7.4 VRAR (虚拟现实增强现实)

7.4 VR/AR (虚拟现实/增强现实)

7.4 VR/AR (虚拟现实/增强现实)

7.4.1 VR开发基础

虚拟现实 (VR) 旨在创造一个完全沉浸式的数字环境，用户通过VR头显等设备，可以完全沉浸在这个虚拟世界中，并与之进行互动。在Unity3D中进行VR开发，主要依赖于Unity的XR平台和相关的工具包。

7.4.1.1 Unity XR平台概述

Unity的XR（Extended Reality，扩展现实）平台是一个统一的框架，用于支持各种VR和AR设备。它通过一套通用的API，使得开发者能够编写一次代码，即可部署到多个不同的XR平台，例如：Oculus、SteamVR、PlayStation VR等。

XR平台的核心组件包括：

• XR Management (XR管理)：用于管理和配置不同的XR插件提供程序，例如Oculus、SteamVR、Windows Mixed Reality等。

• XR Interaction Toolkit (XR交互工具包)：提供了一套预构建的组件和交互系统，用于快速搭建VR/AR应用的交互逻辑，例如物体抓取、传送、UI交互等。

• Input System (输入系统)：Unity的新输入系统，用于处理来自各种输入设备的输入，包括VR控制器的按键、手柄、手势等。

7.4.1.2 VR开发环境搭建

在Unity中开始VR开发之前，需要进行一些环境配置：

1. 安装Unity Hub和Unity编辑器：确保安装了Unity Hub和Unity编辑器，建议使用Unity 2020 LTS或更高版本，以获得更好的XR支持。

2. 创建新的Unity项目：在Unity Hub中创建一个新的3D项目。

3. 导入XR插件：

   • 打开 "Edit" -> "Project Settings" -> "XR Plug-in Management"。

   • 根据你的目标VR平台，选择并安装相应的插件，例如 "Oculus" 或 "SteamVR"。

   • 如果需要使用XR Interaction Toolkit，还需要在 "Window" -> "Package Manager" 中搜索并安装 "XR Interaction Toolkit"。

4. 配置场景：

   • 在场景中创建一个 "XR Origin (Action-based)" 或 "XR Origin (VR)" 对象。 "XR Origin" 是VR/AR场景的中心，包含了相机、控制器追踪等组件。

   • 根据需要，添加场景中的其他物体、光源等。

7.4.1.3 简单的VR场景示例：物体抓取

下面是一个简单的VR场景示例，演示如何在VR中抓取物体。

步骤 1：创建可抓取物体

1. 在场景中创建一个3D物体，例如 Cube。

2. 为Cube添加 Rigidbody 组件，使其具有物理属性。

3. 为Cube添加 XR Grab Interactable 组件，使其可以被XR控制器抓取。

步骤 2：配置XR控制器

1. 在 "XR Origin" 下找到 "LeftHand Controller" 和 "RightHand Controller" 对象。

2. 在每个控制器对象上，确保添加了 XR Ray Interactor 组件，用于射线投射和与可交互物体交互。

3. 在每个控制器对象上，添加 Grab Interactable 组件，用于处理抓取逻辑。

步骤 3：编写抓取脚本 (可选)

虽然 XR Grab Interactable 组件已经提供了基本的抓取功能，但如果需要更复杂的抓取逻辑，可以编写自定义脚本。例如，以下脚本演示了如何控制抓取物体后物体的颜色变化：

using UnityEngine;
using UnityEngine.XR.Interaction.Toolkit;
public class GrabbableObject : MonoBehaviour
{
    private XRGrabInteractable grabInteractable;
    private Material originalMaterial;
    private Color highlightColor = Color.yellow;
    void Start()
    {
        grabInteractable = GetComponent<XRGrabInteractable>();
        originalMaterial = GetComponent<Renderer>().material;
        grabInteractable.onHoverEntered.AddListener(HighlightObject);
        grabInteractable.onHoverExited.AddListener(ResetObjectColor);
        grabInteractable.onSelectEntered.AddListener(GrabObject);
        grabInteractable.onSelectExited.AddListener(ReleaseObject);
    }
    private void HighlightObject(XRBaseInteractor interactor)
    {
        GetComponent<Renderer>().material.color = highlightColor;
    }
    private void ResetObjectColor(XRBaseInteractor interactor)
    {
        GetComponent<Renderer>().material.color = originalMaterial.color;
    }
    private void GrabObject(XRBaseInteractor interactor)
    {
        Debug.Log("Object Grabbed!");
        // 在这里可以添加抓取时的逻辑
    }
    private void ReleaseObject(XRBaseInteractor interactor)
    {
        Debug.Log("Object Released!");
        // 在这里可以添加释放时的逻辑
    }
}
​

