基于Unity3D虚拟空间交互系统.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期基于 虚拟空间交互系统高 强(山西职业技术学院 山西 太原)【摘摘要要】针对 、等计算机辅助设计软件缺乏交互性功能的问题基于 开发引擎的虚拟现实技术应用展开了深入研究并设计了一个/架构的虚拟空间交互系统对三维场景实时渲染、碰撞检测等核心功能的实现方法进行了探讨为虚拟现实技术在虚拟空间交互系统中的应用提供了一定的参考经验【关关键键词词】虚虚拟拟空空间间 虚虚拟拟现现实实技技术术 软软件件【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()作者简介:高强()男山西五台硕士讲师研究方向:计算机辅助设计技术 引言随着计算机技术的发展借助 、等计算机辅助设计软件已经可以构建出十分逼真的三维虚拟空间并将其广泛应用于工业制造、建筑设计等专业领域 但是采用上述方法所构建的三维虚拟空间都是静态空间不具有交互功能用户只能通过固定视角对局部空间进行观测且不能对数据进行动态查询和处理因此在实际应用中用户还需要辅助人工操作进行图像拼接和数据采集 针对这一技术缺陷本研究结合虚拟现实技术基于 开发引擎设计了一个虚拟空间交互系统在构建好的三维虚拟空间基础上增加了场景漫游、模型编辑、数据管理等动态交互功能 关键技术概述 三维建模三维建模用于虚拟现实场景中所有三维素材的设计与制作常用软件有 、等三维建模的主要方法有 种 第一种是人工建模也就是通过人工操作上述软件进行模型的设计构建、材质绘制等 的模型构建方法是先通过图形绘制命令生成准确尺寸的二维图形再依据高度标注等参数转换为三维模型适用于建筑模型、工业零配件模型的制作、软件是基于几何体方式直接进行三维模型的制作通过几何面片的拼接、编辑生成各种形态的模型体并提供有材质管理器、粒子特效、场景光源等工具适用于大场景、人体等复杂模型的构造 第二种是通过三维扫描实现模型重构利用三维扫描设备对真实物体进行数据采集再通过模型重构算法转换为数字化模型适用于仿真要求度高的模型制作 虚拟现实技术虚拟现实技术是一种计算机仿真技术通过三维建模、计算机编程等方式实现对真实世界的数字化模拟用户可以配合相应的虚拟产品对数字环境进行虚拟体验和交互如虚拟场景漫游、光源变化、虚拟物品操作等 虚拟现实技术主要由硬件部分与软件系统两部分组成 硬件部分主要指的是 眼镜、手柄等设备它是虚拟软件系统运行的物理载体通过左右眼分开成像的光学原理在人眼中呈现出立体的视觉效果同时配合传感器、手柄就可以与虚拟场景进行人机交互 软件系统又分为前端与后端系统两部分前端系统负责三维场景渲染、用户交互和业务逻辑处理等功能的实现后端系统负责三维场景的图形运算和数据库管理 引擎 引擎是虚拟现实软件系统开发的核心工具负责场景搭建、交互程序设计、业务逻辑控制、前后端数据通信等功能的实现主流的常用软件为、这两款 引擎软件最初主要用于三维游戏的设计、开发其中 具有跨平台部署、多种编程语言的程序库支持、物理属性模拟、粒子特效等技术优势且匹配有丰富的第三方资源库和多种第三方软件工具的通信接口使其在虚拟现实技术领域也快速得到了广泛应用此外针对数据通信 还提供了 与 两类数据库接口 虚拟空间交互系统的开发需求分析 功能需求()交互性功能需求 允许用户对虚拟空间进行各种交互操作包括二维/三维视图切换、场景漫游、建筑元素的移动/编辑、建筑材质更换、光照效果切换、视角切换等()动态数据管理需求 包括用户数据管理、系统数据管理、专业数据管理等用户数据管理指的是系统用户的基本信息管理系统数据管理包括系统设置参数、通知消息、日志以及系统备份恢复记录等数据的管理专业数据管理是指虚拟建筑空间规划的测量数据、用户标注数据等信息的管理()粒子效果与物理属性的动态模拟需求 允许用户通过粒子效果切换实现对自然环境的风、光、雷、电、火等效果的模拟通过物理属性设置实现虚拟空间中物体碰撞、摩擦等物理效果的模拟()文件格式的解析需求 虚拟空间系统涉及了大量的三维场景、模型、贴图等素材资源还涉及了不同软件开发平台下多种文件格式的数据交互与转换 