虚拟现实技术在游艇展示中的应用

张超 刘李明 葛金龙

摘 要 本文阐述了相较于传统展示方式，虚拟现实技术所表现出的优势，并对各主流虚拟现实软件的特点进行比较。然后探讨了基于VR-Platform虚拟现实平台的游艇虚拟展示中涉及到的关键技术以及在这些技术运用过程中所需注意的一些问题。

关键词 虚拟现实 游艇 虚拟展示

中图分类号：TP31 文献标识码：A

Virtual Reality Technology in The Application of the Yacht Show

ZHANG Chao, LIU Liming, GE Jinlong

(Industrial Design Department, School of Mechanical Engineering,

Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003)

Abstract This paper elaborates the traditional way than show, the virtual reality technology showed what advantage, and the main characteristics of the virtual reality software comparison. Then discusses the VR-Platform based on virtual reality platform cruise virtual display the key technologies involved in these technologies and in the process of using needed attention to some problems.

Key words virtual reality; the yacht; virtual display

1 虚拟现实技术在设计展示中的优势

设计师在创作过程中所要面对的困难之一便是交流，这包括与同事之间的交流，与上司之间的交流，与客户之间的交流，甚至与自己的交流。在这些交流过程中便需要有一种媒介来承载设计师的创意方案，将设计师的意图尽可能完美地展示在对方面前，以期与对方尽可能融洽地沟通。在这些媒介中，工程图精确有余而直观性不足；效果图精美有余而临场感不足；动画视频全面性有余而灵活性、交互性不足……传统的表现方式虽各有所长但缺点都更为突出，而设计师急需一种美观、精确、高效、灵活、可以实时交互的展示手段，虚拟现实技术的应用与发展为此提供了可能。

虚拟现实的终极目的便是要通过计算机图形学创造一个逼真的虚拟世界，在这个世界中，视觉、听觉、触觉、嗅觉等感观都会得到虚拟再现，用户可以通过操作来实时地改变这个世界，并且通过辅助设备获得自然地反馈，就像在客观现实世界中可以和各种事物交互一样。这种真实体验能令用户沉浸其中，并随之产生构想。

2 虚拟现实展示平台的选择

虚拟现实的平台多种多样，常见的诸如Virtools、Quest3D、VR-Platform等，其中有些软件对有计算机编程背景的人员来说较为合适，而对工业设计师而言，则需要一种具有图形化开发界面的平台来进行创作。这种平台不需要手动键入一行行晦涩难懂的代码，而是如同普通三维软件一样直观方便，所见即所得（当然，若有需要，虚拟现实软件也提供软件开发包，允许用户自行通过各种计算机编程语言来对其功能进行扩展）。

3 辅助平台及其主要任务

3.1 辅助软件的主要任务

虚拟现实平台一般建模能力极为有限，并且几乎不具备绘制贴图的能力，所以欲用虚拟现实软件进行创作，则必须至少熟练掌握一款功能强大、全面的三维软件与一款稳定可靠的平面软件，以便与虚拟现实软件协同工作。

具体来说，2D软件所需承担的主要工作有：（1）贴图的修改与绘制。为在尽量不增加计算机运算负担的前提下提高场景的美观程度、增进其真实效果，逼真精美的贴图必不可少。贴图的来源之一便是实景拍摄，拍摄所获得的图片素材一般需要经过平面软件的加工处理后方可使用。而贴图的来源之二便是在平面软件中直接绘制。而且当在三维软件中对模型进行烘焙贴图之后，烘焙好的贴图上可能因为模型漏光等问题产生光影错误，这就需要在平面软件中对其进行修改。（2）GUI（图形用户界面）的设计与绘制。界面是否美观大方，按钮是否精致时尚都直接影响用户的操作感受。为使操作过程舒适、简单、自由，设计师需要使用平面软件设计与绘制一套风格统一、易于理解、漂亮有趣的GUI。

3D软件所需承担的主要工作有：（1）建模。外形准确、布线合理的三维模型是整个虚拟世界的主体。（2）动画。虚拟现实中常常需要增添动画来增加真实感、交互性、趣味性。例如门窗开闭，阀门转动，人物动作等。（3）UV展开。为使平面贴图与三维模型准确对应，需要对模型进行展UV等操作。（4）烘焙贴图。在三维世界中光影的计算是极其复杂耗时的，在现有的PC硬件水平下，要在保证效果的前提下对每一帧都进行实时光影计算，几乎不可能保证流畅感。所以需要将光影关系渲染好，烘焙到贴图中去。（5）ABC组的建立。创建ABC组可以方便对场景中文件管理，为后续动画导出，创建反射组等工作提供方便。

