两种方式来探测虚拟场景中的冲突：一是通过建立基本几何模型来包裹被期望对象，用立方体将目标对象包起来，然后将立方体隐藏起来；另外一种方法是将Box Collider（或Sphere Collider，Capsule Collider）属性添加到对象自身。游戏对象碰撞可由刚性部件和碰撞部件（Collider）来进行。碰撞触发功能可分为两大类：碰撞器和触发器。每个类别包括3个类别，分别是进入、保持和退出。其中，运动学刚体触发是具有Rigid body属性Collider，而刚性体则是带有Trigger属性Kinematic。

3.3 物体属性

碰撞检测作为以图像为核心的虚拟产品中不可缺少的重要因素，其设计准则与计算方式虽不尽相同，但却具有一定规律性。一般来说，物品都有生成、移动、碰撞、拾取、销毁、触发等多种动作，不同物品拥有的行为类型和数量不尽相同，其行为方向也各不相同。文章所涉及对象属性，主要是指与使用者互动的对象，例如瓷器、油画、植物等。为显示这些道具能够进行互动，在场景设计时增加一些特别高亮处理，利用手势识别装置可对道具进行多个角度拍摄。

3.4 用户界面和音响效果设计

3.4.1 UI与音效设计

3.4.1.1 UI设计

用户接口指的是手机App、软件、网页、车载平台和各种电子产品。作为使用者和手机的沟通工具，通过图形、色彩、排版等艺术设计要素，担负起互动和信息传递重任。普通用户界面设计中UI设计原则如图3所示。

图3 UI设计原则

①跟踪摄像机：因用户是随机地在场景中运动，所以必须实时地跟踪摄像机，并在用户视线中显示。

②高亮提示：互动物品作为导航，它具有引导使用者进行探索的作用。如图4所示。

图4 高亮提示

③透过墙壁：进行突出UI提示使用者目前所在位置，并引导使用者不断探索突出物体。

3.4.1.2 音效设计

音效作为一种很有吸引力的互动产品，它能为使用者带来不同体验，如紧张、愉悦、兴奋等，而音效则是其中必不可少的因素，它能让使用者在游戏中感受到更深层刺激，从而增加互动沉浸感。在使用过程中通过与游戏软件交互，可获得丰富、愉悦和满足的用户体验。文章从游戏音响效果设计基本原理出发，结合VR游戏教学特色，归纳出一些重要声效特性。见图5。

图5 音效作用示意图

Unity3D为开发人员提供3大部分：音频源、音频片段、音频监控，为开发人员提供简单、快速声音效果。音效采用Unity3D音响系统进行音响设计，利用三维立体音响效果，增强音响空间感。

3.5 交互方法设计

3.5.1 手势识别交互设计

传统游戏操作模式主要依靠鼠标、操纵杆、触摸屏进行操作，但随着VR技术的发展，各种触觉设备不断涌现，丰富玩家游戏体验，带来一种全新人机互动模式。文章所讨论手势识别互动，是以Leap Motion Controller为基础，进行一种互动设计。[6-7]Leap Motion核心功能是检测9块骨骼29个关节，它能识别出毫微级微小位移，能检测手指、手掌、手腕、手指等物体（比如铅笔、钢笔等），具体互动方式要依据教学目标设置和教学对象而定，而手指基本手势如图6所示。

图6 基本手指姿势

Leap Motion软件将某一动作作为姿势。Leap Motion将被探测到的姿势都加入Gesture object，开发人员可根据画面姿势来获得姿势物体。本课题目的在于尽量以最小化方式来达到教学目的，所以在手势选取上要兼顾其敏感性和简便性，并依据手的运动规律，选取3种姿态。

Circle-单指画圈见图7。Leap Motion可识别出手指在空气中圆形动作，并返回圆形动作。这种姿势具有连续性，如手指或所用工具太远，以及动作太慢，其动作就会停止，这一动作在很大程度上是作为场景转换函数。[8]

图7 食指画圈的手势

Swipe-手直线移动。Leap Motion认为，手指直线动作就像是在做连续动作。这种姿态主要是指用户在场景中进行漫游动作，在这个动作中一只手前后左右运动与“人”在虚拟环境中前后运动相对应。

双手在可辨认范围内张开，保持不动。这个动作是根据对方属性来判定，这个动作可用来唤醒用户界面，当两只手都张开的时候，界面就会出现在屏幕中央，如你手有动作，界面就会消失。

3.5.2 头戴显示技术与射线定位设计

Oculus在Unity3D开发平台支持下OculusRiftDK2头戴式显示器在游戏技术指南中互动设计。首先，做硬件配置，计算机配置越好，运行起来就越顺畅，否则会导致帧速下降，随之而来就是头昏眼花、恶心，因此在使用过程中，硬件结构及软件驱动均可满足设计要求。通过头盔角度变化来实现交互式操作，在游戏中，光线探测执行情况：在与不同标记互动物体发生碰撞时，相应文字或影像说明会出现在物体旁边。技术上，Unity3D在5.0之后，还提供Oculus声音支持，在Unity发行版中，可选择“File-Building-Player设置”，并在弹出面板下添加虚拟现实支持，再添加OculusSdks。

结论

综上所述，通过虚拟现实技术用户与系统交互变得更加直观，系统可以根据用户视角来做出自己判断，也可以通过系统为用户提供一种视觉上的体验。但是现在虚拟现实系统并没有太多应用，而且随着虚拟现实硬件价格越来越低，虚拟现实应用也越来越少。本文针对当前虚拟现实技术发展状况，分析其在数码媒体艺术游戏领域的应用，旨在为广大学者提供理论参考。