12.3 VRAR 应用

12.3 VR/AR 应用

十二、实战项目：VR/AR 应用开发

12.3 VR/AR 应用

虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 技术正在迅速发展，并在游戏、教育、医疗、工业等领域展现出巨大的潜力。Unity3D 作为强大的跨平台游戏引擎，是开发 VR/AR 应用的理想选择。本章节将深入探讨如何使用 Unity3D 开发 VR/AR 应用，并通过实际的代码示例和案例，帮助您掌握 VR/AR 开发的核心技术和流程。

12.3.1 VR/AR 开发入门

在深入代码实践之前，我们先来了解一些 VR/AR 开发的基础概念和准备工作。

1. VR 与 AR 的概念

• 虚拟现实 (VR - Virtual Reality): VR 旨在创造一个完全沉浸式的虚拟世界，用户通过 VR 设备（如头显）完全沉浸在计算机生成的环境中，并与虚拟世界进行交互。VR 应用的目标是让用户感觉他们真的身处另一个世界。

• 增强现实 (AR - Augmented Reality): AR 技术将计算机生成的虚拟信息叠加到真实世界之上，增强用户对现实世界的感知。用户通过 AR 设备（如智能手机、平板电脑或 AR 眼镜）可以看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟内容。AR 应用的目标是增强现实世界的体验。

2. Unity3D 与 VR/AR 开发

Unity3D 引擎提供了强大的工具和框架，使得 VR/AR 开发变得更加便捷高效：

• 跨平台支持: Unity 支持多种 VR/AR 平台，包括 Oculus、Vive、Windows Mixed Reality、ARKit (iOS)、ARCore (Android) 等，开发者可以轻松地将应用部署到不同的设备上。

• 丰富的资源和插件: Unity Asset Store 提供了大量的 VR/AR 相关的资源和插件，可以加速开发进程。

• 可视化编辑器: Unity 的可视化编辑器极大地简化了场景搭建、交互设计等环节，降低了开发门槛。

• 强大的脚本系统: C# 脚本语言为 VR/AR 应用的逻辑控制和交互实现提供了强大的支持。

3. 开发环境准备

开始 VR/AR 开发之前，需要进行以下准备工作：

• 安装 Unity3D: 确保安装了 Unity3D 引擎，建议使用较新的版本以获得更好的 VR/AR 支持。

• 安装 VR/AR SDK: 根据目标平台安装相应的 SDK，例如：

  • VR: Oculus SDK, SteamVR Plugin, Windows Mixed Reality Plugin 等。

  • AR: AR Foundation (Unity 官方跨平台 AR 框架)。

• 硬件设备: 准备好 VR/AR 开发所需的硬件设备，例如 VR 头显、AR 兼容的手机或平板电脑。

• 创建 Unity 工程: 创建一个新的 Unity 3D 工程，并根据需要导入相应的 VR/AR SDK。

12.3.2 VR 应用开发实践

接下来，我们通过一个简单的 VR 应用示例，演示如何在 Unity3D 中进行 VR 开发。我们将创建一个简单的虚拟场景，用户可以在其中自由移动和与虚拟物体交互。

1. 创建 VR 工程并导入 SteamVR 插件

• 创建一个新的 Unity 3D 工程。

• 在 Unity Asset Store 中搜索 "SteamVR Plugin" 并导入到项目中（如果您使用 Oculus 或其他 VR 平台，请导入相应的 SDK）。

2. 设置 VR 场景

• 在场景中创建一个新的空物体，命名为 "VR Rig"。

• 将 [CameraRig] 预制体 (来自 SteamVR 插件) 拖拽到 "VR Rig" 下面。[CameraRig] 包含了 VR 相机和控制器追踪功能。

• 在场景中创建一些简单的 3D 物体，例如立方体、球体等，作为虚拟环境的元素。

3. 实现 VR 移动

SteamVR 插件已经提供了基本的 VR 移动功能，通过 [CameraRig] 中的组件即可实现。默认情况下，使用手柄摇杆可以进行平滑移动。

4. 实现 VR 交互

我们创建一个简单的交互示例：当用户使用 VR 手柄指向一个立方体时，立方体改变颜色。

• 创建交互脚本: 创建一个新的 C# 脚本，命名为 VRInteraction.cs，并将以下代码复制到脚本中：

using UnityEngine;
using Valve.VR.InteractionSystem;
public class VRInteraction : MonoBehaviour
{
    public Color highlightColor = Color.yellow;
    private Color originalColor;
    private Material material;
    private void Start()
    {
        material = GetComponent<Renderer>().material;
        originalColor = material.color;
    }
    private void OnHandHoverBegin(Hand hand) // 当手柄悬停在物体上时触发
    {
        material.color = highlightColor;
    }
    private void OnHandHoverEnd(Hand hand) // 当手柄离开悬停时触发
    {
        material.color = originalColor;
    }
}
​