3.2 辅助软件的选择

在平面软件的选择过程中并不需要过多的权衡。Adobe公司出品的著名图形图像处理软件Photoshop功能强大全面，完全可以满足上述所有需求，是平面软件的理想之选。

但是在三维软件的选择上却需要费些斟酌。本来Robert McNeel &Associates公司出品的以NURBS（非均匀有理B样线）为理论基础的3D建模软件Rhinoceros是设计游艇的利器。因为NURBS建模方式用途广泛，它基于控制点来调节表面，只需少量控制点便可以得到均匀的曲面。其特点是光滑、精确,可以直接用于开模生产。故而理论上用它来设计建模游艇是再合适不过了。但是考虑到虚拟展示中远远不是仅仅建立一个游艇模型就大功告成，而是还有大量的后续工作要做，所以还要慎重考虑是否选择Rhinoceros。比如Rhinoceros建立的NURBS模型在转化为网格时会产生大量的废面，这为UV展开设置了极大的障碍，更为以后计算机的实时显示造成巨大负担。而且Rhinoceros也几乎不具备动画设置、烘焙贴图等功能，再加上此处我们只是将游艇模型用于虚拟展示而非工业生产，所以Rhinoceros的优势丧失殆尽，缺点暴露无遗，看来Rhinoceros并非虚拟现实软件的最佳搭档。

综合考虑，我们选择Autodesk公司旗下的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3ds max。它是的功能非常强大，被广泛地应用于产品开发、影视制作、三维游戏、建筑和广告设计等领域。3ds max软件的建模方法有很多种，比如Polygon（多边形）建模法、NURBS建模法、Surface（表面）建模法以及Subdivision（细分）建模法。就3ds max软件本身来说，最主要的建模方法是Polygon建模法。Polygon建模法是一种历史悠久而又极具生命力的建模方法。此方法通过对顶点、边、边界、多边形、元素的调节，以及不断地细分，最终创造出精致可信的模型。熟练的模型师应用Polygon建模法可以得心应手地控制模型上面的疏密分布，从而得到最优化的模型。这为UV展开、计算机的实时显示提供了便利。并且相较于NURBS建模法Polygon建模法对模型修改更为方便、建模方式更为灵活。再加上3ds max并不是简单的建模工具，而是一款综合的多功能软件，具备UV展开、动画设置、烘焙贴图等虚拟展示所需功能，不难看出 3ds max与虚拟现实软件的配合相得益彰。

4 游艇虚拟展示制作关键技术

建模技术： 选用“盒子建模法”，即从一个box开始，通过在各层级下使用挤出、连接、切角、焊接等命令一步步创建出精致的模型。其特点是直观方便对整体型把握容易。尤其适合游艇艇体这种需要控制很多截面形状的物体建模。从box到游艇艇体的大致演变过程如图1。

建模的原则是在保证在必要细节都得到真实再现的前提下精简模型，控制模型面数，删除看不见的面。在模型建立完毕之后，还可以视情况将材质相同的模型合并在一起，通过减少模型个数实现加快场景载入时间与运行速度的目的。需要重点指出的是，可以设计数套方案，通过脚本编辑器实现允许用户切换不同方案显示，以便比较的功能。

UV贴图：为了使贴图正确映射到模型，3ds max中有两大最常用的UV修改器，即Unwrap UVW 和UVW Mapping。如果对如简单模型则使用UVW Mapping足矣，而复杂情况则必须使用Unwrap UVW。

烘焙贴图：优秀的设计大师利用功能强大的渲染器可以创作出令人惊叹的“照片级”效果图，而这种真实感与光影关系的计算息息相关。使用3ds max菜单栏中的Rendering——Render To Texture命令，我们可以将通过高级渲染器（如Mantel Ray、Vray等）预渲染得来的光照、阴影、凹凸等信息记录到一张贴图上，在导入到虚拟现实软件中后，将此贴图与纹理贴图相混合，从而实现快速得到逼真可信效果的目的。

