基于Unity3D建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

閆興亞　趙　杰　崔曉云

(西安郵電大學(xué)　西安　710061)

?

基于Unity3D建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)*

閆興亞趙杰崔曉云

(西安郵電大學(xué)西安710061)

摘要虛擬現(xiàn)實技術(shù)已越來越多的被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑行業(yè)一個很好的應(yīng)用。論文以Unity3D為開發(fā)平臺，結(jié)合當前建筑施工實際培訓(xùn)需求，開發(fā)了建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。采用C#語言，對碰撞檢測、自動尋路、遮擋剔除、粒子系統(tǒng)、NGUI進行了研究和實現(xiàn)。實踐結(jié)果表明，基于Unity3D 建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具備良好的實用性、交互性、沉侵感、趣味性，起到了良好的培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實; Unity3D; 建筑培訓(xùn)

Class NumberTP391

1引言

近年來，隨著計算機硬件及軟件的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育、軍事、建筑、娛樂等各個行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[1]。采用現(xiàn)代化的計算機技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺等多重感應(yīng)的虛擬環(huán)境，用戶同虛擬環(huán)境中的物體進行交互，能夠產(chǎn)生二維動畫所不具備的現(xiàn)場沉浸感[2]。目前，學(xué)校培育建筑施工人才主要是通過書本理論學(xué)習(xí)、二維視頻動畫等途徑，考慮到實際施工現(xiàn)場安全性的問題，無法讓學(xué)生親臨施工現(xiàn)場進行實際操作，而傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)、二維視頻動畫不具有實踐操作性、交互性等原因，無法很好地讓學(xué)生進行施工流程技能培訓(xùn)。

Unity3D是由Unity technologies開發(fā)的一個用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個對編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理、版本控制等特性全面整合的專業(yè)游戲引擎[3]。由于其性價比高、開發(fā)流程簡單、跨平臺性及兼容性強等特點，越來越多虛擬現(xiàn)實項目將其作為開發(fā)平臺。本文旨在基于Unity3D游戲引擎，以3DMax、Maya、Photoshop等軟件為輔助工具，創(chuàng)建了一個集專業(yè)性、沉浸感、交互性、趣味性等特點的建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。討論了系統(tǒng)的設(shè)計模式，實現(xiàn)了包括碰撞檢測、自動尋路、遮擋剔除、粒子系統(tǒng)、NGUI等關(guān)鍵技術(shù)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

基于軟件工程的思想，建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)主要分為兩個階段：第一階段是系統(tǒng)前期的分析策劃和素材的搜集、整理、制作；第二階段是在Unity3D中進行場景的搭建、用戶界面的制作和系統(tǒng)各模塊交互功能的實現(xiàn)。其流程如圖1所示。首先，從需求分析出發(fā)，策劃系統(tǒng)內(nèi)容，確定系統(tǒng)各個模塊的功能。其次，現(xiàn)場取材和搜集整理資料。現(xiàn)場取材主要是到施工現(xiàn)場去拍攝施工建筑和施工器械、工具各個方向的外部輪廓和局部細節(jié)圖。這些圖片一方面可以作為施工場景布局的參考圖，也可以作為模型的貼圖。搜集的資料主要包括：建筑AutoCAD平面圖、相關(guān)建筑物設(shè)計圖紙以及施工工藝流程的資料。再次，利用3Dmax或Maya等建模軟件進行三維建模、施工工藝流程動畫的制作以及視頻渲染等，制作好后導(dǎo)出成Unity所支持FBX格式的三維模型文件和WAV格式的視頻文件。最后，將三維模型文件和視頻文件導(dǎo)入到Unity工程中進行系統(tǒng)第二階段的開發(fā)。第二階段的開發(fā)包括三方面的內(nèi)容：第一、場景的搭建；其中主要包括建筑施工場地的搭建、周圍環(huán)境、光照、陰影、天空、場景烘焙、碰撞檢測等。第二、制作用戶界面；其中包括一級主導(dǎo)航欄和系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊菜單。第三、系統(tǒng)各模塊功能的實現(xiàn)；這里是用C#語言進行模塊功能的開發(fā)。最終將其發(fā)布成.EXE可執(zhí)行文件。

