基于Unity3D的南京朝天宮虛擬現實漫游

楊艷 卜言彬 王越

摘 要：本論文針對朝天宮建立了一個基于Unity3d的虛擬漫游開發平臺，通過實地考察拍攝收集朝天宮建筑數據，采用3D Max軟件完成建模步驟，以C#做為開發語言，利用交互式設計思維，結合多種U3D可視化輔助插件，實現了通過以鼠標鍵盤反饋進行的手動漫游、攝像機自動漫游、小地圖同步顯示以及以碰撞檢測為控制手段的音頻交互功能。在朝天宮現實場景的基礎上，利用虛擬仿真技術成功構建了具有構想性、交互性以及沉浸感的虛擬現實場景。

關鍵詞：U3D；仿真建模；場景漫游；交互性設計思維

基金項目：江蘇省高等學校自然科學研究項目資助（項目編號：16KJB520046）

Abstract：This paper in view of chaotian palace built a virtual roaming development platform based on Unity3d， chaotian palace architecture data collected through field shooting， complete with production softwares 3D Max software， modeling steps to c # as development language， using the interactive design thinking， combined with a variety of auxiliary plug-in U3D visualization， implements the manual roaming through the mouse and keyboard to feedback， the camera automatically roaming and synchronous display， and small map with collision detection means to control the audio interaction function. On the basis of the realistic scene of the heavenly palace， virtual reality scene with conception， interactivity and immersion is successfully constructed by using virtual simulation technology.

Keywords：U3D；Simulation modeling；Scene roaming；Interactive design thinking

1 前言

虛擬現實系統是一種由計算機創建虛擬仿真環境并使用戶能夠沉浸體驗該環境的計算機仿真系統。虛擬漫游技術作為虛擬現實的重要領域之一，能夠實現現實場景的虛擬數字化。通過使用VR設備，用戶能夠實現對現實場景的遠程沉浸式體驗。相較觀看視音頻介紹，漫游者能獲得更為全面真實的體驗。

本系統將基于Unity3d為開發軟件，通過實際拍攝實際景物照片與后期3D Max、PS、聲音合成軟件以及U3D對南京朝天宮進行虛擬漫游系統的設計與實現。該虛擬南京朝天宮漫游系統具有良好的沉浸感、交互性與構想性，能夠實際應用到朝天宮虛擬漫游中，使用戶足不出戶便能體驗到朝天宮全方位的景色。

2 虛擬現實漫游系統總體設計

虛擬漫游（virtual roaming），作為虛擬現實（Virtual Reality）的主要分支，其具有獨特的3I特性——沉浸感、交互性和構想性。本虛擬漫游系統以這三種特性作為核心思想進行目標設定。

2.1 高仿真場景，提高虛擬漫游的沉浸感

高仿真場景包括建模、貼圖、光陰、天空以及植被水流樹木這幾個部分。完成該目標的思路：前期，對實地進行考察，通過全景拍攝手段、網上查找以及簡單測量獲取場景的圖像和文字數據，包括建筑的各項長度信息和紋理，為建模提供充足的數據支持。建模時，依據前期獲取的數據進行高精度布線，建模。利用高分辨率外部貼圖以及Vary插件為模型貼圖，設置好合適的貼圖高光漫反射反射等屬性值。U3D制作漫游時，添加高級水流以及外部收集的高分辨率天空盒和樹木，添加燈光并打開陰影渲染。

2.2 豐富的交互功能

設置開始漫游、自動漫游、手動漫游、返回、退出等交互按鈕，并制作主要建筑音頻介紹的觸發交互功能。完成該目標的思路：利用前期的PS等設計軟件制作界面和UI，利用語言合成軟件朗讀女將介紹文字轉為音頻，后期利用U3D插件NGUI制作封面UI，使用PlayMaker完成各個觸發機制，Camera Path Animator和U3D自帶的各項功能完成漫游等項目的制作。

2.3 良好的優化

能讓大部分機型順暢的運行漫游系統，通過建模時的優化減面操作以及U3D中對碰撞器和光影的優化大幅提升虛擬漫游系統的運行效率。

虛擬漫游總體設計框架如圖1所示：

3 三維模型的搭建

虛擬現實不僅需要考慮漫游的仿真效果，還要使系統運行足夠流暢，朝天宮場景因為過于龐大，在進行漫游時對硬件的性能會有較高要求。所以在制作模型時，盡量利用簡摸+貼圖的形式表現，這體現在房頂制作時利用高精度貼圖代替磚瓦堆疊的層次感、石柱的凹凸紋理也利用貼圖代替等等方面。對在虛擬漫游中不會看到的模型部分予以刪除處理。總體來講模型三角面數在50萬面以下可以保證系統一定的運行效率。

