制茶工藝VＲ體驗系統(tǒng)中交互技術(shù)淺析

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摘要:為傳播我國傳統(tǒng)文化，提升人們對傳統(tǒng)制茶工藝流程和相關(guān)茶文化的了解，本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和傳統(tǒng)制茶工藝流程相結(jié)合，利用Unity3D游戲引擎設(shè)計開發(fā)傳統(tǒng)制茶工藝vR體驗系統(tǒng)。通過使用并改進(jìn)手柄檢測技術(shù)，實現(xiàn)VR手柄同虛擬物體和UI的交互功能。實驗表明，改進(jìn)后的交互技術(shù)在抓取過程中能使手柄和物體模型更加貼合，視覺效果更真實。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù);交互;射線檢測;制茶工藝

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality，VR)的不斷發(fā)展和完善，VR技術(shù)已經(jīng)在一定程度上改變了傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展模式，“VR+行業(yè)”模式逐漸成為一種行業(yè)發(fā)展的重要方式。［1］隸屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的茶文化起源于我國，制茶工藝作為我國優(yōu)秀的傳統(tǒng)工藝之一，包含著民眾的生活智慧和思想感情，但是由于傳統(tǒng)制茶工藝的體驗成本較高、學(xué)習(xí)難度較大，在現(xiàn)實生活中難以直接推廣。因此，本文旨在將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和我國傳統(tǒng)制茶工藝相結(jié)合，一方面可以降低學(xué)習(xí)和體驗成本;另一方面，可以作為推廣和傳播我國茶文化的一種方式，有利于激發(fā)用戶的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動用戶的體驗熱情。目前，國內(nèi)將茶文化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的研究主要分為兩個方向。(1)理論研究方面:張愛華等人［2］提出將茶樹種植和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合從而闡述數(shù)字化展示茶文化中的應(yīng)用機制和注意事項，在理論層面將兩種領(lǐng)域的結(jié)合做出深刻論述。蘇娜等人［3］通過研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)和茶文化結(jié)合的展示策略，詳細(xì)闡述了兩者結(jié)合可生產(chǎn)的價值，并對新的傳播形式進(jìn)行分析，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)和茶文化相結(jié)合的虛擬體驗系統(tǒng)實現(xiàn)提供理論依據(jù)。(2)實際應(yīng)用方面:市場上的VR設(shè)備能夠滿足大部分虛擬環(huán)境中的交互需求，為虛擬現(xiàn)實和傳統(tǒng)文化結(jié)合研究提供了技術(shù)支撐。但目前茶文化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的實際項目主要面向場景漫游，如蔣寧等人［4］通過使用Unity3D引擎制作出茶文化VR展示系統(tǒng)，系統(tǒng)中的內(nèi)容包括茶館的場景的選擇和漫游、和茶具交互等功能，讓體驗者能夠在逼真的環(huán)境中學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的茶文化知識，為茶文化的學(xué)習(xí)提供了全新的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式?；诖耍疚母鶕?jù)我國傳統(tǒng)制茶工藝流程中的交互需求對VR體驗系統(tǒng)做出架構(gòu)設(shè)計，項目共分為流程體驗和知識了解兩個模塊，實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中體驗我國傳統(tǒng)制茶工藝流程、了解我國茶文化。同時，在項目中優(yōu)化手柄選擇和抓取物體的方式，為用戶提供更加真實的交互效果。

1相關(guān)技術(shù)簡介

1.1SteamVR介紹

SteamVRUnityPlugin(簡稱SteamVR)由Value公司開發(fā)，是連接HTCVive頭顯和Unity開發(fā)引擎的橋梁。SteamVR中提供的VRCamera將Unity中自帶的普通相機轉(zhuǎn)化為VR相機，視覺效果也隨之轉(zhuǎn)換為Vive的成像畫面，同時SteamVR庫中還提供了抓取、傳送等功能，用戶可以通過SteamVRInputSystem自定義按鍵和動作的綁定以提供更加豐富的交互方式，如圖1所示。SteamVR庫能夠和HMD之間的庫平臺兼容，并將功能封裝為一個預(yù)制體，開發(fā)者可以直接使用。

1.2UnityUI交互技術(shù)

