基于Unity3D的地鐵三維虛擬漫游設(shè)計(jì)①

周信文, 俎曉芳,2, 羅 津,2,3, 李 鑫, 蘭美玲, 許雋晗, 鐘愛(ài)平

1(江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院,南昌 330022)

2(鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330022)

3(流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330022)

1 引言

虛擬漫游在建筑、旅游、游戲、航空航天、醫(yī)學(xué)等多種行業(yè)發(fā)展很快. 其中虛擬建筑場(chǎng)景漫游是虛擬漫游的一個(gè)代表性方面,它是虛擬建筑場(chǎng)景建立技術(shù)和虛擬漫游技術(shù)的結(jié)合,前者是基礎(chǔ),后者是系統(tǒng)運(yùn)行方法. 與傳統(tǒng)漫游手段相比,虛擬漫游更具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性. 傳統(tǒng)的文字介紹已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)新事物認(rèn)知的需要,能夠身臨其境地去體驗(yàn)事物已經(jīng)成為一種使用習(xí)慣. 通過(guò)虛擬漫游技術(shù)可以異地隨時(shí)漫游新建筑,真實(shí)三維體驗(yàn)感,操作的交互性實(shí)現(xiàn)了人機(jī)關(guān)系的跨越,使漫游體驗(yàn)更有趣味[1]. 國(guó)內(nèi)有諸多學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于火車站、地鐵站等復(fù)雜建筑的三維仿真,并進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究工作. 如王淑嬙利用虛擬建筑場(chǎng)景建立技術(shù),構(gòu)建了地鐵車站三維模型,為地鐵信息管理提供三維信息平臺(tái)[2]. 杜霄利用三維視景仿真技術(shù)描述了列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程[3]. 結(jié)合虛擬漫游技術(shù),翁武文以車站建筑三維模型為載體,基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)虛擬車站漫游系統(tǒng),達(dá)到了展示車站內(nèi)外環(huán)境的目的[4].

本文以南昌地鐵一號(hào)線為例,設(shè)計(jì)了地鐵車站的地上地下一體化三維虛擬漫游系統(tǒng),將傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)與當(dāng)下實(shí)用的全景技術(shù)結(jié)合,可以方便地為本地乘客導(dǎo)乘,也可幫助外地游客了解地鐵沿線站點(diǎn)的主要景觀.

2 總體設(shè)計(jì)思路與技術(shù)路線

按常規(guī)的地下實(shí)體三維建模方式,構(gòu)建地鐵站點(diǎn)地上地下一體化三維模型,需要采集沿線40公里的地下站點(diǎn)幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和地面景觀的龐大數(shù)據(jù),工作量巨大. 考慮到地下站點(diǎn)構(gòu)造大體相似性和地面出入口的差異性. 本文提出一種新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路： 地下通過(guò)3DMax實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的三維地下建模,地面采用360度全景技術(shù)展示出入口周邊主要街道和建筑景觀; 兩者基于Unity3D實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和漫游,并在線發(fā)布,以滿足大眾化的導(dǎo)乘需求. 相比于專業(yè)建模的技術(shù)要求和較高的人工成本,本文的建模過(guò)程相對(duì)輕松,而且實(shí)現(xiàn)效果不亞于精細(xì)化建模的導(dǎo)乘作用. 因此,南昌地鐵一號(hào)線的虛擬漫游設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題包括：

(1) 地鐵地下三維模型構(gòu)建的主體內(nèi)容;

(2) 地鐵地面站口全景圖像的制作與呈現(xiàn);

(3) 三維模型與全景圖像如何集成化管理漫游.

上述設(shè)計(jì)思路可以按如下技術(shù)路線和步驟實(shí)現(xiàn)：

(1) 構(gòu)建地鐵站點(diǎn)地下三維模型. 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察拍照,獲得需要的南昌地鐵內(nèi)部實(shí)景圖像,然后利用Photoshop對(duì)地鐵內(nèi)部圖片進(jìn)行裁剪與編輯,轉(zhuǎn)換成3DMax最終需要的三維模型紋理貼圖,同時(shí)還需要地鐵各站點(diǎn)精確的平面圖層數(shù)據(jù),才開(kāi)始三維模型的構(gòu)建. 經(jīng)過(guò)渲染烘焙后,將建成的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái),實(shí)現(xiàn)地鐵三維場(chǎng)景的簡(jiǎn)單漫游.

