2022年制茶工藝VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)中交互技術(shù)淺析

制茶工藝VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)中交互技術(shù)淺析摘要:為傳播我國(guó)傳統(tǒng)文化，提升人們對(duì)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(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)制茶工藝流程相結(jié)合，利用Unity3D嬉戲引擎設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)制茶工藝VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)使用并改進(jìn)手柄檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)VＲ手柄同虛擬物體和UI的交互功能。試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的交互技術(shù)在抓取過(guò)程中能使手柄和物體模型更加貼合，視覺(jué)效果更真實(shí)。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);交互;射線(xiàn)檢測(cè);制茶工藝

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualＲeality，VＲ)的不斷進(jìn)展和完善，VＲ技術(shù)已經(jīng)在肯定程度上轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)行業(yè)的進(jìn)展模式，“VＲ+行業(yè)”模式漸漸成為一種行業(yè)進(jìn)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(guó)，制茶工藝作為我國(guó)優(yōu)秀的傳統(tǒng)工藝之一，包含著民眾的生活才智和思想感情，但是由于傳統(tǒng)制茶工藝的體驗(yàn)成本較高、學(xué)習(xí)難度較大，在現(xiàn)實(shí)生活中難以直接推廣。因此，本文旨在將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和我國(guó)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(yàn)成本;另一方面，可以作為推廣和傳播我國(guó)茶文化的一種方式，有利于激發(fā)用戶(hù)的學(xué)習(xí)愛(ài)好，調(diào)動(dòng)用戶(hù)的體驗(yàn)熱忱。目前，國(guó)內(nèi)將茶文化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的討論主要分為兩個(gè)方向。(1)理論討論方面:張愛(ài)華等人［2］提出將茶樹(shù)種植和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合從而闡述數(shù)字化展現(xiàn)茶文化中的應(yīng)用機(jī)制和留意事項(xiàng)，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(guò)討論虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和茶文化結(jié)合的展現(xiàn)策略，具體闡述了兩者結(jié)合可生產(chǎn)的價(jià)值，并對(duì)新的傳播形式進(jìn)行分析，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和茶文化相結(jié)合的虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)理論依據(jù)。(2)實(shí)際應(yīng)用方面:市場(chǎng)上的VＲ設(shè)備能夠滿(mǎn)意大部分虛擬環(huán)境中的交互需求，為虛擬現(xiàn)實(shí)和傳統(tǒng)文化結(jié)合討論供應(yīng)了技術(shù)支撐。但目前茶文化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)際項(xiàng)目主要面對(duì)場(chǎng)景漫游，如蔣寧等人［4］通過(guò)使用Unity3D引擎制作出茶文化VＲ展現(xiàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的內(nèi)容包括茶館的場(chǎng)景的選擇和漫游、和茶具交互等功能，讓體驗(yàn)者能夠在逼真的環(huán)境中學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的茶文化學(xué)問(wèn)，為茶文化的學(xué)習(xí)供應(yīng)了全新的數(shù)字化學(xué)習(xí)方式。基于此，本文依據(jù)我國(guó)傳統(tǒng)制茶工藝流程中的交互需求對(duì)VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)做出架構(gòu)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目共分為流程體驗(yàn)和學(xué)問(wèn)了解兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中體驗(yàn)我國(guó)傳統(tǒng)制茶工藝流程、了解我國(guó)茶文化。同時(shí)，在項(xiàng)目中優(yōu)化手柄選擇和抓取物體的方式，為用戶(hù)供應(yīng)更加真實(shí)的交互效果。

1相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1SteamVＲ介紹

SteamVＲUnityPlugin(簡(jiǎn)稱(chēng)SteamVＲ)由Value公司開(kāi)發(fā)，是連接HTCVive頭顯和Unity開(kāi)發(fā)引擎的橋梁。SteamVＲ中供應(yīng)的VＲCamera將Unity中自帶的一般相機(jī)轉(zhuǎn)化為VＲ相機(jī)，視覺(jué)效果也隨之轉(zhuǎn)換為Vive的成像畫(huà)面，同時(shí)SteamVＲ?guī)熘羞€供應(yīng)了抓取、傳送等功能，用戶(hù)可以通過(guò)SteamVＲInputSystem自定義按鍵和動(dòng)作的綁定以供應(yīng)更加豐富的交互方式，如圖1所示。SteamVＲ?guī)炷軌蚝虷MD之間的庫(kù)平臺(tái)兼容，并將功能封裝為一個(gè)預(yù)制體，開(kāi)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/ki.1004-8626.2022.06.002UserInterface)系統(tǒng)，為用戶(hù)供應(yīng)了一套GUI布局設(shè)計(jì)解決方案。在Unity4.6版本前，因未設(shè)置GUI可視化編輯器，開(kāi)發(fā)者需要自行編寫(xiě)腳本或使用NGUI插件實(shí)現(xiàn)GUI界面功能。在Unity4.6之后Unity官方供應(yīng)了UGUI組件并將其集成到編譯器中，相比較之前的GUI更加敏捷、操作更加便捷。UGUI組件中包括畫(huà)布、圖像、文本、按鈕等控件，基本滿(mǎn)意開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)需求。但是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，UGUI界面無(wú)法直接供使用者操作，需要結(jié)合手柄射線(xiàn)和額外腳本實(shí)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(shí)現(xiàn)茶文化學(xué)問(wèn)介紹，如表1所示。

1.3碰撞檢測(cè)