将此脚本添加到 Cube 物体上，运行项目，在VR设备中即可体验抓取Cube并观察颜色变化的效果。

7.4.2 AR开发基础

增强现实 (AR) 技术将虚拟数字内容叠加到真实世界之上，用户可以通过手机、平板电脑或AR眼镜等设备，在现实环境中看到虚拟物体并与之互动。Unity3D通过AR Foundation框架，为开发者提供了跨平台的AR开发能力。

7.4.2.1 AR Foundation框架概述

AR Foundation是Unity官方提供的用于构建跨平台AR应用的框架。它抽象了底层平台（如ARKit和ARCore）的细节，提供了一套统一的API，使得开发者可以编写一次AR代码，即可运行在支持ARKit (iOS) 和 ARCore (Android) 的设备上。

AR Foundation的核心功能包括：

• 设备追踪 (Device Tracking)：追踪设备在真实世界中的位置和姿态。

• 平面检测 (Plane Detection)：检测真实世界中的平面表面，例如桌面、地面等。

• 光照估计 (Light Estimation)：估计环境光照条件，使得虚拟物体能够与真实环境光照相匹配。

• 图像追踪 (Image Tracking)：识别和追踪预定义的图像，例如海报、标志等。

• 物体追踪 (Object Tracking)：识别和追踪真实世界中的3D物体。

• 人脸追踪 (Face Tracking)：检测和追踪人脸，用于AR滤镜、表情识别等应用。

• 环境探测 (Environment Probes)：捕捉周围环境的反射信息，用于更真实地渲染虚拟物体。

• 光线投射 (Raycasting)：从屏幕或设备追踪空间发射射线，用于与真实世界表面进行交互。

7.4.2.2 AR开发环境搭建

在Unity中进行AR开发，需要进行以下环境配置：

1. 安装Unity Hub和Unity编辑器：同样建议使用Unity 2020 LTS或更高版本。

2. 创建新的Unity项目：创建一个新的3D项目。

3. 安装AR Foundation和平台插件：

   • 打开 "Window" -> "Package Manager"。

   • 搜索并安装 "AR Foundation" 包。

   • 根据目标平台，安装相应的平台插件，例如 "ARKit XR Plugin" (iOS) 或 "ARCore XR Plugin" (Android)。

4. 配置场景：

   • 在场景中创建一个 "AR Session Origin" 对象。 "AR Session Origin" 是AR场景的核心，包含了AR相机和空间追踪功能。

   • 在 "AR Session Origin" 下创建一个 "AR Camera" 对象，并确保将其 "Tag" 设置为 "MainCamera"。

   • 根据需要，添加场景中的其他物体、光源等。

7.4.2.3 简单的AR场景示例：平面检测和物体放置

下面是一个简单的AR场景示例，演示如何在AR中检测平面，并在检测到的平面上放置虚拟物体。

步骤 1：创建可放置物体

1. 在场景中创建一个3D物体，例如 Sphere。

2. 将其拖拽到 Project 窗口中，创建一个 Prefab。

步骤 2：编写物体放置脚本

创建一个名为 PlaceObjectOnPlane 的C#脚本，代码如下：

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using UnityEngine.XR.ARFoundation;
using UnityEngine.XR.ARSubsystems;
public class PlaceObjectOnPlane : MonoBehaviour
{
    public ARRaycastManager raycastManager;
    public GameObject objectToPlacePrefab;
    public GameObject placementIndicator; // 可视化的平面指示器
    private GameObject spawnedObject;
    private Pose placementPose;
    private bool placementPoseIsValid = false;
    void Update()
    {
        UpdatePlacementPose();
        UpdatePlacementIndicator();
        if (placementPoseIsValid && Input.touchCount > 0 && Input.GetTouch(0).phase == TouchPhase.Began)
        {
            PlaceObject();
        }
    }
    void UpdatePlacementPose()
    {
        var screenCenter = Camera.main.ViewportToScreenPoint(new Vector3(0.5f, 0.5f));
        List<ARRaycastHit> hits = new List<ARRaycastHit>();
        raycastManager.Raycast(screenCenter, hits, TrackableType.PlaneWithinPolygon);
        placementPoseIsValid = hits.Count > 0;
        if (placementPoseIsValid)
        {
            placementPose = hits[0].pose;
            var cameraForward = Camera.main.transform.forward;
            var cameraBearing = new Vector3(cameraForward.x, 0, cameraForward.z).normalized;
            placementPose.rotation = Quaternion.LookRotation(cameraBearing);
        }
    }
    void UpdatePlacementIndicator()
    {
        if (placementPoseIsValid)
        {
            placementIndicator.SetActive(true);
            placementIndicator.transform.SetPositionAndRotation(placementPose.position, placementPose.rotation);
        }
        else
        {
            placementIndicator.SetActive(false);
        }
    }
    void PlaceObject()
    {
        if (spawnedObject == null)
        {
            spawnedObject = Instantiate(objectToPlacePrefab, placementPose.position, placementPose.rotation);
        }
        else
        {
            spawnedObject.transform.SetPositionAndRotation(placementPose.position, placementPose.rotation);
        }
    }
}
​

步骤 3：配置AR场景

1. 在场景中创建一个空物体，命名为 "Placement Indicator"。

2. 在 "Placement Indicator" 下创建一个 Plane 物体，作为平面指示器的视觉效果。调整 Plane 的材质和颜色，使其更易于观察。

3. 将 "Placement Indicator" Prefab 拖拽到 Project 窗口中创建 Prefab，并从场景中删除原始的 "Placement Indicator" 物体。

4. 在 "AR Session Origin" 对象上添加 PlaceObjectOnPlane 脚本。

5. 将 AR Raycast Manager 组件从 "AR Session Origin" 拖拽到 PlaceObjectOnPlane 脚本的 Raycast Manager 字段。

6. 将 Sphere Prefab 拖拽到 PlaceObjectOnPlane 脚本的 Object To Place Prefab 字段。

7. 将 "Placement Indicator" Prefab 拖拽到 PlaceObjectOnPlane 脚本的 Placement Indicator 字段。