(2) 制作地面站口的360度全景圖. 首先通過(guò)專業(yè)相機(jī)拍攝南昌地鐵一號(hào)線沿線站點(diǎn)出入口周邊街道和建筑景觀的照片,然后將其制作成方便用戶瀏覽的全景圖.

(3) 地面全景的展示. 利用百度地圖API生成地鐵線路、站點(diǎn)、出入口的布局圖,將百度地圖上的地鐵站點(diǎn)出入口與開(kāi)始制作好的全景圖對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián),并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)生成URL.

(4) 用戶交互界面設(shè)計(jì). 模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地下漫游的同時(shí),還可以利用其按鈕交互功能訪問(wèn)地面站點(diǎn)全景的URL,最后生成可執(zhí)行文件形成完整的虛擬漫游系統(tǒng).

3 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

3.1 地鐵站點(diǎn)地下場(chǎng)景的三維建模

如前文所述,構(gòu)建地鐵地下站點(diǎn)的三維模型時(shí),需要利用3DMax軟件對(duì)南昌地鐵一號(hào)線站點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行建模,貼圖及模型烘焙,然后將地鐵三維模型轉(zhuǎn)換為.fbx格式,導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中為下一步工作做準(zhǔn)備.

整個(gè)地鐵運(yùn)行系統(tǒng)包含多個(gè)場(chǎng)景,地鐵場(chǎng)景的三維建模也包含了大量的內(nèi)容. 根據(jù)地鐵空間的層次結(jié)構(gòu),可以大致劃分出整個(gè)地鐵三維場(chǎng)景的模型,主要分為地鐵入口、站廳臺(tái)、站層臺(tái)、隧道. 地鐵模型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 地鐵三維場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)

為了提高建模效率、減少互相牽制和干擾因素,將地鐵候車空間和隧道場(chǎng)景分開(kāi)建模. 同時(shí)對(duì)于整個(gè)地鐵場(chǎng)景的三維建模,需要盡可能掌握地鐵場(chǎng)景中各實(shí)體的空間信息. 通過(guò) AutoCAD 圖形構(gòu)建獲取地鐵候車層,隧道、軌道的結(jié)構(gòu)尺寸,為3DMax三維建模提供準(zhǔn)確的輪廓數(shù)據(jù). 同時(shí),為彌補(bǔ)南昌地鐵場(chǎng)景AutoCAD二維圖形數(shù)據(jù)難以表述建筑、設(shè)備外觀上具有表象性的局部特征信息的局限性,采取實(shí)景照片加以輔助來(lái)建立三維模型. 人工拍攝的地鐵站點(diǎn)內(nèi)部場(chǎng)景實(shí)景照片,經(jīng)過(guò)Photoshop軟件對(duì)亮度、色調(diào)、飽和度處理之后,通過(guò)貼圖紋理應(yīng)用到建好的模型中,不僅能表現(xiàn)地鐵場(chǎng)景中各實(shí)體的具體位置關(guān)系信息,還能制作出在3DMax中用于表現(xiàn)虛擬模型外觀的顏色,更加貼近現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的真實(shí)感. 例如,地鐵站內(nèi)部的廣告牌無(wú)需進(jìn)行建模,只需將處理好的廣告牌實(shí)景貼圖放置于模型墻體表面,同樣能夠達(dá)到真實(shí)的漫游效果. 地鐵站廳層與站臺(tái)層的漫游效果如圖2和圖3所示.

圖2 站廳層場(chǎng)景漫游效果圖

圖3 站臺(tái)層場(chǎng)景漫游效果圖

3.2 沿線站點(diǎn)全景發(fā)布與VR漫游

全景圖(panorama)是一種具有固定視點(diǎn)和大范圍視角的廣角場(chǎng)景圖像,包括360度水平視角視和160度以上的垂直視角[5]. 南昌地鐵出入站口全景圖的獲取,需要使用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝連續(xù)的圖像序列,然后通過(guò)軟件拼接得單個(gè)站點(diǎn)一個(gè)出入口的完整全景圖.

