基于Unity3D的南京朝天宮虛擬現(xiàn)實(shí)漫游

楊艷 卜言彬 王越

摘 要：本論文針對(duì)朝天宮建立了一個(gè)基于Unity3d的虛擬漫游開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)地考察拍攝收集朝天宮建筑數(shù)據(jù)，采用3D Max軟件完成建模步驟，以C#做為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，利用交互式設(shè)計(jì)思維，結(jié)合多種U3D可視化輔助插件，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)以鼠標(biāo)鍵盤反饋進(jìn)行的手動(dòng)漫游、攝像機(jī)自動(dòng)漫游、小地圖同步顯示以及以碰撞檢測(cè)為控制手段的音頻交互功能。在朝天宮現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真技術(shù)成功構(gòu)建了具有構(gòu)想性、交互性以及沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：U3D；仿真建模；場(chǎng)景漫游；交互性設(shè)計(jì)思維

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：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(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一種由計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境并使用戶能夠沉浸體驗(yàn)該環(huán)境的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。虛擬漫游技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)的重要領(lǐng)域之一，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的虛擬數(shù)字化。通過(guò)使用VR設(shè)備，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的遠(yuǎn)程沉浸式體驗(yàn)。相較觀看視音頻介紹，漫游者能獲得更為全面真實(shí)的體驗(yàn)。

本系統(tǒng)將基于Unity3d為開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò)實(shí)際拍攝實(shí)際景物照片與后期3D Max、PS、聲音合成軟件以及U3D對(duì)南京朝天宮進(jìn)行虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該虛擬南京朝天宮漫游系統(tǒng)具有良好的沉浸感、交互性與構(gòu)想性，能夠?qū)嶋H應(yīng)用到朝天宮虛擬漫游中，使用戶足不出戶便能體驗(yàn)到朝天宮全方位的景色。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

虛擬漫游（virtual roaming），作為虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）的主要分支，其具有獨(dú)特的3I特性——沉浸感、交互性和構(gòu)想性。本虛擬漫游系統(tǒng)以這三種特性作為核心思想進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定。

2.1 高仿真場(chǎng)景，提高虛擬漫游的沉浸感

高仿真場(chǎng)景包括建模、貼圖、光陰、天空以及植被水流樹木這幾個(gè)部分。完成該目標(biāo)的思路：前期，對(duì)實(shí)地進(jìn)行考察，通過(guò)全景拍攝手段、網(wǎng)上查找以及簡(jiǎn)單測(cè)量獲取場(chǎng)景的圖像和文字?jǐn)?shù)據(jù)，包括建筑的各項(xiàng)長(zhǎng)度信息和紋理，為建模提供充足的數(shù)據(jù)支持。建模時(shí)，依據(jù)前期獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置好合適的貼圖高光漫反射反射等屬性值。U3D制作漫游時(shí)，添加高級(jí)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(kāi)陰影渲染。

2.2 豐富的交互功能

設(shè)置開(kāi)始漫游、自動(dòng)漫游、手動(dòng)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(fā)交互功能。完成該目標(biāo)的思路：利用前期的PS等設(shè)計(jì)軟件制作界面和UI，利用語(yǔ)言合成軟件朗讀女將介紹文字轉(zhuǎn)為音頻，后期利用U3D插件NGUI制作封面UI，使用PlayMaker完成各個(gè)觸發(fā)機(jī)制，Camera Path Animator和U3D自帶的各項(xiàng)功能完成漫游等項(xiàng)目的制作。

2.3 良好的優(yōu)化

能讓大部分機(jī)型順暢的運(yùn)行漫游系統(tǒng)，通過(guò)建模時(shí)的優(yōu)化減面操作以及U3D中對(duì)碰撞器和光影的優(yōu)化大幅提升虛擬漫游系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

虛擬漫游總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示：

3 三維模型的搭建

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅需要考慮漫游的仿真效果，還要使系統(tǒng)運(yùn)行足夠流暢，朝天宮場(chǎng)景因?yàn)檫^(guò)于龐大，在進(jìn)行漫游時(shí)對(duì)硬件的性能會(huì)有較高要求。所以在制作模型時(shí)，盡量利用簡(jiǎn)摸+貼圖的形式表現(xiàn)，這體現(xiàn)在房頂制作時(shí)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(duì)在虛擬漫游中不會(huì)看到的模型部分予以刪除處理。總體來(lái)講模型三角面數(shù)在50萬(wàn)面以下可以保證系統(tǒng)一定的運(yùn)行效率。

3.1 地面的繪制

對(duì)于龐大的朝天宮古建筑群場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，地型最為重要，地型是承載建筑的最基礎(chǔ)也是最重要的部分。根據(jù)整個(gè)朝天宮古建筑群場(chǎng)景的布局，可以先繪制成長(zhǎng)方形的地面。

首先創(chuàng)建一個(gè)12730m*10000m的矩形來(lái)作為朝天宮古建筑群場(chǎng)景的參考。根據(jù)目測(cè)和大概的cad圖紙，調(diào)整這個(gè)矩形的大小。