所支持的音频类文件格式有原生音频、压缩音频信息记录材料 年 月 第 卷第 期、等模型类资源的文件存储格式为 贴图文件存储格式有、等 因此系统还需要具备文件格式的解析功能以实现各种数据文件格式的动态交互 性能需求()系统实时性 由于系统涉及大量三维数据的可视化处理特别是在空间动态变换的情况下场景、模型的实时渲染需要消耗大量的运算资源一旦资源调度不合理就会产生明显的延时甚至宕机因此保障系统的实时性是十分必要的()数据安全性 虚拟空间交互系统应用于专业领域时相关数据多属于商业数据在数据的安全性方面要求要高于一般的用户数据因此在数据安全性方面需要具有完善的保障机制包括用户数据合法性验证、数据操作日志管理机制、数据安全备份与恢复机制等()系统的稳定性 系统稳定性是对系统综合性能的一种客观评价评价指标包括系统的平均无故障时间、平均故障修复时间、平均故障间隔时间等 系统稳定性越高系统的有效使用时间就越长相对的技术投入成本也就越低 因此在系统应用过程中应建立相应的故障检测、用户反馈、设备维护等机制以保障系统的稳定运行 基于 的虚拟空间交互系统构建 系统架构与功能设计基于 的虚拟空间交互系统的架构设计主要采用了客户端/服务器(/)模式 建筑空间规划设计 系统架构设计如图 所示图 建筑空间规划设计 系统架构设计 客户端功能设计客户端主要负责用户验证界面、界面、可视化场景界面的动态效果显示与业务逻辑管理 用户验证界面用于采集用户的登录信息并通过服务器请求完成信息的合法性验证 界面负责各类交互控件的 动态显示 提供的 控件包括文本控件、按钮控件、图像控件、滑动杆、富文本等同时 还为这些控件配置了各种外观属性如颜色、透明度、描边、阴影等通过程序控制可以实现动态效果显示如按钮按下/弹起的颜色变化、图像的动态填充等 可视化场景用于三维场景及模型的动态渲染与显示三维场景包括天空贴图、树/草模型等 提供有预置的天空盒、树/草模型和材质球可以快速生成场景环境并且具有较高的渲染效率三维模型主要指场景中的建筑楼宇、地面装饰物、室内家居等如果模型面数过多且曲面较为复杂的话会对系统的渲染效率产生一定影响 业务逻辑管理负责客户端界面的交互逻辑控制与业务数据的请求和响应用户与系统的交互业务类型主要有 种一种是针对三维场景和模型的交互如场景切换、视角移动、环境变换、模型操作等这类交互业务不涉及数据传输因此通过客户端的程序设计即可实现逻辑控制另一种是针对数据的交互如用户信息验证、建筑信息查询、标注信息导入、用户自定义的模型素材文件导入都涉及对底层数据库的访问这就需要与服务器端建立连接以实现数据传输 通信连接的建立 将软件系统封装为、这 种文件格式分别部署在 客户端与移动客户端通过套接字 与服务器建立连接通道进行实时通信 套接字 是一种专用于/系统架构的通信机制将底层通信的各类协议进行了封装和屏蔽并约定了统一的通信方式和一套通信接口 的通信过程主要包括建立连接、传送数据和关闭连接 个步骤首先调用 内置的 函数通过客户端中包含的 套接字与服务器建立连接 并将待处 理的数据写 入通用缓冲 区接着调用 函数对数据传输协议进行解析以及数据的粘包和分包处理最后调用.函数关闭连接在关闭连接之前服务器还需向客户端发布一个订阅消息告知客户端连接关闭 服务器端功能设计服务器端的功能设计包括资源调度、文件解析、图形处理与数据库服务等模块 资源调度模块主要负责监听各个客户端的数据连接请求进行数据的解析处理并按照一定的调度策略进行系统资源的调度分配 文件解析模块负责对用户导入的文件进行格式转换与信息解析如三维模型文件、贴图文件、音频文件等 在图形处理模块中服务器采用了图形处理专用引擎 进行三维场景、模型的图形计算和处理包括顶点混合、纹理映射、贴图压缩等以确保客户端系统能够保持稳定的图形渲染效率 数据库服务模块则负责服务器与数据库的通信、数据库的备份与恢复当服务器解析的任务请求涉及数据库操作时由服务器对数据库进行读写访问并将最终结果返回至客户端 数据库功能设计数据库构建采用了关系型数据库管理工具 除了基本的数据存储、写入/读出功能 还提供有身份验证机制以确保数据库的安全访问 访问数据库首先需要导入.文件代码示例如下:.