圖1　系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1碰撞檢測

碰撞檢測是模擬現(xiàn)實環(huán)境中的人物及物體在遇到障礙物時發(fā)生的本能反應(yīng)。例如，當人物遇到墻壁，如果沒有設(shè)計碰撞檢測，則人物會穿過墻壁出現(xiàn)失真現(xiàn)象[4]。在現(xiàn)實中，應(yīng)該是當人物前進方向上遇到墻壁時，則停止前進，而不是穿過墻壁。此時，應(yīng)該對人物及墻壁添加碰撞器組件。碰撞檢測是整個建筑施工培訓(xùn)系統(tǒng)最基本的要求。在Unity3D中，共有六種形狀碰撞器，分別是Box Collider、Sphere Collider、Capsule Collider、Mesh Collider、Wheel Collider、Terrain Collider。根據(jù)場景中模型的實際形狀來添加相應(yīng)的碰撞器，比如，人物可以添加一個Capsule Collider，墻壁可以添加一個Box Collider。然后系統(tǒng)計算碰撞器的碰撞范圍就可以實現(xiàn)碰撞檢測。如圖2所示，給建筑施工場地的宣傳欄添加了一個Box Collider碰撞器。

圖2　碰撞檢測

3.2自動尋路

Unity自從3.5版本之后，增加了NavMesh尋路功能。在此之前，Unity只能通過第三方插件(如Astar尋路插件等)做尋路功能。不過由于不是自帶的功能，所以在設(shè)定網(wǎng)格和烘焙的過程難免會出現(xiàn)很多不便[5]。在Window下拉列表中可以看到Navgation，點擊后在原來的Inspector面板的旁邊會出現(xiàn)Navigation的面板，如圖3所示。

圖3　自動尋路烘焙面板

其中Object面板是對應(yīng)當前選擇的物體，旁邊的Bake面板是對應(yīng)全局選項的。在Scene Filter選項中，All(全部)、Mesh Renderers(渲染的網(wǎng)格)、Terrains(地形)是對Hirarchy面板里選擇顯示物體的一個篩選過濾。只有將Navigation Static選項勾上才能將當前的物體作為具有尋路功能的地形。OffMeshLink Generation選項是選擇該物體是否根據(jù)高度、可跳躍寬帶等全局的選項自動生成OffMeshLink。Navigation Layer是對參與尋路功能物體的一個分類，用層來分類，默認有三個層可以選擇，當然也可以自己添加層。將Navigation面板中Object的各項參數(shù)設(shè)置好以后，進入Bake選項卡進行烘焙，然后再通過代碼來實現(xiàn)人物的自動尋路。其主要代碼如下所示：

private NavMeshAgent agent;

void Start()

{

//獲取組件

agent = GetComponent();

}

void Update()

{

if (Input.GetMouseButtonDown(0))

{

//攝像機到點擊位置的的射線

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit rayhit;

if (Physics.Raycast(ray, out rayhit))

{

//判斷點擊的是否地形

if (!rayhit.collider.name.Equals("Terrain"))

{

return;

}

//點擊位置坐標

Vector3 point = rayhit.point;

//轉(zhuǎn)向

transform.LookAt(new Vector3(point.x, transform.position.y, point.z));

//設(shè)置尋路的目標點

agent.SetDestination(point);

}

}

3.3遮擋剔除

遮擋剔除的主要思想是當一個物體被其他物體遮擋住而不在攝像機的可視范圍內(nèi)時不對其進行渲染[6]。在虛擬現(xiàn)實項目的開發(fā)過程中，通常場景很大，場景內(nèi)的物體較多，如果將整個場景進行渲染的話勢必會增加draw calls的數(shù)量，大大降低了系統(tǒng)的運行效率。Unity內(nèi)置的遮擋剔除功能使其只對攝像機視野范圍之內(nèi)的物體進行渲染，從而降低了系統(tǒng)的渲染負荷，提高了系統(tǒng)的運行效率。其直觀表現(xiàn)就是系統(tǒng)運行得更加流暢，不會出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。在Window下拉列表中可以看到Occlusion culling，點擊后在原來的Inspector面板的旁邊會出現(xiàn)Occlusion的面板，如圖4所示，選中要進行遮擋剔除的物體，分別勾上Occluder Static和Occludee Static，它們表示當前物體要進行遮擋剔除。然后對需要遮擋剔的除物體進行烘焙(Bake)，烘焙完成之后，進入到/isualization面板選擇需要進行遮擋剔除的攝像機，這樣，系統(tǒng)就只會渲染在該攝像機視野范圍之內(nèi)的物體了。實驗表明，運用遮擋剔除后系統(tǒng)運行的更加流暢了。