Unity中內(nèi)置了一套完整的GUI(GraphicalDOI:10.19461/j.cnki.1004-8626.2022.06.002UserInterface)系統(tǒng)，為用戶提供了一套GUI布局設(shè)計解決方案。在Unity4.6版本前，因未設(shè)置GUI可視化編輯器，開發(fā)者需要自行編寫腳本或使用NGUI插件實現(xiàn)GUI界面功能。在Unity4.6之后Unity官方提供了UGUI組件并將其集成到編譯器中，相比較之前的GUI更加靈活、操作更加便捷。UGUI組件中包括畫布、圖像、文本、按鈕等控件，基本滿足開發(fā)者的開發(fā)需求。但是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，UGUI界面無法直接供使用者操作，需要結(jié)合手柄射線和額外腳本實現(xiàn)交互［5－6］。在本文中主要使用的UGUI組件包括Image、Text、Button、ScrollView等以實現(xiàn)茶文化知識介紹，如表1所示。

1.3碰撞檢測

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境內(nèi)，碰撞檢測可用于判斷同一時間內(nèi)是否有兩個及以上的物體占用了相同區(qū)域，若占用了相同區(qū)域則需要有合理的事件響應(yīng)，否則會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，降低用戶沉浸感。碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實項目開發(fā)中的重要組成部分。在Unity3D開發(fā)平臺中，主要有BoxCollider盒碰撞體、SphereCollider橢圓碰撞體、CapsuleCollider膠囊碰撞體和MeshCollider網(wǎng)格碰撞體等。其中，規(guī)則物體通常根據(jù)形狀選擇使用盒碰撞體、橢圓碰撞體、膠囊碰撞體，如圖2所示，手柄模型使用橢圓碰撞體。網(wǎng)格碰撞體則通常使用在不規(guī)則的物體上，如圖3所示，本文中使用的茶葉模型碰撞體類型為網(wǎng)格碰撞體。

2傳統(tǒng)制茶工藝VR體驗系統(tǒng)的交互技術(shù)實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)我國傳統(tǒng)制茶工藝VR體驗系統(tǒng)對實踐性、應(yīng)用性和沉浸感的需求，系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。系統(tǒng)分為體驗?zāi)K和學(xué)習(xí)模塊，體驗?zāi)K針對制茶流程分為完整體驗和分節(jié)體驗，學(xué)習(xí)模塊主要是介紹茶的相關(guān)知識，包括為綠茶、紅茶、烏龍茶、白茶、黃茶、黑茶六大茶類的產(chǎn)地、歷史和代表品種等內(nèi)容。在傳統(tǒng)制茶工藝VR體驗系統(tǒng)中，用戶使用HTCVive虛擬現(xiàn)實游戲設(shè)備在虛擬現(xiàn)實場景中體驗傳統(tǒng)制茶工藝流程、了解我國茶文化。

2.2交互功能設(shè)計

本文中，交互功能依靠SteamVR插件實現(xiàn)，主要分為和物體交互及和UI交互兩個方面。SteamVR可在Unity3D引擎自帶的商店中直接導(dǎo)入使用，插件中包含了較為完善的交互系統(tǒng)，如點擊UI、拾取和投擲物體、傳送等交互功能，通過手柄的直接交互可以實現(xiàn)項目中和茶葉等物體的交互功能，針對于UI交互則需要在原插件的基礎(chǔ)上做出調(diào)整和修改，以實現(xiàn)更加符合設(shè)計預(yù)期的交互效果。用戶進(jìn)入場景后，在初始界面中選擇了解傳統(tǒng)制茶流程中各個步驟的詳細(xì)信息，通過點擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入體驗?zāi)K或?qū)W習(xí)模塊。初始界面如圖5所示，點擊采摘、萎凋、殺青、揉捻和晾曬的圖標(biāo)了解環(huán)節(jié)具體信息并單獨體驗;點擊完整體驗按鈕可直接進(jìn)入到場景中體驗完整傳統(tǒng)制茶工藝流程;點擊了解更多按鈕進(jìn)入學(xué)習(xí)模塊，了解相關(guān)茶文化知識。

2.3交互功能實現(xiàn)

