基于Unity3D 動車虛擬檢修車間漫游系統開發

李旭洋，馬思群，李 健，史良宇，陶 然

（1.大連交通大學 機車車輛工程學院，大連 116028；2.大連交通大學 藝術學院，大連 116028；3.知識科學系，北陸先端科學技術大學院大學，能美市，日本）

動車檢修車間包括動車檢修、維護、檢測等工作，是保證動車安全運行的基礎，而檢修車間的設計、設備分布對列車檢修效率及檢修人員技術培訓起到十分重要的作用。因此，為使動車檢修人員培訓時更快、更好地熟悉檢修車間設備、工作環境和動車檢修流程，十分有必要開發一款基于Unity3D 的動車虛擬檢修車間漫游系統。

虛擬現實（VR）是利用計算機模擬三維空間，用戶通過計算機、頭盔及相關設備能夠身臨其境一般，觀察三維空間內的事物，使某一特定的現實世界真實環境能夠利用VR 技術呈現在人們眼前[1-2]。

3DS Max 檢修車間的模型建立是整個動車虛擬檢修車間漫游系統創建的關鍵。本文選用3DS Max軟件建立三維模型，充分利用其具有的強大的建模、材質表現及渲染功能[3]。

Unity3D 是一款三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺綜合型游戲開發工具。可視化模式讓游戲開發者能夠輕松構建互動體驗，參數可以在游戲運行時更改。

1 高速動車虛擬檢修車間漫游系統簡介

采集數據是虛擬檢修車間建立的重要環節之一。需到現場采集檢修車間內部的照片或圖片，車輛基地地形尺寸、建筑高度、大型設備尺寸等，建立三維建模所需要用到的材質和圖片庫。通過查閱參考文獻、書籍、網絡檢索及車間的設計圖紙獲取檢修車間尺寸，繪制車間建模工程圖。需要對車輛基地內建筑和檢修車間內大部分設備進行簡化繪制和建模，對于基地的二維平面圖，只要標明各部分建筑的位置，注明其功能，以簡易平面圖形表示。對于檢修車間的三維建模盡量采用規則立體圖形，簡化建模方式，有助于降低建模難度。導入3DS Max 中建模，模型建成后，將其導入到Unity3D 中，進行腳本開發、數據庫設計、界面設計，實現交互漫游的目的，完成動車虛擬檢修車間漫游系統的開發。

2 虛擬檢修車間漫游系統的開發

虛擬檢修車間漫游系統的開發主要包括二維車輛基地的平面繪制、檢修車間三維場景創建和系統功能的開發。其中，檢修車間三維場景信息不僅指虛擬場景，還包括檢修信息、設備功能、背景音樂等。系統的開發流程，如圖1 所示。

圖1 虛擬檢修車間漫游系統開發流程

2.1 車輛基地平面繪制

虛擬檢修車間的真實感與三維模型的本身質量有直接關系。如果提高場景的制作質量，可以有效地降低三維模型的粗糙度，提高清晰度，增強系統的真實感。由于車輛基地面積太大，所以開發時以檢索到的車輛基地資料，總結相關資料給出的尺寸，使用二維CAD 軟件繪制出整個車輛基地的平面圖，在設計過程中線型的選擇，如表1 所示。

表1 線型選擇

（1）通過CAD 軟件界面菜單，從樣式菜單中選擇“粗線”，根據機械制圖標準選擇標準線寬，繪制出圖紙線框，如圖2 所示。

圖2 局部繪制線型圖

（2）線型選擇，實線（細、粗比例為1∶2）、虛線和點劃線。

（3）檢修車間為車輛段中最為重要的部分，也是整個漫游系統的主體，采用并列式布局，線組并聯布置、維護線組并聯布置，兩線之組間設有一定的距離，用于設置工業管道和道路，創建圖層，設置線型統一采用粗實線，并標注好尺寸。最后對整個車輛基地進行總平面圖的設計和繪制。設計完成的總平面圖，如圖3 所示。

圖3 二維車輛基地平面圖

2.2 檢修車間三維模型創建

2.2.1 檢修車間平面基圖的創建

建模前，將車輛基地二維CAD 平面圖導入3DS Max 中，設置文件單位為cm。需要凍結導入的場景圖形組，以避免在復雜場景中出現圖形選擇不全，導致在3DS Max 中出現缺面現象。在視圖窗口中創建一個平面，在“修改”命令中修改其各項系數。將其轉換為可編輯多邊形，選擇頂面使用“擠出”命令，使其平面有一定高度，將二維圖形轉換為三維圖形[4]。