• 将脚本添加到立方体: 将 VRInteraction.cs 脚本添加到场景中的一个立方体物体上。

• 确保物体有碰撞器: 确保立方体物体上添加了 Collider 组件（例如 Box Collider）。

• 确保物体有 Renderer: 确保立方体物体有 Renderer 组件 (例如 Mesh Renderer)，以便脚本可以控制材质颜色。

5. 运行 VR 应用

• 连接 VR 设备并运行 Unity 工程。

• 戴上 VR 头显，您应该能够看到虚拟场景，并使用手柄在场景中移动。

• 当您使用手柄指向立方体时，立方体应该会变成黄色。

VR 应用交互流程图 (Mermaid):

代码详解:

• OnHandHoverBegin(Hand hand) 和 OnHandHoverEnd(Hand hand) 是 SteamVR Interaction System 提供的事件函数，当手柄悬停在带有 Interactable 组件的物体上时触发。

• 脚本通过获取物体的 Renderer 组件和 Material 组件来控制物体的颜色。

• highlightColor 变量允许我们在 Inspector 面板中自定义高亮颜色。

12.3.3 AR 应用开发实践

接下来，我们通过一个简单的 AR 应用示例，演示如何在 Unity3D 中进行 AR 开发。我们将创建一个简单的 AR 应用，用户可以使用手机摄像头扫描平面，并在检测到的平面上放置虚拟物体。

1. 创建 AR 工程并导入 AR Foundation 包

• 创建一个新的 Unity 3D 工程。

• 在 Package Manager 中搜索 "AR Foundation" 和 "ARCore XR Plugin" (或 "ARKit XR Plugin" 如果您在 iOS 平台开发) 并安装。

2. 设置 AR 场景

• 删除场景中默认的 Main Camera。

• 在场景中创建 "AR Session Origin" 和 "AR Session" 物体 (通过 "GameObject -> XR -> AR Session Origin" 和 "AR Session" 创建)。 "AR Session Origin" 是 AR 场景的核心，包含 AR Camera 和用于平面检测、光照估计等功能的组件。 "AR Session" 管理 AR 会话的生命周期。

• 在 "AR Session Origin" 下找到 "AR Camera"，这就是用于 AR 渲染的相机。

3. 实现平面检测

• 在 "AR Session Origin" 上添加 AR Plane Manager 组件。 AR Plane Manager 负责检测和管理 AR 场景中的平面。

• 在 Project 窗口中，右键点击创建 "Prefab"，命名为 "PlaneVisualizer"。

• 在 "PlaneVisualizer" 预制体中，创建一个 MeshFilter 和 MeshRenderer 组件，并添加一个简单的平面 Mesh (例如 Unity 自带的 Plane Mesh)。

• 将 "PlaneVisualizer" 预制体拖拽到 AR Plane Manager 组件的 "Plane Prefab" 属性中。

4. 实现点击屏幕放置物体

• 创建放置物体脚本: 创建一个新的 C# 脚本，命名为 PlaceObjectOnPlane.cs，并将以下代码复制到脚本中：

using UnityEngine;
using UnityEngine.XR.ARFoundation;
using UnityEngine.XR.ARSubsystems;
public class PlaceObjectOnPlane : MonoBehaviour
{
    public ARRaycastManager raycastManager;
    public GameObject objectToPlacePrefab;
    private GameObject placedObject;
    void Update()
    {
        if (Input.touchCount > 0)
        {
            Touch touch = Input.GetTouch(0);
            if (touch.phase == TouchPhase.Began)
            {
                RaycastHit hit;
                Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(touch.position);
                if (raycastManager.Raycast(ray, s_Hits, TrackableType.PlaneWithinPolygon))
                {
                    Pose hitPose = s_Hits[0].pose;
                    if (placedObject == null)
                    {
                        placedObject = Instantiate(objectToPlacePrefab, hitPose.position, hitPose.rotation);
                    }
                    else
                    {
                        placedObject.transform.SetPositionAndRotation(hitPose.position, hitPose.rotation);
                    }
                }
            }
        }
    }
    static List<ARRaycastHit> s_Hits = new List<ARRaycastHit>();
}
​

• 创建要放置的物体预制体: 在 Project 窗口中创建一个新的 3D 物体 (例如立方体)，并将其拖拽到 Project 窗口中创建一个预制体，命名为 "PlaceableObject"。

• 将脚本添加到 AR Session Origin: 将 PlaceObjectOnPlane.cs 脚本添加到 "AR Session Origin" 物体上。

• 配置脚本参数:

  • 将 "AR Session Origin" 物体上的 AR Raycast Manager 组件拖拽到 PlaceObjectOnPlane.cs 脚本的 Raycast Manager 属性中。

  • 将 "PlaceableObject" 预制体拖拽到 PlaceObjectOnPlane.cs 脚本的 Object To Place Prefab 属性中。