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境內(nèi)，碰撞檢測(cè)可用于推斷同一時(shí)間內(nèi)是否有兩個(gè)及以上的物體占用了相同區(qū)域，若占用了相同區(qū)域則需要有合理的大事響應(yīng)，否則會(huì)消失穿透現(xiàn)象，降低用戶(hù)沉醉感。碰撞檢測(cè)是虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的重要組成部分。在Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)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)章物體通常依據(jù)外形選擇使用盒碰撞體、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)章的物體上，如圖3所示，本文中使用的茶葉模型碰撞體類(lèi)型為網(wǎng)格碰撞體。

2傳統(tǒng)制茶工藝VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)的交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)我國(guó)傳統(tǒng)制茶工藝VＲ體驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)踐性、應(yīng)用性和沉醉感的需求，系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。系統(tǒng)分為體驗(yàn)?zāi)K和學(xué)習(xí)模塊，體驗(yàn)?zāi)K針對(duì)制茶流程分為完整體驗(yàn)和分節(jié)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)模塊主要是介紹茶的相關(guān)學(xué)問(wèn)，包括為綠茶、紅茶、烏龍茶、白茶、黃茶、黑茶六大茶類(lèi)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(yàn)系統(tǒng)中，用戶(hù)使用HTCVive虛擬現(xiàn)實(shí)嬉戲設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中體驗(yàn)傳統(tǒng)制茶工藝流程、了解我國(guó)茶文化。

2.2交互功能設(shè)計(jì)

本文中，交互功能依靠SteamVＲ插件實(shí)現(xiàn)，主要分為和物體交互及和UI交互兩個(gè)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(diǎn)擊UI、拾取和投擲物體、傳送等交互功能，通過(guò)手柄的直接交互可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目中和茶葉等物體的交互功能，針對(duì)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(shí)現(xiàn)更加符合設(shè)計(jì)預(yù)期的交互效果。用戶(hù)進(jìn)入場(chǎng)景后，在初始界面中選擇了解傳統(tǒng)制茶流程中各個(gè)步驟的具體信息，通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入體驗(yàn)?zāi)K或?qū)W習(xí)模塊。初始界面如圖5所示，點(diǎn)擊采摘、萎凋、殺青、揉捻和晾曬的圖標(biāo)了解環(huán)節(jié)詳細(xì)信息并單獨(dú)體驗(yàn);點(diǎn)擊完整體驗(yàn)按鈕可直接進(jìn)入到場(chǎng)景中體驗(yàn)完整傳統(tǒng)制茶工藝流程;點(diǎn)擊了解更多按鈕進(jìn)入學(xué)習(xí)模塊，了解相關(guān)茶文化學(xué)問(wèn)。

2.3交互功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1手柄與物體交互功能實(shí)現(xiàn)。本文為實(shí)現(xiàn)更加精確的抓取效果，在手柄上添加射線(xiàn)檢測(cè)可交互物體的位置，當(dāng)射線(xiàn)和可交互物體發(fā)生碰撞時(shí)，通過(guò)計(jì)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，最終實(shí)現(xiàn)抓取手勢(shì)。手柄和物體交互的過(guò)程中，主要包括手柄對(duì)物體的選擇和抓取兩個(gè)環(huán)節(jié)。在選擇環(huán)節(jié)中，通過(guò)在手柄模型的虎口處添加錐型射線(xiàn)實(shí)現(xiàn)同虛擬物體更加精確的碰撞檢測(cè)［7］，通過(guò)檢測(cè)射線(xiàn)限制手柄的可交互范圍，實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的選擇效果，手部模型檢測(cè)射線(xiàn)如圖6所示。同時(shí)在Unity3D開(kāi)發(fā)引擎中的Inspector面板中掛載檢測(cè)射線(xiàn)發(fā)出點(diǎn)、射線(xiàn)最長(zhǎng)長(zhǎng)度等相關(guān)組件，如圖7所示。詳細(xì)腳本代碼如下，在腳本中掌握射線(xiàn)的數(shù)量和角度，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)射線(xiàn)的朝向掌握。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入到抓取環(huán)節(jié)中時(shí)，手柄會(huì)觸發(fā)抓取效果，手指依據(jù)預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)手指檢測(cè)到和物體發(fā)生碰撞時(shí)，手指停止運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)，針對(duì)如圖3所示的同一茶葉模型，優(yōu)化前后的抓取效果對(duì)比如圖8所示。優(yōu)化的選擇環(huán)節(jié)中，手柄對(duì)于不規(guī)章物體的選擇是針對(duì)整個(gè)物體模型，而非模型碰撞體頂點(diǎn);在抓取環(huán)節(jié)，手柄和物體模型更加貼合，視覺(jué)效果更加符合真實(shí)狀況且穿模問(wèn)題較少。2.3.2手柄與UI交互功能實(shí)現(xiàn)。我國(guó)茶文化科普是本文學(xué)習(xí)模塊的主要內(nèi)容，用戶(hù)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(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶(hù)通過(guò)手柄發(fā)出的射線(xiàn)碰撞到UI界面時(shí)消失射線(xiàn)，否則射線(xiàn)隱蔽的效果。詳細(xì)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(xiàn)和Popularization標(biāo)簽物體之間檢測(cè)到碰撞時(shí)，射線(xiàn)在場(chǎng)景中顯示，否則射線(xiàn)隱蔽。學(xué)習(xí)模塊主要使用地圖模型直觀展現(xiàn)茶葉產(chǎn)地并通過(guò)圖文介紹其具體信息。進(jìn)入學(xué)習(xí)模塊，通過(guò)點(diǎn)擊地圖中的省份UI，了解不同省份種植的茶葉代表及其具體信息。點(diǎn)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具體信息，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(jì)開(kāi)發(fā)出以體驗(yàn)我國(guó)傳統(tǒng)制茶工藝流程和了解我