2.2.2 軌道和路基的創建

為了保證鋼軌建模的逼真性，根據鋼軌國標尺寸在二維CAD 圖紙中畫出鋼軌的截面圖形。將CAD 圖紙導入3DS Max，轉換成可編輯多邊形，創建鋼軌長度，然后復制創建多個鋼軌模型。因為實際檢修車間的路基較復雜，為了有效地創建模型，建模時對其結構和外觀進行分類，并進行簡化，多采用標準基礎體。所設計的模型，如圖4 所示。

圖4 軌道和路基的三維模型

2.2.3 檢修平臺和樓梯欄桿的創建

實際情況中，平臺結構、樓梯尺寸和欄桿大小都十分類似，為了減輕工作量，根據現有掌握的各項尺寸，使用基礎形狀建模方法分別創建出三維平臺模型，設置7cm 厚度，樓梯模型和欄桿模型則在幾何體中，點擊創建樓梯欄桿模型，并設置參數，設計模型，如圖5 所示。

圖5 檢修平臺和樓梯欄桿的創建

2.2.4 檢修車間墻體和房間的創建

檢修車間墻體和房間的三維模型是整個模型創建中最重要的部分。主要使用多邊形建模方法，創建一個長方體，轉換為可編輯多邊形，使用“連接”“橋”和“切片平面”等命令，創建出合適的檢修車間三維建筑模型。對其細節部分進行處理，調整各組成部分的空間結構，完成整體模型的創建。

2.2.5 材質與貼圖

三維設計軟件3DS Max 最大的優勢之一在于擁有各種各樣的貼圖類型。在檢修車間內外進行貼圖，能夠使車間環境更加逼真，具有高沉浸感。貼圖主要來源于實地的照片拍攝，利用相關的圖像處理軟件，如Photoshop 調整圖片的大小、色彩、光暗度和透明度。完成的模型，如圖6 所示。

圖6 檢修車間三維模型

2.3 虛擬檢修車間漫游系統的開發

2.3.1 角色動作設計

角色漫游是整個漫游系統的重要組成部分，當用戶在虛擬場景中觀察和漫游時，有必要創建角色模擬器。在Unity3D 的角色模擬器中，本文選擇了第一人稱角色模擬器。

所有動作的實現必須要有腳本的添加，在腳本中編寫對應的代碼，對設備輸入信息進行處理和及時的反饋，并以動作的形式呈現出來。

（1）角色移動的實現

在Unity3D 的操作面板中選擇3D Object 中的Caspsule 創建一個3D 物件膠囊體，并將其命名為Player，通過更改其Inspectors 的Transform 屬性，將膠囊體移動到地面上合適的位置（也可以在scene 面板內左鍵點擊拖動膠囊體的x，y，z軸箭頭來調整它的位置）[5]。將相機（Camera）的父級拖拽到膠囊體（Player）的子層級中，充當玩家的眼睛，并調整到適當位置。在SImpleNaturePack 中創建一個C#Scripe的腳本。設置好一個單元移動速度，GetKey 函數用于監視輸入指令，并在玩家移動時觸發語句。根據觸發時間乘以單位移動速度所花費的單位時間，可將相應的單位按規定方向移動。

（2）視角控制的實現

在角色模擬器的攝像機組件中添加腳本，通過GetAxis 函數監視鼠標在垂直和水平方向上的輸入，設置好參數值，記錄上次移動的位置，當Player 移動觸發語句時，移動速度v乘以相應時間t，攝像機就可以實現旋轉相應的角度，達到控制視角的效果。

2.3.2 碰撞檢測技術的實現

碰撞是Unity3D 中很重要的一個概念，在三維虛擬場景中，移動角色和物體模型，都是相互獨立的。漫游各種物體時，角色移動時需要自動繞開這些物體障礙物。

碰撞檢測的工作原理是檢測兩個或多個物體之間是否有滲透或接觸，并根據碰撞物體的特點和應用要求做出相應的碰撞響應。主要采用球體碰撞，定義兩個球體球心和半徑分別為a1、a2和r1、r2，球心距離為d，比較這兩個球體的半徑。如果距離d＜r1+r2，則發生碰撞，否則不發生碰撞，有關碰撞檢測的相關原理與方法在相關文獻有詳細說明。

球體的包裹為碰撞器和觸發器，利用OnCollision族函數和OnTrigger 族函數作用于碰撞器及觸發器，判斷物體是否發生碰撞，在對象中分別設置有碰撞組件，檢測重要函數，完成碰撞檢測。

2.3.3 數據庫的設計

在虛擬檢修車間漫游系統中，場景數據庫中存儲了檢修車間建筑信息、尺寸、車間內各工作用房的功能及信息、設備功能和操作方法等。本文采用SQL Server2012 作為數據管理和開發的基礎。用C#腳本在Unity3D 中實現數據查詢。例如：在Unity3D引擎中，檢修車間各建筑信息、設備型號功能和設備用房作用信息在數據庫中都有對于的ID，在數據庫中按房間和設備兩個大類分類以數組形式儲存和讀取，以C#腳本為基礎設置信息查詢功能，在漫游中實現實時交互。