3.2 建筑物的繪制

通過(guò)制作地板地基，制作墻體， 在頂視圖中，同樣利用樣條線來(lái)繪制墻體，最后完成屋頂?shù)闹谱鳌?/p>

三維模型的貼圖， 在紋理素材方面，需要優(yōu)先選擇實(shí)地拍攝后期制作的紋理，其次是網(wǎng)上與朝天宮建筑相似的高精度紋理，盡量選取風(fēng)格相似的地磚，木紋，磚瓦等圖片。對(duì)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(xiàng)屬性、扣出需要的牌匾圖像部分。另外，要比較精細(xì)的表現(xiàn)一個(gè)朝天宮古建筑群場(chǎng)景空間，貼圖的質(zhì)量與像素不能太低，同時(shí)也要考慮到貼圖文件過(guò)大導(dǎo)致的運(yùn)行效率低下的問(wèn)題，要在質(zhì)量與運(yùn)行速度中間進(jìn)行有效平衡。

4 虛擬漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 漫游場(chǎng)景以及交互素材的完善

在完成3Dmax模型地形導(dǎo)入后，還需要對(duì)整個(gè)漫游場(chǎng)景添加各種細(xì)節(jié)以此增強(qiáng)虛擬漫游的沉浸感。通過(guò)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(chǎng)景更加豐富，同時(shí)也要加入光照陰影系統(tǒng)，是虛擬環(huán)境更加真實(shí)。素材添加進(jìn)后得到效果如圖2所示。

4.2 碰撞檢測(cè)

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(shù)過(guò)大Mesh碰撞器無(wú)效（一個(gè)模型面數(shù)超過(guò)255時(shí)，Mesh 碰撞器就會(huì)報(bào)錯(cuò)無(wú)效）或是要添加碰撞器的模型過(guò)多導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行很卡的情況，就需要利用如Box碰撞器等簡(jiǎn)單碰撞器代替面碰撞器，對(duì)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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用了PlayMaker插件來(lái)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(tài)機(jī)（Finite-state machine，簡(jiǎn)稱Fsm）插件，用來(lái)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)狀態(tài)機(jī)的各種設(shè)置，可以利用交互設(shè)計(jì)的思維方法，簡(jiǎn)化煩瑣的編程過(guò)程，使用可視化的解決方案來(lái)運(yùn)用有限元狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思路在Unity3D中完成交互系統(tǒng)。本系統(tǒng)將利用NGUI來(lái)制作開(kāi)始漫游、手動(dòng)漫游、自動(dòng)漫游、返回、退出界面并利用PlayMaker完成UI與各個(gè)功能之間的交互。同時(shí)也使用空物體和PlayMaker制作到達(dá)指定位置的音頻介紹交互功能。

4.4 漫游系統(tǒng)的制作

手動(dòng)漫游本系統(tǒng)利用Unity自帶的Character Controller包以及PlayMaker插件完成手動(dòng)漫游功能，此次手動(dòng)漫游采用的是第一人稱模式。本系統(tǒng)利用Camera Path Animator來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漫游功能。

自動(dòng)漫游的本質(zhì)是讓攝像機(jī)的位置等屬性根據(jù)之前設(shè)立好的路徑、運(yùn)動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行移動(dòng)漫游，為此要先設(shè)立好觸發(fā)自動(dòng)漫游的機(jī)制，路徑，以及攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)以及其余屬性，同時(shí)也要考慮退出自動(dòng)漫游的觸發(fā)條件。

4.5 小地圖的實(shí)現(xiàn)

小地圖系統(tǒng)的添加能夠方便用戶在手動(dòng)漫游時(shí)獲取自身所處位置的信息，是虛擬漫游系統(tǒng)中較為普遍的功能之一。制作小地圖系統(tǒng)需要注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：小地圖是以用戶操控單位為中心進(jìn)行設(shè)置的；小地圖的人物模型由于實(shí)際顯示時(shí)很小，需要利用一定的標(biāo)識(shí)加以代替，在清晰顯示人物位置同時(shí)也能方便區(qū)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(jī)深度不同來(lái)制作小地圖，二是利用Target Texture與Render Texture來(lái)實(shí)時(shí)更新小地圖。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用3Dmax進(jìn)行仿真建模與貼圖，利用Vary貼圖增強(qiáng)了模型的真實(shí)感，在保證一定質(zhì)量的同時(shí)為提高U3D漫游設(shè)計(jì)效率進(jìn)行減面等一系列優(yōu)化，并成功解決了3D Max模型在導(dǎo)入U(xiǎn)3D時(shí)會(huì)出現(xiàn)的諸如系統(tǒng)單位、方向軸坐標(biāo)系以及插件不匹配等問(wèn)題。在U3D漫游制作中，本系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)漫游、手動(dòng)漫游、主要建筑音頻交互等多種交互功能，同時(shí)利用外部天空盒、樹木、假山等資源包美化整個(gè)朝天宮場(chǎng)景，大幅提升了用戶在進(jìn)行虛擬漫游時(shí)的沉浸感，交互性以及構(gòu)想性，達(dá)成了虛擬漫游應(yīng)有的3I特性。同時(shí)在U3D漫游制作時(shí)利用了多種插件來(lái)簡(jiǎn)化了操作流程，提高了制作虛擬漫游的效率整體漫游質(zhì)量。同時(shí)對(duì)于陰影以及碰撞部分進(jìn)行一定的優(yōu)化操作，大幅提升了U3D預(yù)覽以及運(yùn)行效率。

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