论虚拟现实技术在三维游戏中的应用
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作者: 沈建虎等
摘要：虚拟现实技术是一门新兴的计算机数字技术，该技术以其多感知的特点、交互性好、临场感强，构想性突出已经在各个领域凸显出它的活力和优势。就房地产行业来说虚拟现实技术能带给决策者、销售者、客户强大的视觉冲击力，最直观的便捷的人机交互模式，实现数字实景参观的效果。并且在房地产设计阶段，建筑主体装饰施工阶段，最后营销阶段带来非常好的模拟效果，实现了建筑设计信息化、智能化、空间可视化。
关键词：虚拟现实技术建筑设计数字技术
1 虚拟现实技术的基本概念与特征
1.1 虚拟现实技术的定义
虚拟现实技术是计算机技术与艺术相结合的新兴产物，是一种以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它的交互性、沉浸感特性使它与一般的三维计算机图形截然不同：它利用了多种计算机技术模拟人的感觉器官功能，创建了一种适人化的多维空间，强调的是一种身临其境的感觉，采用的是人与人之间自然的交互方式。它模拟的方式为使用者创造了一个实时反映对象变化与相互作用的三维图形世界，在视、听、触摸等感知行为的逼真体验中，使参与者可以获得直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用与变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中。
虚拟现实系统一般由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成，软件分为建模软件和实时仿真软件两大类，常用的建模软件有3DS MAX、MAYA等。虚拟现实技术中任何复杂虚拟环境的创建都需要使用计算机实时三维图形学和三维仿真技术。所以掌握这些技术是实现虚拟现实技术的关键。
1.2 虚拟现实技术的特征
1.2.1 多感知性
所谓多感知性就是指导包括视觉感知外, 还包括听觉、力觉、触觉和运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
1.2.2 存在感
又称临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。
1.2.3 交互性
它是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。我们借助与我们的感觉器官，在虚拟的环境中体验真实的环境。
1.2.4 自主性
是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度。例如，当收到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻到、或从桌面落到地面。虚拟现实系统的关键技术主要由动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等五个方面组成。
2 三维游戏的基础知识
2.1 三维游戏的概念
3D游戏就是三维游戏，3D中的D是Dimension（维）的缩写。三维游戏中的点的位置由三个坐标决定的（x，y，z）。客观存在的现实空间就是三维空间，具有长、宽、高三种度量。三维游戏(3D游戏又称立体游戏)是相对于二维游戏(2D游戏又称平面游戏)而言的，因其采用了立体空间坐标的概念，所以更显真实，而且对空间操作的随意性也较强。也更容易吸引人。
3D类型的游戏有很多比如《捕鱼达人》，游戏场景采用3D制作，各种鱼类游动姿态自然，炮弹打击粒子效果华丽，打击感强烈。游戏丰富了更多游戏场景、游戏火炮增加至8种、神秘游戏剧情增加至108种，火炮道具、养成道具等创新功能的推出，使得捕鱼达人游戏内容更加丰富多彩。网络版的《捕鱼达人》已在老K游戏上。还有其它经典3D游戏：魔兽世界、上古卷轴、永恒之塔、指环王、诛仙2、龙之谷、流星蝴蝶剑等等很多。
2.2 二维与三维游戏的比较
三维游戏较二维游戏而言的优势：
第一，三维游戏立体感更强，更具真实性。可以让我们通过任何一个角度来观看世界，且能让他们在里面以不同的步伐进行移动。
第二，三维游戏在动画制作上有其独特的优势。这一点在第一人称的射击游戏（如Quake中）尤其突出。3D动画能够很轻松的越过这些困难。先给3D对象定义变形和运动的规律，实际运行时，程序就会让3D对象按照预定的规律来运动，形成3D动画。