3.1 地面的繪制

對于龐大的朝天宮古建筑群場景來說，地型最為重要，地型是承載建筑的最基礎也是最重要的部分。根據整個朝天宮古建筑群場景的布局，可以先繪制成長方形的地面。

首先創建一個12730m*10000m的矩形來作為朝天宮古建筑群場景的參考。根據目測和大概的cad圖紙，調整這個矩形的大小。

3.2 建筑物的繪制

通過制作地板地基，制作墻體， 在頂視圖中，同樣利用樣條線來繪制墻體，最后完成屋頂的制作。

三維模型的貼圖， 在紋理素材方面，需要優先選擇實地拍攝后期制作的紋理，其次是網上與朝天宮建筑相似的高精度紋理，盡量選取風格相似的地磚，木紋，磚瓦等圖片。對于局部需要修改的圖片以及類如牌匾等特殊紋理，可以使用PS軟件修改圖片各項屬性、扣出需要的牌匾圖像部分。另外，要比較精細的表現一個朝天宮古建筑群場景空間，貼圖的質量與像素不能太低，同時也要考慮到貼圖文件過大導致的運行效率低下的問題，要在質量與運行速度中間進行有效平衡。

4 虛擬漫游系統的實現

4.1 漫游場景以及交互素材的完善

在完成3Dmax模型地形導入后，還需要對整個漫游場景添加各種細節以此增強虛擬漫游的沉浸感。通過添加地形、樹木花草、植被（地面紋理）、天空盒以及水流等模型物體，使漫游場景更加豐富，同時也要加入光照陰影系統，是虛擬環境更加真實。素材添加進后得到效果如圖2所示。

4.2 碰撞檢測

漫游一般都采取Mesh Colider作為該模型的碰撞器，但如果遇到模型本身面數過大Mesh碰撞器無效（一個模型面數超過255時，Mesh 碰撞器就會報錯無效）或是要添加碰撞器的模型過多導致系統實際運行很卡的情況，就需要利用如Box碰撞器等簡單碰撞器代替面碰撞器，對于上不去的高塔頂部以及圍墻和樹冠都可以使用Box碰撞器。

4.3 交互系統的實現

本系統使用了PlayMaker插件來完成交互功能的核心操作。PlayMaker是Unity3D的一款可視化的有限元狀態機（Finite-state machine，簡稱Fsm）插件，用來進行交互設計。通過對狀態機的各種設置，可以利用交互設計的思維方法，簡化煩瑣的編程過程，使用可視化的解決方案來運用有限元狀態機的設計思路在Unity3D中完成交互系統。本系統將利用NGUI來制作開始漫游、手動漫游、自動漫游、返回、退出界面并利用PlayMaker完成UI與各個功能之間的交互。同時也使用空物體和PlayMaker制作到達指定位置的音頻介紹交互功能。

4.4 漫游系統的制作

手動漫游本系統利用Unity自帶的Character Controller包以及PlayMaker插件完成手動漫游功能，此次手動漫游采用的是第一人稱模式。本系統利用Camera Path Animator來實現自動漫游功能。

自動漫游的本質是讓攝像機的位置等屬性根據之前設立好的路徑、運動方式來進行移動漫游，為此要先設立好觸發自動漫游的機制，路徑，以及攝像機的運動以及其余屬性，同時也要考慮退出自動漫游的觸發條件。

4.5 小地圖的實現

小地圖系統的添加能夠方便用戶在手動漫游時獲取自身所處位置的信息，是虛擬漫游系統中較為普遍的功能之一。制作小地圖系統需要注意幾個方面的問題：小地圖是以用戶操控單位為中心進行設置的；小地圖的人物模型由于實際顯示時很小，需要利用一定的標識加以代替，在清晰顯示人物位置同時也能方便區分不同的人物模型。兩種顯示小地圖的方式：一是利用攝像機深度不同來制作小地圖，二是利用Target Texture與Render Texture來實時更新小地圖。

5 結語

本系統利用3Dmax進行仿真建模與貼圖，利用Vary貼圖增強了模型的真實感，在保證一定質量的同時為提高U3D漫游設計效率進行減面等一系列優化，并成功解決了3D Max模型在導入U3D時會出現的諸如系統單位、方向軸坐標系以及插件不匹配等問題。在U3D漫游制作中，本系統設置了自動漫游、手動漫游、主要建筑音頻交互等多種交互功能，同時利用外部天空盒、樹木、假山等資源包美化整個朝天宮場景，大幅提升了用戶在進行虛擬漫游時的沉浸感，交互性以及構想性，達成了虛擬漫游應有的3I特性。同時在U3D漫游制作時利用了多種插件來簡化了操作流程，提高了制作虛擬漫游的效率整體漫游質量。同時對于陰影以及碰撞部分進行一定的優化操作，大幅提升了U3D預覽以及運行效率。

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