导入虚拟现实软件：虚拟现实软件一般都自带与三维软件的接口插件。为导出工作带来方便。除此之外我们也可以借助一些第三方文件格式转换工具来将三维动画软件与虚拟现实软件紧密相连。但是在导入过程中还是有些地方需要特别注意，例如最好养成将模型命名的习惯，以免在导入到虚拟现实软件之后，面对列表中的一长串Box1、Box2、Circle1、Circle2……茫然失措，导致事倍功半。再比如如果想将刚体动画导入VRP中去，则必须将动画涉及到的模型创建为ABC组，并且以vrp_rigid为前缀为此选择集命名。

材质：除了在三维软件中设置材质之外，在虚拟现实软件中亦可对模型的环境光、漫反射、高光、自发光等的颜色及系数进行调节，也可以设置贴图的透明程度与透明方式，并可以设置反射贴图与实时反射等，通过对这些参数进行调节得到我们所要的质感。

以目前的软件与硬件的技术水平而言，虚拟现实软件所能表现的质感还很难与在三维软件中用高级渲染器耗时渲染出的效果相匹敌。例如玻璃材质，在虚拟现实中表现玻璃质感，只需先调出些高光，然后将不透明度降低，再设置好反射贴图即可，效果较为粗糙，而且根本不可能通过材质调节来模拟诸如折射、雾色、焦散等效果。

但虚拟现实却有一个普通效果图与动画视频皆望尘莫及的优势，那就是允许用户通过很简单的操作对场景中模型的材质实时切换。例如游艇艇体装饰边条有十种颜色可供选择，飞桥的颜色有五种可供选择，玻璃的颜色有三种可供选择。用户可以根据自己的喜好对其随意搭配，实时地观察到此种搭配的效果，通过直观地比较选择出最佳方案。这种优势在表现游艇内饰时更为突出。

摄像机：通常情况下，一个完整的虚拟现实游艇展示文件需要至少三种摄像机：一个绕物旋转相机，通过它可以让用户使用鼠标或者键盘操作来从各个角度观察游艇的外观；一个动画相机，通过事先设置好的动画来对游艇进行全方位的展示，也可以准备好多个动画相机，调整好播放顺序，令其自动展示；一个行走相机，通过对行走相机的控制，体验在游艇当中游览的感觉，便于观察游艇中的内饰布置与材质。

GUI：虚拟现实的界面元素允许以较为灵活的方式构成，例如按钮、下拉框、滑杆、信息框、进度条、FLASH……在游艇虚拟展示中，最主要应当实现的功能有各个摄像机之间的切换、各个不同方案模型之间的替换、不同零件各种材质的切换、音乐的暂停与播放、音量调节、退出场景等。

音乐：为了增加临场感，可以加入一些诸如海浪、海鸥之类的背景声音，让用户产生身临其境之感。还可以加入一些轻柔舒缓的背景音乐，在不喧宾夺主令用户分散注意力的前提下，使人心情放松愉悦，更好地融入虚拟场景当中去。也有一些音效具有实际提示功能，比如某些按钮按下/弹起时发出的提示音，以及场中动画执行时的配音，例如开艇时发动机的轰鸣，打开天窗时的设备声。

发布：虚拟现实软件可以生成多种成品，除了.exe可执行文件之外，还可以发布到网页中去，甚至可以生成安装包，屏幕保护等文件。

5 结束语

现阶段的虚拟现实技术虽然仍然有很多缺点，例如硬件昂贵，很多显示效果仅能算强差人意等。但是这不能阻碍虚拟现实技术被广泛应用以及飞速发展的脚步。毕竟相较于其他展示方式来说，虚拟现实技术可谓质的飞跃。如果说平面图纸打破了语言文字描述的桎梏，三维动画冲毁了空间的枷锁，那虚拟现实则重塑了一个世界。在不久的将来，这种展示方式将会成为主流。而且在虚拟现实的世界中，展示角度无限自由，模型可以任意更替，材质可以随心替换，可以模拟出较为逼真的水面效果等等，这些都为游艇展示提供极大便利。尽早了解虚拟现实技术，尽快提高技术水平，已是游艇设计师的必修课。

参考文献

[1] 柳喆俊.QUEST 3D虚拟现实技术[M].东方出版社,2010.10.

[2] 王正盛,陈征.VRP10/3ds Max虚拟现实制作技能实训教程[M].2010.12.

[3] 刘向群,吴彬.虚拟现实案例教程——基于QUEST 3D / VR-Platform / Virtools [M].2010.10.