制茶工藝VＲ體驗系統(tǒng)中交互技術淺析

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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茶文化的了解，本文將虛擬現(xiàn)實技術和傳統(tǒng)制茶工藝流程相結合，利用Unity3D游戲引擎設計開發(fā)傳統(tǒng)制茶工藝vR體驗系統(tǒng)。通過使用并改進手柄檢測技術，實現(xiàn)VR手柄同虛擬物體和UI的交互功能。實驗表明，改進后的交互技術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。

關鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術;交互;射線檢測;制茶工藝

隨著虛擬現(xiàn)實技術(VirtualReality，VR)的不斷發(fā)展和完善，VR技術已經(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、學習難度較大，在現(xiàn)實生活中難以直接推廣。因此，本文旨在將虛擬現(xiàn)實技術和我國傳統(tǒng)制茶工藝相結合，一方面可以降低學習和體驗成本;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)用戶的學習興趣，調動用戶的體驗熱情。目前，國內將茶文化和虛擬現(xiàn)實技術結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)實技術相結合從而闡述數(shù)字化展示茶文化中的應用機制和注意事項，在理論層面將兩種領域的結合做出深刻論述。蘇娜等人［3］通過研究虛擬現(xiàn)實技術和茶文化結合的展示策略，詳細闡述了兩者結合可生產(chǎn)的價值，并對新的傳播形式進行分析，為虛擬現(xiàn)實技術和茶文化相結合的虛擬體驗系統(tǒng)實現(xiàn)提供理論依據(jù)。(2)實際應用方面:市場上的VR設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)文化結合研究提供了技術支撐。但目前茶文化和虛擬現(xiàn)實技術相結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)境中學習傳統(tǒng)的茶文化知識，為茶文化的學習提供了全新的數(shù)字化學習方式?；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)做出架構設計，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相關技術簡介

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化為VR相機，視覺效果也隨之轉換為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制體，開發(fā)者可以直接使用。

1.2UnityUI交互技術

Unity中內置了一套完整的GUI(GraphicalDOI:10.19461/j.cnki.1004-8626.2022.06.002UserInterface)系統(tǒng)，為用戶提供了一套GUI布局設計解決方案。在Unity4.6版本前，因未設置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，碰撞檢測可用于判斷同一時間內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，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)的交互技術實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)整體架構設計

根據(jù)我國傳統(tǒng)制茶工藝VR體驗系統(tǒng)對實踐性、應用性和沉浸感的需求，系統(tǒng)構架如圖4所示。系統(tǒng)分為體驗模塊和學習模塊，體驗模塊針對制茶流程分為完整體驗和分節(jié)體驗，學習模塊主要是介紹茶的相關知識，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上做出調整和修改，以實現(xiàn)更加符合設計預期的交互效果。用戶進入場景后，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信息，通過點擊相應按鈕進入體驗模塊或學習模塊。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入學習模塊，了解相關茶文化知識。

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，當射線和可交互物體發(fā)生碰撞時，通過計算其平均結果同設定的距離閾值做比較，調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。當用戶進入到抓取環(huán)節(jié)中時，手柄會觸發(fā)抓取效果，手指根據(jù)預設軌跡運動，當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，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習模塊的主要內容，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，本文結合使用SteamVR插件中的SteamVRLaserPointer組件和相關腳本實現(xiàn)當用戶通過手柄發(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標簽設置為Popularization，當手柄射線和Popularization標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。學習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信息。進入學習模塊，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信息，如歷史淵源和采摘節(jié)氣等，如圖9所示。

3結論

本文利用Unity3D引擎設計開發(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，第一部分是關于我國傳統(tǒng)制茶工藝的體驗模塊，第二部分是了解我國茶文化知識的學習模塊。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燈光效果、優(yōu)化材質等方式實現(xiàn)更加真實的視覺效果，提高用戶沉浸感。

參考文獻:

［1］彭輝．虛擬現(xiàn)實技術及其在農(nóng)業(yè)中的應用［J］．農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2004(5):15-17，43．

［2］張愛華，林玲．虛擬現(xiàn)實技術在茶文化展示中的應用［J］．福建茶葉，2018，40(2):26-27．

［3］蘇娜，李曉巖．虛擬現(xiàn)實技術視域下茶文化的展示［J］．福建茶葉，2021，43(2):18-19．

［4］蔣寧，祝曉東．基于虛擬現(xiàn)實技術的茶文化展示［J］．福建茶葉，2019，41(3):33-34．

［5］賈騁．基于UGUI的游戲道具交互功能開發(fā)［J］．人才資源開發(fā)，2016(10):2．

［6］張福峰，王敏，金會賞．基于Unity3DUGUI動態(tài)材質修改的實現(xiàn)［J］．電腦知識與技術:學術版，2020．

［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］．北京印刷學院學報，2021，29(6):155-158．

作者:程琪 程明智 劉龍 單位:北京印刷學院新媒體學院