运行项目，在支持AR的设备上，即可体验平面检测和点击屏幕放置 Sphere 的效果。

7.4.3 VR/AR平台发布 considerations

将VR/AR应用发布到不同的平台，需要考虑一些平台特定的因素。

7.4.3.1 目标平台选择

根据应用的目标用户和功能，选择合适的VR/AR平台至关重要。

• VR平台：

  • Oculus (Meta Quest, Rift)：流行的VR平台，拥有广泛的用户群体和高质量的VR体验。

  • SteamVR (Valve Index, HTC Vive, etc.)：开放的VR平台，支持多种VR头显，拥有庞大的游戏库。

  • PlayStation VR (PSVR, PSVR2)：PlayStation游戏主机的VR平台，与PlayStation生态系统紧密集成。

  • Windows Mixed Reality (WMR)：微软的VR/AR平台，支持多种WMR头显，与Windows系统集成。

• AR平台：

  • iOS (ARKit)：苹果的AR平台，支持iPhone和iPad设备，拥有强大的AR功能和广泛的用户基础。

  • Android (ARCore)：谷歌的AR平台，支持Android设备，覆盖广泛的安卓用户。

  • HoloLens (Microsoft HoloLens)：微软的混合现实头显，专注于企业级AR应用。

  • Magic Leap (Magic Leap 2)：另一款混合现实头显，具有先进的光学技术和空间计算能力。

7.4.3.2 性能优化

VR/AR应用对性能要求非常高，为了保证流畅的用户体验，需要进行细致的性能优化。

• 渲染优化：

  • 降低多边形数量：减少场景中物体的多边形数量，使用LOD (Level of Detail) 技术。

  • 优化材质和着色器：使用简单的着色器，减少材质复杂度，使用纹理图集 (Texture Atlas) 减少Draw Call。

  • 遮挡剔除 (Occlusion Culling)：只渲染相机视野内可见的物体。

  • 批处理 (Batching)：使用Static Batching和Dynamic Batching减少Draw Call。

  • 单通道渲染 (Single Pass Rendering)：对于VR应用，使用Single Pass Rendering可以显著提高渲染效率。

• 脚本优化：

  • 避免Update函数中的复杂计算：将耗时操作移到协程或后台线程中。

  • 对象池 (Object Pooling)：对于频繁创建和销毁的对象，使用对象池进行复用。

  • 避免不必要的GetComponent调用：缓存GetComponent的结果。

  • 使用高效的数据结构和算法。

• 资源优化：

  • 压缩纹理和模型：减小资源文件大小，加快加载速度。

  • 使用适当的纹理分辨率：根据设备性能和显示需求，选择合适的纹理分辨率。

  • 音频优化：压缩音频文件，使用适当的音频格式。

7.4.3.3 输入和交互设计

VR/AR应用的输入和交互方式与传统的2D应用有很大不同，需要针对VR/AR的特性进行专门的设计。

• VR输入：

  • VR控制器：Oculus Touch、Valve Index Controllers、HTC Vive Wands等，提供手部追踪、按键、摇杆等输入方式。

  • 手势识别：通过手部追踪技术，识别用户的手势进行交互。

