虚拟现实场景制作技术研究

虚拟现实场景制作技术研究

张天予 贾凯楠 林教刚

山东协和学院 山东 济南 250109

摘要：虚拟现实（Virtual Reality）技术是近年来新兴起的一种技术在在虚拟现实场景的搭建过程中，是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。

关键词：虚拟现实；场景建模；软件开发

经过多年来虚拟现实技术的持续进步，人类文明各种产业逐步出现高精度、高端化、智能化、科技化的发展趋势，其中的虚拟现实（Virtual Reality）技术在人类社会的各个领域中得到广泛应用。进一步发展的相关技术以及各国政府相关政策的支持与资本投入的聚焦，虚拟现实行业也将以更快的速度迅速发展。

虚拟现实系统的质量衡量标准，除了较为人性的人机交互以及优秀的沉浸感外，同样包括以假乱真的真实感。造成虚拟现实平台真实感的要素首先是视觉上的沉浸感受。为构筑一个良好的虚拟现实场景体验，往往需要大量技术和数据相关工程师的长时间研究和打磨。

一、常见的虚拟现实场景构筑方式

虚拟现实场景的构筑过程需要三维模型的支持和虚拟现实相关引擎软件的共同作用。

（1）通用建模软件构建。

在目前的虚拟现实行业中，虚拟现实场景供应商在制作或创造虚拟现实三维场景时，通常使用3DMAX，MAYA等传统三维模型建模软件进行相关设计。这些软件建模功能强大、数据的兼容性较强且操作较为简单，在虚拟现实相关技术成熟前，业界已有以此为基础的三维场景构造方式。这类软件作为通用建模软件，在进行场景建模时较为方便和精确，但在虚拟现实场景制作的相关规则性很强的行业，这种建模方式的建模效率将远远不能满足相关行业的数量和质量需求。

（2）三维激光扫描

三维激光扫描技术是最精确的三维模型构筑方案，至今有近三十年的发展历史，目前已经发展到了产品的第三代，拥有成熟的相关技术和问题解决方案。激光扫描技术可以应用于不同大小物体，如大到整个城市的扫描，小到桌面上的一本书或一支笔。三维激光扫描技术相比通用建模软件建模拥有更低的成本和更高的速度，但每次扫描产生的相关数据量与一般建模相比更加庞大。

当前的激光扫描设备精度可以达到0.1mm的精度级别，而在这种基础上进行激光扫描，扫描出来的数据被称为点云数据，这种数据往往以TB为单位计算。如此庞大的数据难以直接进入虚拟现实系统进行计算，因而一般的三维扫描厂商除了激光扫描设备以外，同时也拥有点云数据的处理软件。这类软件通过图像算法的作用，使数据总量有所降低，并且根据相关物体属性进行优化。由于人工智能目前的发展程度，这类软件往往需要人工辅助的干预才能真正形成场景数据。

此外，对大型场景扫描的过程中，需要技术水平较高的操作人员进行操作，通常还需要各类测绘设备进行配合使用。

（3）全景拍摄

全景拍摄方式是目前虚拟现实真实场景搭建过程使用量最大，也是成本最低的构建方式，也是虚拟现实视频拍摄的基本方式。受疫情影响，全景拍摄在虚拟现实相关直播、影视、旅游行业中率先出现了井喷式发展，这类制作方式的技术难度相比前几种制作方式难度更低，成本更低，部分定制化虚拟现实全景服务提供商受到资本的青睐并开始走向大众。但目前这类虚拟现实制作方式没有相关制作标准和制作格式，也没有专用的制作和编辑软件，此外，视频的性质决定了此类方式的虚拟现实沉浸感较差且丧失了交互性。因此，目前的全景视频并不是真正意义上的VR视频。

（4）拍摄建模方式

拍摄建模方案是当前的新兴的建模方式，这种建模方式综合了全景拍摄和激光扫描建模的优点。为实现VR场景的大量场景模型要求，出现了这样快速建模的方式。

（5）虚拟现实交互式建模

虚拟现实交互中构建VR场景这项工作一开始就受到了各大公司的关注，Vive消费版发布的时候，典型应用HTC列举了三个，其中就有Google的Tilt Brush，这款软件被大家称为VR世界的PS。在Google推出VR绘图软件之后，Unity、UE4纷纷推出自己的VR场景构建工具，很多专注于此类应用的初创公司也获得了资本的青睐。

二、三维场景创建虚拟现实环境相关技术

虚幻引擎和Unity引擎是当今常见可用于制作虚拟现实场景的三维引擎，在软件中导入三维模型后，经过简单操作即生成虚拟现实场景。

（1）创建虚拟现实环境工程文件

创建虚拟现实交互时，首先在三维建模软件中制作好淄博花灯会三维模型且准备好声音效果，进入虚幻引擎中，新建一个工程文件，打开文件并在初始设置中选择虚拟现实选项。初步设置完成后，在将提前在外部制作的三维场景模型、三维角色模型以及音视频资源等文件放入统一的工程文件夹中。通过搜索，从网络上寻找符合中国风格，并且舒缓平稳的背景音乐（如果有充足的时间，可以自制音乐）植入场景工程文件。这些背景音乐能令观众在游览过程中更加心旷神怡。将上述文件导入工程文件后，可以开始进行蓝图设置。

（2）创建蓝图并利用蓝图可视化系统实现交互内容

虚幻引擎中的蓝图可视化系统是一个是使用基于节点的界面从虚幻编辑器中创建游戏可玩性元素的完整的游戏脚本系统。通过使用蓝图，设计人员几乎可以创作任何包括虚拟现实在内的任何游戏元素的原型，以及实现或修改这些元素。

通过蓝图的编辑，设计人员对视觉，听觉，交互等效果进行详细设置，并设置虚拟现实系统与现实硬件设备的数据交流。

（3）虚拟立体声及音效音乐设计

在三维场景建设完成，并初步建设出虚拟现实场景后，设计声音效果以保证沉浸感。三维虚拟声音系统即虚拟立体声。虚拟立体声，实质上是通过软件模拟实现具有立体感的声音效果。当用户直接听到这些虚拟环境中的声音后，不仅可以听到声音的音色、音调与响度随着用户的交互进行变化外，也能感受到声音的来源方向。

虚幻引擎（unrealengine）4通过引擎的优化从而简化了创造和修改环境声（Ambient Sound）Actor，从而实现了三维虚拟声音技术的过程。环境声拥有各种属性，通过对音频属性的修改和调整，从而实现符合现实世界规律的环境声：距离用户位于虚拟现实系统的坐标越远的声音会越小。

在虚幻引擎的模式（Modes） 面板的 所有类（All Classes） 下选择环境声（Ambient Sound）Actor，并将其导入其构筑的虚拟现实环境创作界面中后，开始对各类属性进行调节。通过对衰减（Attenuation）、调制（Modulation）和音频体积（Audio Volume）三个属性的设置。在通过以上三个方面，使用前期收集并导入工程内的音效资源，在设置面板中进行不同属性的设置，虚拟现实系统可以实现三维虚拟声音。

参考文献：

[1]虚幻引擎4说明文档，Epic Games，2020

[2]安维华．虚拟现实技术及应用，2014（4）

[3]陈怀友 等．虚拟现实技术，清华大学出版社，2012（8）

[4]阿拉姆库克森．Unreal Engine 4游戏开发入门经典，人民邮电出版社2019（8）

[5]范士喜．三维建模经典案例教程，清华大学出版社2016（9）

作者简介：

张天予（2000-），男，山东省济南市，山东协和学院，数字媒体技术18级学生