為了方便用戶結(jié)合百度地圖使用導(dǎo)乘功能,各個(gè)站點(diǎn)和出入口之間需要實(shí)現(xiàn)靈活的場(chǎng)景切換,即需要將單個(gè)站點(diǎn)的全景圖與百度地圖中對(duì)應(yīng)的地鐵沿線站點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián),并針對(duì)單個(gè)站點(diǎn)不同出入口提供關(guān)聯(lián)跳轉(zhuǎn)功能. 為此,本文設(shè)計(jì)了南昌地鐵一號(hào)線24個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的24個(gè)全景網(wǎng)頁(yè),其中首頁(yè)面如圖4所示： 每個(gè)頁(yè)面包含當(dāng)前站點(diǎn)的多個(gè)出入口跳轉(zhuǎn)鏈接、前一站點(diǎn)和后一站點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)鏈接,以及頁(yè)面縮放和方向控制等功能.

如圖5所示,奧體中心站C口全景效果. 圖中箭頭指示前后站點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)鏈接,鼠標(biāo)點(diǎn)擊全景圖中預(yù)設(shè)的熱點(diǎn),觸發(fā)同站點(diǎn)內(nèi)各出入口間跳轉(zhuǎn)的操作[6]. 頁(yè)面底部控制面板亦可實(shí)現(xiàn)前后站點(diǎn)和不同出入口跳轉(zhuǎn),相應(yīng)功能支持鍵盤控制,用戶還可以通過(guò)點(diǎn)擊VR按鈕切換VR狀況,達(dá)到更好的場(chǎng)景漫游體驗(yàn).

圖4 南昌地鐵一號(hào)線地面站點(diǎn)全景首頁(yè)

圖5 南昌地鐵一號(hào)線地面站點(diǎn)全景網(wǎng)頁(yè)

4 地下站點(diǎn)場(chǎng)景與地面全景的交互

Unity3D內(nèi)置的組件將物理引擎、聲音引擎、碰撞檢測(cè)、動(dòng)畫(huà)組件、場(chǎng)景管理等模塊封裝得非常易用,可視化的編輯器,可以幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)時(shí)預(yù)覽場(chǎng)景效果,其界面交互技術(shù)也正是實(shí)現(xiàn)三維模型與全景圖像集成化管理漫游的關(guān)鍵.

程序主界面主要通過(guò)Unity3D的NGUI插件搭建,包含功能控制按鈕,及小地圖顯示區(qū)域.

(1) 小地圖的實(shí)現(xiàn)方式,即創(chuàng)建一個(gè)小地圖相機(jī)跟隨第一人稱主相機(jī)一起移動(dòng),其實(shí)就是讓小地圖相機(jī)和主相機(jī)的相對(duì)位置不變即可. 這里需要使用代碼來(lái)控制兩個(gè)對(duì)象之間的相對(duì)位置,使其保持不變. 在Unity3D中,用transform 組件來(lái)獲取一個(gè)物體的位置,將小地圖相機(jī)與第一人稱主相機(jī)關(guān)聯(lián),那么只要主相機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),其transform屬性的值就會(huì)傳遞到至小地圖相機(jī)上,小地圖相機(jī)的位置就等于主相機(jī)位置+運(yùn)動(dòng)偏移量,關(guān)鍵代碼如下：

(2) 地下站點(diǎn)場(chǎng)景漫游,Unity3D中自帶第一人稱視角控制相關(guān)代碼,手動(dòng)漫游按鈕的代碼可以直接調(diào)用,用戶通過(guò)鼠標(biāo)和WASD鍵盤按鍵在第一人稱視角下進(jìn)行三維漫游,還可通過(guò)界面右上角小地圖觀察在地鐵站中所處相對(duì)位置.