  • 语音识别：通过语音命令进行交互。

  • 眼动追踪：追踪用户的眼球注视点，用于交互和渲染优化。

• AR输入：

  • 触摸屏：手机和平板电脑的触摸屏是最主要的AR输入方式。

  • 手势识别：通过设备摄像头识别手势进行交互。

  • 语音识别：通过语音命令进行交互。

  • 空间输入：例如HoloLens的手势和语音输入，Magic Leap的手柄输入。

在进行VR/AR交互设计时，需要考虑以下因素：

• 用户舒适度：避免引起眩晕和不适的交互方式，例如过度的快速移动和旋转。

• 直观性：交互方式应该符合用户的直觉，易于学习和使用。

• 沉浸感：交互方式应该增强沉浸感，让用户感觉自然地与虚拟环境互动。

• 可访问性：考虑不同用户的需求，提供多种输入和交互方式。

7.4.3.4 平台SDK和发布流程

发布VR/AR应用到不同的平台，通常需要使用平台提供的SDK，并遵循平台的发布流程。

• 平台SDK：

  • Oculus SDK：用于发布到Oculus平台，提供Oculus特定的功能和API。

  • SteamVR SDK：用于发布到SteamVR平台，支持多种VR头显。

  • ARKit SDK (Unity ARKit XR Plugin)：用于发布到iOS平台，集成ARKit功能。

  • ARCore SDK (Unity ARCore XR Plugin)：用于发布到Android平台，集成ARCore功能。

  • 平台特定的SDK通常需要单独导入和配置到Unity项目中。

• 发布流程：

  • 构建 (Build)：在Unity中构建项目，选择目标平台和架构。

  • 平台配置：根据平台要求，配置应用名称、图标、启动画面、权限等。

  • 签名和打包：对应用进行签名和打包，生成平台特定的安装包文件，例如APK (Android)、IPA (iOS)、EXE (Windows) 等。

  • 上传和发布：将安装包文件上传到平台商店或发布平台，例如Oculus Store、Steam Store、App Store、Google Play Store等。

  • 审核：部分平台会对应用进行审核，确保应用符合平台规范和质量要求。

发布VR/AR应用是一个复杂的过程，需要仔细阅读平台文档，并进行充分的测试和调试。

7.4.4 总结与展望

VR/AR技术正在快速发展，Unity3D作为强大的开发工具，为开发者提供了便捷的VR/AR开发能力。本章节介绍了Unity3D中VR/AR开发的基础知识、关键技术和实践示例，并探讨了平台发布的相关 considerations。

随着硬件设备的进步和软件技术的创新，VR/AR应用将在未来拥有更广阔的应用前景。Unity3D将继续在VR/AR领域扮演重要的角色，为开发者提供更强大、更易用的工具，共同创造更加沉浸、互动的数字体验。

未来，VR/AR开发将更加注重以下几个方面：

• 更真实的沉浸感：更高分辨率的显示、更自然的交互方式、更逼真的渲染效果。

• 更广泛的应用场景：除了游戏和娱乐，VR/AR将在教育、医疗、工业、社交等领域发挥更大的作用。

• 更便捷的开发工具：Unity等引擎将提供更高级、更易用的工具，降低VR/AR开发门槛。

• 更普及的硬件设备：VR/AR硬件设备将更加轻便、廉价、易于普及。

掌握Unity3D的VR/AR开发技术，将为开发者打开通往未来数字世界的大门。希望本章节的内容能够帮助读者入门VR/AR开发，并激发更多创新和实践。