圖4　Occlusion面板

3.4粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)在Unity中是用來制作煙、霧、蒸汽、火焰、落葉和其他一些特效。一個粒子系統(tǒng)由三個部分組成，分別是粒子發(fā)射器(Particle Emitter)、粒子動畫(Particle Animator)和粒子渲染器(Particle Renderer)。粒子發(fā)射器產(chǎn)生粒子，粒子動畫在時間軸上移動它，粒子渲染器在屏幕上渲染它們[7]。圖5是用Unity的粒子系統(tǒng)做的一個火焰特效。

圖5　粒子系統(tǒng)火焰特效

在本系統(tǒng)中，為了使施工工藝及環(huán)境更加真實化，使用粒子系統(tǒng)制作了一些電焊火花及環(huán)境特效。達到了對現(xiàn)實施工的逼真模擬效果。

3.5基于NGUI的UI制作

UI是任何系統(tǒng)中都必不可少的一部分，好的UI設(shè)計從視覺上能體現(xiàn)軟件的用途和特點，操作起來簡單舒適[8]。Unity4.6之前的版本自帶的UI系統(tǒng)是GUI，它是通過系統(tǒng)自帶的API來實現(xiàn)UI的，其最大的缺點是不能實現(xiàn)可視化的編輯，其位置、大小、及圖片資源都需要代碼去實現(xiàn)，并且每次運行后才能看見效果，開發(fā)起來很不方便。為此，本文采用NGUI來完成UI的制作。

NGUI(Next-Gen UI)是使用C#語言編寫的一個Unity插件[9]。它將各個功能都封裝成了腳本，并且將常用的一些組件做成了預(yù)設(shè)物，它可以在編輯狀態(tài)下來任意調(diào)整位置及大小，還可以添加一些UI特效。在本系統(tǒng)中，利用NGUI插件制作了系統(tǒng)導(dǎo)航欄，系統(tǒng)菜單欄、按鈕、工具箱、小地圖、答題面板、等界面。同時NGUI的Anchor能夠使各個UI元素具有屏幕自適應(yīng)功能，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同分辨率的屏幕。

4系統(tǒng)效果展示

基于Unity3D的建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)包括施工工藝、仿真實操、在線考評、構(gòu)配件認知、安全管理、資源庫六個模塊。系統(tǒng)效果及部分功能模塊截圖如圖6～圖8所示。

圖6　施工工藝

圖7　仿真實操

圖8　構(gòu)配件認知

其中，施工工藝是對建筑施工工藝流程的一個三維展示，本文以基坑周邊防護為例，用戶通過點擊箭頭指示就可以一步一步的觀看基坑周邊防護的搭建流程及具體步驟，并在系統(tǒng)的右下角配以語音、文字解說，實現(xiàn)對施工工藝流程的全面介紹。仿真實操是用戶通過完成系統(tǒng)設(shè)置的任務(wù)，獲得相應(yīng)的道具，然后才能繼續(xù)完成工藝流程。該模塊使得系統(tǒng)具有一定的娛樂性，激發(fā)用戶的學(xué)習(xí)興趣。在線考評是進入系統(tǒng)的后臺考評系統(tǒng)，是對培訓(xùn)者理論知識的一個考評。構(gòu)配件認知是對建筑施工過程中所使用的構(gòu)配件進行全面的介紹，在該模塊中，用戶可以360°的去認知構(gòu)配件的細部結(jié)構(gòu)，并且滾動鼠標滾輪可以放大、縮小，在系統(tǒng)的右邊有語音、文字對構(gòu)配件的介紹。資源庫是對施工工藝中各個步驟所用到的參數(shù)(如：立桿埋入地表的數(shù)值，兩個立桿之間的間距等)，構(gòu)配件的型號、規(guī)格參數(shù)等的一個視頻介紹。安全管理是施工過程中所涉及的安全問題的一些安全準則，是以圖文表格的形式進行介紹。