其次在 中通过自定义的 类就可以对数据库进行访问 类内封装的 方信息记录材料 年 月 第 卷第 期法用于对用户的身份合法进行验证、方法用于建立和关闭数据库连接同时提供了多种数据的增删改查方法 核心功能的实现 三维场景与模型的实时渲染三维场景/模型实时渲染是指用户对三维场景或模型进行交互操作时系统需要实时对场景材质和模型进行动态渲染和显示 为了确保图形处理的渲染效率提供了图形缓存、场景预加载、任务调度等保障机制首先由服务器对当前加载场景中的所有图形进行预处理再将其缓存至客户端已供场景调度 在此基础上还可以通过模型面数精减、分级渲染等方式进一步提升渲染效率的实时性 模型面数精减是指在三维建模环节就对模型不需要显示的面进行删减如模型与地面接触的部分 分级渲染是指在三维场景中依据视角的覆盖范围对渲染对象进行分级管理距离最近的对象为最高渲染级别需优先保障渲染效率距离较远且在视角覆盖范围内的对象为中等优先级而处于视角范围外的对象为最低级别可采用静态渲染方式进行图像处理 三维场景的交互碰撞检测 提供了 种碰撞检测策略:射线检测与碰撞体检测 射线检测是由场景中的摄像机发出一条射线场景模型与射线相交时即认为发生了碰撞该策略适用于模型对象的拾取、更换材质、移动旋转等操作的碰撞检测碰撞体检测是通过对模型表面生成的网格碰撞体进行相交检测来判断物体是否发生碰撞适用于场景、模型交互的边界控制防止用户视角穿过模型或场景边界碰撞检测策略主要通过包围盒算法对物体进行相交检测 对于建筑类模型因其外观形状较为规则因此可以采用最为基础的算法轴对齐包围盒()算法进行碰撞检测 通过生成规则的立方体网格对碰撞检测体进行包裹计算立方体 个顶点的三维坐标最大投影值与最小投影值确定包围盒的大小该算法程序设计简单执行效率高但检测精度较低适用于构造简单的静态模型检测主要用于场景漫游的边界碰撞检测防止视角穿过虚拟空间的边界 针对运动 中 的 模 型 检 测 可 以 采 用 方 向 包 围 盒()算法进行检测 模型在运动中随着位置、角度的变换包围盒也需相应地做出改变才能确保检测的正确性 算法通过计算包围盒 个轴向与模型轴向的相交半径确定模型的旋转角度从而调整包围盒的变换方向实现动态模型检测的效果 结论综上所述计算机辅助设计软件 、等虽然能够构建逼真的三维虚拟空间但在动态交互与数据实时性管理等方面仍存在很大的技术缺陷为了解决这一问题本研究结合虚拟现实技术设计了一个基于 的虚拟空间交互系统并对其功能设计、三维场景实时渲染、碰撞检测等核心功能的实现进行了阐述为之后的相关研究奠定了实践基础【参考文献】贺娇.基于交互体验的建筑场景空间设计理论与方法研究.北京:北京交通大学.吴炜.基于虚拟现实技术的建筑空间信息与人体感知的关联机制研究.北京:北京交通大学.李建 张杰.基于 的虚拟仿真实验教学项目设计与探索:以“景观视觉空间分析虚拟仿真实验教学项目”为例.中国教育信息化():.周恩博.虚拟现实技术下古建筑数字化复原设计的实践与研究.艺术与设计(理论)():.李军 时磊.基于 技术实现管廊内的场景漫游交互.工业控制计算机 ():.王霞.框架下的 大型项目开发.西安文理学院学报(自然科学版)():.许勃森 吴泊辛.交互与实时渲染发展对三维预演的改进.电脑知识与技术 ():.方科.基于 的虚拟室外场景设计与开发.信息与电脑(理论版)():.顾飞宇 毛嘉伟.基于包围盒技术的机器人避障干涉方法.工业控制计算机 ():.朱夏昕 王悦童.基于 的兵马俑交互系统设计.电子技术 ():.(上接第 页)来越广泛并因其较低的成本投入和强大的运算和存储功能使人们得到了巨大的便利 随着云计算技术的普及人们在利用云服务的过程中会遇到很多安全问题 云环境中的数据存储安全性是云计算未来健康稳定发展的关键也是当前云业界关注的焦点【参考文献】许国栋.云计算环境下数据中心的网络安全问题分析及防护.网络安全技术与应用():.龚华堂.大数据云计算环境下数据安全的研究.现代信息科技 ():.徐刚.大数据云计算环境下的数据安全问题研究.科学技术创新():.曹杰.云计算背景下的大数据存储安全技术研究.信息系统工程():.于晶晶 宋庆龙 李文博.大数据时代计算机网络信息安全防护.电子元器件与信息技术 ():.