(3) 地下場(chǎng)景至地面全景跳轉(zhuǎn),首先需要通過(guò)NGUI菜單創(chuàng)建響應(yīng)全景網(wǎng)頁(yè)跳轉(zhuǎn)事件的按鈕,目的是通過(guò)點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)C/S端至B/S端的網(wǎng)頁(yè)跳轉(zhuǎn),網(wǎng)站鏈接的設(shè)置需要按鈕子集下的標(biāo)簽來(lái)完成. 其過(guò)程大致可以簡(jiǎn)述為：

1) 在按鈕中添加Lable;

2) 在Lable的Inspector中設(shè)置全景跳轉(zhuǎn)的網(wǎng)頁(yè)鏈接.

(4) 運(yùn)行系統(tǒng)時(shí),點(diǎn)擊全景跳轉(zhuǎn)按鈕即可自動(dòng)彈出相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行地面全景漫游功能體驗(yàn). 地面全景漫游功能設(shè)計(jì)主要是能夠在由拍攝的全景圖像所構(gòu)建的南昌地鐵各個(gè)站點(diǎn)的全景空間里進(jìn)行場(chǎng)景切換,達(dá)到瀏覽各個(gè)不同出入口場(chǎng)景的目的,方便乘客進(jìn)出站點(diǎn). 具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1) 將處理好的全景圖用全景處理軟件制作成可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn),和具有放大縮小,控制旋轉(zhuǎn)方向的全景圖格式文件.

2) 通過(guò)百度地圖API創(chuàng)建地圖,初始化地圖元素,加載地圖操作基本控件,同樣利用百度地圖API在地圖中全景圖對(duì)應(yīng)點(diǎn)添加控制按鈕.

3) 將之前制作好的全景圖文件嵌入加載好的百度地圖網(wǎng)頁(yè)中,通過(guò)使用JavaScript語(yǔ)言對(duì)應(yīng)設(shè)置地鐵各站點(diǎn)及出入口的控制按鈕,顯示每個(gè)地鐵站的ABCD出入口,然后通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可查看對(duì)應(yīng)站點(diǎn)出入口的全景圖.

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)南昌地鐵一號(hào)線站點(diǎn)地下場(chǎng)景的三維建模及站點(diǎn)地面出入口的全景圖,基于Unity3D+百度地圖平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了南昌地鐵一號(hào)線地下地面一體化三維虛擬漫游,為地圖導(dǎo)乘和沿線站點(diǎn)景觀漫游提供了一種簡(jiǎn)單易行的解決方案. 相比于地下地上真三維建模,在技術(shù)層面,節(jié)省了大量的研發(fā)時(shí)間和人工成本,在表現(xiàn)形式上達(dá)到了預(yù)期效果,希望對(duì)同行研究具有一定的參考意義. 隨著南昌地鐵其他線路的陸續(xù)開(kāi)通,未來(lái)還可以擴(kuò)展成南昌市軌道(地鐵)交通網(wǎng)絡(luò)三維虛擬仿真平臺(tái),則會(huì)具有更大的實(shí)用價(jià)值.

6 致謝

本文研究得到江西省人力資源與社會(huì)保障廳博士后擇優(yōu)資助項(xiàng)目,國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 41461083),國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2015BAH50F02,2015BAH50F03),江西省重大生態(tài)安全問(wèn)題監(jiān)控協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JXSEW-00),鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金(ZK2014002),流域生態(tài)與地理環(huán)境國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助.

1黃穎. 基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的岳麓書(shū)院3D漫游設(shè)計(jì)[碩士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué),2016.

2王淑嬙,王乾坤,何辰琛. 地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)的構(gòu)建. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2012,34(3)： 289-292,321.

3杜霄,唐濤. 地鐵列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)中三維視景建模和簡(jiǎn)化. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(6)： 1724-1728.

4翁武文. 基于Unity 3D的虛擬車站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[碩士學(xué)位論文]. 廈門： 廈門大學(xué),2016.

5Oettermann S. The panorama： history of a mass medium. New York,NY,USA： Zone Books,1997.

6王磊,高玨,金野,等. 基于Web3D無(wú)插件的三維模型展示的研究. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,25(4)： 217-220.