第三，三维游戏中对象容易修改。因为它本身是由若干个多变体组成的。这些多变体随意性比较强，可以任意改动或者变动，已达到最终的要求。
当然二维游戏也有其自身的优势所在：
第一，二维游戏的图像能够画的很精致，完美的表现出细节。
第二，二维游戏在屏幕上显示和处理的速度比较快。
第三，二维游戏上手容易。
其实三维与二维游戏并非只存在谁好或者谁坏的问题，重要的是谁能够更好地服务于游戏之中。
3 虚拟现实技术与三维游戏的相互渗透融合
3.1 虚拟现实技术对真实环境的模拟
场景是一个完整的游戏所必需的，场景的模型是游戏发生的场所，是游戏的一个重要因素。在游戏场景中，可以对每个模型的外形用多边形进行拟合，而模型真实感则通过对模型外表材质和光照来表现，由于当今的三维造型软件已经相当成熟，没有必要再重新三维模型的造型软件，而是充分利用这些软件工具来建造游戏场景，然后通过数据模型转换得到需要的三维模型。建模的基本过程有两步：几何建模和形象建模。场景又分室外和室内两部分。一般室外场景较多，比如在游戏开始时，美丽的花草、建筑或者瀑布、蓝天白云等。
3.2 虚拟现实技术与交互娱乐的结合
交互性指的是游戏的剧情或人物对我们在游戏中所做的动作或选择产生的某些特定的反应。举个例子来说，游戏中可以设计成主角遇到了一个世外高人，开始他对主角总是爱理不理的。不过当主角替他完成了他的某些心愿后，这位世外高人对主角的态度马上一百八十度大转弯，主角不但有可能从他这里学到一些绝世武功，得到一些重要的道具，甚至还可能从他口中得知游戏继续进行下去的线索，这也就是游戏的交互性。而且，当游戏进行到一定程度时需要设置一些奖励，例如播放精彩的奖励也可以包括隐藏的因子。这些设计非常有意思，这也是现在的游戏都会加上的功能，但是这些设计不可以影响游戏主线剧情的进行，毕竟它们只是额外的奖励而已。
由于对话最能表现游戏中的故事情节，所以我们在设计游戏时应该让对话不单调且不重复，即游戏中的对话多为一些常用且有意义的对话，而且它们之间又可以互相组合。同时我们还要注意不要使用太过简单的字词，以免显得比较草率，应尽量用与目前游戏中的情景有关的话题，使得游戏更加真切，且更有娱乐性。
3.3 虚拟现实技术的多感知性在游戏中的表现
在一个阴暗的病房里，年轻的海军士兵约书亚・弗莱正往自己头上戴一个护目镜，他的手、手臂、胸部都插满了传感器，手中握着一个手柄，然后，像《黑客帝国》中的尼奥一样，弗莱进入了一个惨烈的战场。
这不只是一个游戏。事实上，弗莱刚从伊拉克战场回来。在费卢杰中弹受伤后，他被转送到美国海军医疗中心治疗。因为亲眼目睹战友惨死，他夜夜做噩梦，梦中是支离破碎的身体，肩膀和胸口的伤口虽已痊愈，却仍时时袭来剧痛。他时常从轮椅上跌落，口中喃喃念叨，“我们根本不该去伊拉克”。
在游戏里，他再次行走在被炸得满目疮痍的费卢杰大街上，眼中所见都是黑色的烟雾、爆炸后的残火;耳中听到的都是炮声、枪声、坦克重重碾过地面的声音，夹杂着战友的痛苦呻吟……几分钟后，他的心跳开始加速，呼吸变得急促，手心发热，身边的监视器不停的刷新他的心跳值。
这是一个典型的“浸入式”心理治疗游戏。南加州大学的研究员以一款专为军队格斗训练设计的第一人称射击游戏《全光谱战士》为基础改编了这款游戏，用来治疗那些患有战后精神紊乱症的士兵――利用虚拟现实技术（Virtual Reality）让病人“重返”极度逼真的战争现场，调动在视觉、听觉、触觉、甚至味觉方面的多种感官反应，让他直面自己恐惧的源头，然后告诉他:“别怕，一切都是假的”。
最早提出“虚拟现实”概念的是天才程序员杰兰・拉尼尔。他对这种技术最初的设想是:用计算机生成一个融合了三维视觉、听觉、触觉或嗅觉的感觉世界，人们可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一虚拟世界进行浏览和交互，从而体验一种浸入式的、多重感官刺激的经验。当时人们对于虚拟现实最通俗的想象就是:戴上数据手套、头盔显示器，或者穿上数据衣，便可以进入一个数字新世界。当然，这个新世界有着巨大的想象空间，我们也许可以像《变形记》中的小职员一样，一夜之间变成一只大甲虫，因为计算机可以模拟并赋予人们甲虫的视觉、听觉和触觉，从而体验到甲虫所体验到的世界。
3.4 虚拟现实技术的自主性在游戏中的表现
虚拟现实技术的自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律进行动作的程度。游戏中所有的物体都遵循物理定律进行运动。物理系统是描述物体的运动遵循规律，碰撞检测是物理系统的核心部分，它可以探测游戏中各物体的物理边缘。当两个3D物体撞在一起的时候，这种技术可以防止它们相互穿过。碰撞检测是实现游戏真实性的关键技术。在游戏世界中，两个或多个物体不可能同时占有同一空间区域，如果两个实体发生了碰撞而无任何反应，或者不应该穿透物体却穿透了，那么玩家就会感觉不到真实，从而影响游戏的沉浸度，这是游戏所不应该发生的情况。