2.3.1手柄與物體交互功能實現(xiàn)。本文為實現(xiàn)更加精確的抓取效果，在手柄上添加射線檢測可交互物體的位置，當(dāng)射線和可交互物體發(fā)生碰撞時，通過計算其平均結(jié)果同設(shè)定的距離閾值做比較，調(diào)整手掌的朝向并確定要抓取的物體位置，最后實現(xiàn)抓取手勢。手柄和物體交互的過程中，主要包括手柄對物體的選擇和抓取兩個環(huán)節(jié)。在選擇環(huán)節(jié)中，通過在手柄模型的虎口處添加錐型射線實現(xiàn)同虛擬物體更加精確的碰撞檢測［7］，通過檢測射線限制手柄的可交互范圍，實現(xiàn)更加真實的選擇效果，手部模型檢測射線如圖6所示。同時在Unity3D開發(fā)引擎中的Inspector面板中掛載檢測射線發(fā)出點、射線最長長度等相關(guān)組件，如圖7所示。具體腳本代碼如下，在腳本中控制射線的數(shù)量和角度，實現(xiàn)檢測射線的朝向控制。當(dāng)用戶進(jìn)入到抓取環(huán)節(jié)中時，手柄會觸發(fā)抓取效果，手指根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡運動，當(dāng)手指檢測到和物體發(fā)生碰撞時，手指停止運動。經(jīng)過上述改進(jìn)，針對如圖3所示的同一茶葉模型，優(yōu)化前后的抓取效果對比如圖8所示。優(yōu)化的選擇環(huán)節(jié)中，手柄對于不規(guī)則物體的選擇是針對整個物體模型，而非模型碰撞體頂點;在抓取環(huán)節(jié)，手柄和物體模型更加貼合，視覺效果更加符合真實情況且穿模問題較少。2.3.2手柄與UI交互功能實現(xiàn)。我國茶文化科普是本文學(xué)習(xí)模塊的主要內(nèi)容，用戶使用手柄和UI界面交互。為了保證手柄和物體、UI界面的交互效果，本文結(jié)合使用SteamVR插件中的SteamVRLaserPointer組件和相關(guān)腳本實現(xiàn)當(dāng)用戶通過手柄發(fā)出的射線碰撞到UI界面時出現(xiàn)射線，否則射線隱藏的效果。具體腳本代碼如下，在Unity中將UI標(biāo)簽設(shè)置為Popularization，當(dāng)手柄射線和Popularization標(biāo)簽物體之間檢測到碰撞時，射線在場景中顯示，否則射線隱藏。學(xué)習(xí)模塊主要使用地圖模型直觀展示茶葉產(chǎn)地并通過圖文介紹其詳細(xì)信息。進(jìn)入學(xué)習(xí)模塊，通過點擊地圖中的省份UI，了解不同省份種植的茶葉代表及其詳細(xì)信息。點擊地圖中的江蘇省所在位置，可以查看江蘇省最具代表性的茶葉品種洞庭碧螺春等的詳細(xì)信息，如歷史淵源和采摘節(jié)氣等，如圖9所示。

3結(jié)論

本文利用Unity3D引擎設(shè)計開發(fā)出以體驗我國傳統(tǒng)制茶工藝流程和了解我國茶文化為主要功能的沉浸式交互系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分是關(guān)于我國傳統(tǒng)制茶工藝的體驗?zāi)K，第二部分是了解我國茶文化知識的學(xué)習(xí)模塊。通過這兩個模塊，使用者可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中切身體驗我國傳統(tǒng)制茶的流程、了解我國茶文化。未來對于系統(tǒng)優(yōu)化主要包括場景和模型的優(yōu)化和完善，在后續(xù)過程中通過添加相關(guān)燈光效果、優(yōu)化材質(zhì)等方式實現(xiàn)更加真實的視覺效果，提高用戶沉浸感。

參考文獻(xiàn):

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［7］郭曉春，程明智，劉龍．基于虛擬手的食品加工仿真交互系統(tǒng)研究［J］．北京印刷學(xué)院學(xué)報，2021，29(6):155-158．

作者:程琪 程明智 劉龍 單位:北京印刷學(xué)院新媒體學(xué)院