5. 运行 AR 应用

• 将 Unity 工程构建到 AR 兼容的手机或平板电脑上 (例如 Android 或 iOS 设备)。

• 运行应用，允许应用访问摄像头权限。

• 移动设备摄像头扫描周围环境，等待平面被检测到 (您应该能看到 "PlaneVisualizer" 预制体在检测到的平面上显示)。

• 点击屏幕，您应该能在点击的位置看到 "PlaceableObject" 预制体被放置在平面上。

AR 场景设置流程图 (Mermaid):

代码详解:

• ARRaycastManager 组件用于进行射线投射，检测屏幕点击位置是否与 AR 场景中的平面相交。

• TrackableType.PlaneWithinPolygon 指定射线投射只检测多边形平面内的点击。

• s_Hits 列表用于存储射线投射的结果。

• Instantiate(objectToPlacePrefab, hitPose.position, hitPose.rotation) 用于在射线击中的位置实例化 "PlaceableObject" 预制体。

• 脚本允许用户多次点击屏幕，每次点击都会更新已放置物体的位置。

12.3.4 案例实践：简单的 VR/AR 交互应用

我们可以结合 VR 和 AR 的基本交互方式，创建一个简单的交互应用案例。例如，我们可以创建一个 VR 场景，用户可以在虚拟房间中捡起虚拟物体，然后切换到 AR 模式，将捡起的虚拟物体放置到真实环境中。

这个案例的实现需要结合 VR 和 AR 的场景设置、交互逻辑以及场景切换机制。由于篇幅限制，这里只提供一个简单的思路框架，具体的代码实现可以作为练习留给读者。

案例思路框架:

1. 创建 VR 场景: 创建一个包含虚拟房间和可交互物体的 VR 场景 (参考 12.3.2 节)。

2. 实现 VR 物体抓取: 在 VR 场景中实现手柄抓取虚拟物体的功能 (参考 12.3.2 节的交互示例，可以扩展为抓取并持有物体)。

3. 创建 AR 场景: 创建一个基本的 AR 场景，包含 AR Session Origin 和 AR Session (参考 12.3.3 节)。

4. 场景切换机制: 实现 VR 场景和 AR 场景之间的切换功能，例如通过按钮或手势触发场景切换。

5. 数据传递: 在 VR 场景中抓取物体后，需要将物体的数据 (例如预制体引用、位置信息等) 传递到 AR 场景。

6. AR 物体放置: 在 AR 场景中，根据传递过来的物体数据，实现将虚拟物体放置到检测到的平面上的功能 (参考 12.3.3 节的物体放置示例)。

通过这个案例，可以综合运用 VR 和 AR 的开发技术，并体验 VR/AR 融合应用的开发流程。

12.3.5 VR/AR 应用优化与发布

VR/AR 应用对性能要求较高，优化至关重要。以下是一些 VR/AR 应用优化的常用方法：

• 降低模型复杂度: 使用低多边形模型，减少渲染负担。

• 优化材质和纹理: 使用高效的材质和压缩纹理，减少显存占用和渲染开销。

• 减少 Draw Calls: 合并网格、使用材质球共享等技术，减少 Draw Calls。

• 使用 LOD (Level of Detail): 根据物体距离动态调整模型细节程度。

• 优化光照和阴影: 使用烘焙光照、限制实时阴影范围等方法。

• 性能分析工具: 使用 Unity Profiler 等工具分析性能瓶颈，针对性优化。

VR/AR 应用发布:

• 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 (例如 Oculus Store, SteamVR, Google Play, App Store)。

• 构建设置: 根据目标平台配置 Unity 的构建设置，例如选择正确的平台、设置 Bundle Identifier、签名证书等。

• 设备测试: 在目标设备上进行充分的测试，确保应用运行稳定流畅。

• 发布流程: 按照目标平台的发布流程提交应用进行审核和发布。

12.3.6 总结与展望

本章节介绍了 Unity3D 中 VR/AR 应用开发的基础知识和实践方法，包括 VR 和 AR 的概念、开发环境搭建、VR/AR 场景设置、交互实现以及优化发布等方面。通过代码示例和案例，希望能帮助您入门 VR/AR 开发，并为后续更深入的学习和项目实践打下基础。

VR/AR 技术仍在快速发展，未来将会在更多领域得到应用。随着硬件设备的进步和软件技术的创新，VR/AR 应用的体验将更加沉浸和自然。希望您能通过学习和实践，掌握 VR/AR 开发技能，创造出更多优秀的 VR/AR 应用。

未来展望:

• 更强大的硬件: 更高分辨率、更轻便、更低延迟的 VR/AR 设备将带来更好的沉浸感和舒适度。

• 更智能的软件: 更先进的追踪技术、更自然的交互方式、更强大的场景理解能力将提升 VR/AR 应用的交互性和实用性。

• 更丰富的应用场景: VR/AR 技术将在游戏娱乐、教育培训、工业制造、医疗健康、零售电商等领域得到更广泛的应用。

希望本章节能成为您 VR/AR 开发之旅的起点，祝您在 VR/AR 的世界里探索无限可能！