4 虚拟现实技术与三维游戏的发展
4.1虚拟现实技术推动游戏的发展
三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。 尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。我们相信，随着三维技术的快速发展和软硬件技术的不断进步，在不远的将来，真正意义上的虚拟现实游戏必将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。
4.2 虚拟现实技术在未来三维游戏中的主导地位
游戏技术是涵盖在虚拟现实技术之中，它模拟的是整个世界，包括存在和非存在的世界，并以数字化的形式体现，它将虚拟现实技术的真实、互动、情节化的特性表现得淋漓尽致。传统的游戏技术，其特性、技术应用重心满足人们娱乐、有情趣、快乐等精神需要。随着时代、技术的发展，模拟体验类游戏，所占比例越来越多，愈来愈受到人们的喜爱。数字化的形式，让人们实现了梦想与未来，体验了现实和常规情况下不能完成的内容。然而现在的游戏中都大量的使用了VR这样的名词，但实际上我们平常所见的那些3D场景，最多只能算是虚拟其效果与现实的境界还相差甚远。在这些作品当中所进行的互动，也仅仅是面对一个平面的显示器，用鼠标或者键盘等操纵设备来操作角色的运动。这种娱乐方式对娱乐的参与者来说依然是被动的，他的操作只是在程序员制定范围之内的互动，同时参与者不但不能身临其境的沉浸于作品，也无法依照自己的意愿对作品进行改变或创造。
在普通游戏中，游戏者处于游戏之外，操作着屏幕内的角色移动。只要加入碰撞检测就不可能发生穿墙而过的情况。但虚拟现实则不同，游戏者与游戏角色是合二为一的，游戏者自己的动作就是游戏主角的动作。计算机可以阻止一个虚假的图像在墙壁前停止，但它却很难阻止真人的行动。操作者在虚拟空间中的运动是不受限制的，可以自由行进于这个空间。
虚拟现实技术应用于互动娱乐领域三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。三维游戏几乎可以涵盖虚拟现实的全部技术。真实感游戏的首要解决问题是创造一个逼真的虚拟世界，一般包括三维模型、三维声音、三维人物和其他资源等。为了能逼真且实时地绘制极其复杂的虚拟世界，就必须设计合理的模型组织结构，并对虚拟世界中的每个对象精雕细琢地搭建三维模型，这是三维游戏系在构建过程中至关重要的工作。
虚拟现实不仅要求有实时的、逼真的、高解像度的3D场景，而且需要有一套复杂的交互感应设备，以此来实现人与环境的现实融合，并通过最自然的操作来完成输入输出。换句话说，在虚拟现实里，你所能看到和听到的，只有计算机生成的三维场景，这需要一些特殊的显示设备，比如头盔式的液晶显示器，同时还要有强大的计算机以及图形系统来生成实时的3D画面，再伴以一些能够捕捉空间动作的传感器来进行输入输出操作。人们通过在这个由各种现实世界的复制品或者是纯粹幻想构建起来的世界里，通过语言环境产生的互动，获得酷似真实的体验。
总之，我们生活在无数梦想渐渐变为现实的世纪，但当梦想都可以成真后，我们还会有梦吗？随着PC技术的飞速发展，虚拟现实在游戏领域也得到了长足的进步。相关的设备也逐步发展出了从座舱型、头戴型、全身体包裹型、全视角反射型以及还在试验阶段的脑神经控制型，每一种都有可能成为我们以后的选择，虽然现在就效果来说它们都还未能达到完全真实的虚拟但是相信随着技术的更加进步，虚拟现实游戏不再是遥不可及的梦想。
虚拟现实技术所提供的互动性给互动娱乐提供了新的可能性，沉浸式的环境预告着新世纪的娱乐互动方式，虚拟现实游戏时代已经来临。虚拟现实游戏产业将作为21世纪最富有想象力的朝阳产业，必将逐步走入人们的日常生活当中，世界将进入一个虚拟现实游戏时代，虚拟现实游戏业将成为下一个经济大潮并席卷世界。
参考文献：
[1]3DS MAX在构建虚拟现实系统中的应用.李欣.计算机时代.2002年（8）.
[2]浅谈虚拟现实设计.王来哲.大众文艺.2009年（22）.
[3]3D Studio MAX软件在虚拟现实技术上的应用.蒋毅.硅谷.2008（30）.
该成果属于渭南师范学院大学生创新项目成果。（项目编号11XK042）
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