5結(jié)語

本文對基于Unity3D的建筑施工虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)做了詳細的研究。在文中著重討論了系統(tǒng)設(shè)計模式及系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)的進步，虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)必將成為發(fā)展的趨勢，并將會在各個領(lǐng)域出現(xiàn)。本系統(tǒng)的開發(fā)將會為其他領(lǐng)域的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實項目的開發(fā)提供一定的參考價值，同時具備推廣應(yīng)用價值。

參 考 文 獻

[1] 相茂英,馬純永,韓勇,等.基于Unity3D的化工設(shè)備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2014(7):196-200.

XIANG Maoying, MA Chunyong, HAN Yong, et al. Research on Chemical Equipment Virtual Training System Based on Unity3D[J]. Computer Technology and Development,2014(7):196-200.

[2] GAN Jiansong. The key technology of indoor roaming based on Unity3d[J]. Journal of Yancheng Institute Of Technology(Natural Science Edition),2011(4):56-59.

[3] ZHU Yu. Design and research of roaming system based on Unity3D[J]. Information Security and Technology,2014(12):78-81.

[4] 王彩玲,劉瑞香,宋釗.基于Unity3D的虛擬校園漫游的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技視界,2015(7):18-20.

WANG Cailing, LIU Ruixiang, SONG Zhao. Design and Realization of Virtual Campus Roaming Based on Unity3D[3]. Science & Technology Vision,2015(7):18-20.

[5] ZHU Huijuan. Virtual Roaming System Based on Unity3D[J]. Computer System Application,2012(10):36-39,65.

[6] REN Guodong, CHEN Linhua, TAO Xuefeng, et al. Information Visualization System of Virtual Museum Based on Unity3D[J]. Computer System Application,2013(9):86-90,59.

[7] 孫浩鵬,李楊.面向虛擬現(xiàn)實的蝸殼內(nèi)流體現(xiàn)象研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013:33-41.

SUN Haopeng, LI Yang. Research on the phenomenon of fluid flow in the spiral case of virtual reality[J]. Technology Innovation and Application,2013:33-41.

[8] 李錦青.WEB UI控件庫的開發(fā)[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(1):129-131.

LI Jinqing. Development of WEB UI Controls[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology(Natural Science Edition),2009(1):129-131.

[9] ZENG Senlin. Visual Simulation Research of Cross Platform Virtual Driving Based on Unity3D[D]. Central South University,2013.

[10] LI Zhijun. Virtual Reality Design and Research of Ship Rudder Engine Room Based on Unity3D[D]. Dalian: Dalian Maritime University,2014.

[11] 李益.基于Unity3d的磨礦車間虛擬仿真系統(tǒng)[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

LI Yi. Virtual Simulation System of Grinding Workshop Based on Unity3d[D]. Dalian: Dalian University of Technology,2014.

[12] 倪萌.基于Unity3D的汽車發(fā)動機虛擬裝配訓(xùn)練考評系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2014.

NI Meng. Design and Implementation of Virtual Assembly Training Evaluation System for Automobile Engine Based on Unity3d[D]. Beijing: Beijing University of Technology,2014.

收稿日期:2016年1月20日,修回日期:2016年2月23日

作者簡介:閆興亞,男,碩士,教授,研究方向：虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實。趙杰,男,碩士研究生,研究方向：虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實。崔曉云,女,碩士研究生,研究方向：虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.020

Research and Implementation of Construction Virtual Training System Based on Unity3D

YAN XingyaZHAO JieCUI Xiaoyun

(Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an710061)

AbstractVirtual reality technology has been applied to more and more fields. Virtual training system of construction is a good application of virtual reality technology in the construction industry. In this paper, Unity3D is the development platform, combined with the actual training needs of the construction, developing the virtual training system of construction. The collision detection, automatic routing, occlusion culling, particle system, NGUI are studied and implemented with C# language. The practical results show that the virtual training system of construction based on Unity3D has good practicability, interaction, and it has a good training effect.

Key Wordsvirtual reality, Unity3D, construction training