3 功能實現

虛擬動車檢修車間漫游系統包括主菜單界面、場景漫游模塊和交互功能模塊，在各模塊中可以添加背景音樂、環境效果場景特效等功能。

3.1 交互式漫游實現

創建一個不可見的Player,瀏覽到的場景即是Player 所看到的視角，為了控制瀏覽的狀態，通過導航功能進行控制，對瀏覽的方式、Player 化身的大小進行設置，其設置代碼如下：

Speed 字段用于設置玩家在場景中的漫游速度，單位為m/s。Type 字段用于更改交互式漫游的實現方式，Visibility Limit 定義了Player 視野的最遠距離，默認值0.0 為無窮遠[6]。

當Player 與場景中物體距離小于avatarSize[0]時，觸發碰撞器，使用“步行”方式，當遇到系統設置的高度障礙物時，高度大于avatarSize[1.4]時，即改為其他瀏覽方式，此方式可以限制瀏覽者（Player）的活動范圍[7]。

3.2 自動漫游

用戶在整個虛擬場景中沿著預設好的路線進行漫游。角色在已設置好的路徑上移動，Unity3D 中采用全局導航，創建導航網格，在場景中設置可通過區域和障礙區，勾選Navigation Static 烘焙處理選中對象，調整烘焙設置滿足代理半徑、代理高度、最大坡度和臺階高度，完成網格創建。之后創建導航移動角色，一般為球體（高度為2cm和半徑為0.5 cm）適用于人體，添加導航組件，創建C#腳本，讓角色移動到由另一個球體指定的目的地，實現自動漫游。

3.3 信息查詢功能

當用戶在漫游整個虛擬場景時，經過某一房間建筑或某的狀態一處設備時，能通過菜單項查詢到房間或某一設備的具體信息和功能。每個設備檢修流程和房間信息都存儲在自己的組件中，可通過編寫的自定義腳本進行搜索和讀取。用戶可以經過數據庫管理器查詢數據，顯示出查詢對象的基本信息，如果查詢對象輸入錯誤，窗口就會自動顯示錯誤或者查詢對象不存在，提示重新輸入。

3.4 指定地點傳送功能

在漫游系統中預先設置好主要設備的傳送功能，在漫游菜單中選擇傳送按鈕點擊會出現下拉菜單，提供各個主要設備的選項，使用者點擊則會傳送到相應設備旁邊。具體實現則是在各個選項按鈕中添加腳本OnClick 方法，當使用者點擊擁有設備名稱的按鈕時，就會執行腳本，賦予角色模擬器新的三維坐標，傳送至其對應地點。

4 界面設計

虛擬檢修車間漫游系統界面主要包括開始菜單、檢修維護車間介紹及功能、結束菜單和漫游界面。

（1）初始界面。初始界面由底部按鈕、上部文本框和背景圖片組成。菜單按鈕包括車輛基地介紹、檢修維護車間介紹、退出4 個選項。在場景中創建一個畫布，設置4 個按鈕組件，添加腳本，以開始按鈕為例，創建一個C#腳本文件，通過ClickObject函數判斷是否被點擊過，通過點擊執行腳本文件進入到漫游場景中[8]。

基地介紹與功能按鈕是當被點擊時會自動彈出文本窗口顯示介紹信息和基地功能信息。為了保證界面閱讀效果，當點擊基地介紹與功能按鈕時會自動彈出隱藏的窗口，窗口內首先出現基地介紹信息然后是功能介紹信息，閱讀完后會自動關閉。需要首先添加窗口組件，創建文本組件，將文本信息錄入文本組件中，創建C#腳本，編寫代碼，設置參數屬性[9]。

（2）漫游場景界面。包括一個漫游窗口和一個菜單。

5 虛擬檢修車間漫游系統工作流程

（1）用戶在登錄界面上登錄，可以實現驗證身份信息，包括建筑信息，場景中的設備信息，模型數據加載等。

（2）點擊進入漫游界面后，根據系統已設置和渲染好的初始用戶視角，通過鼠標點擊和鍵盤操作，在虛擬檢修車間移動，觀看場景和了解設備、建筑信息。

（3）在漫游時可以通過系統內的查詢功能，查詢想要了解的子房間功能，設備型號及其功能，系統將自動彈出相關信息。

（4）用戶點擊右下角退出按鈕，退出系統。系統工作流程，如圖7 所示。

圖7 虛擬檢修車間漫游系統工作流程

6 結束語

開發獲得的虛擬檢修車間漫游系統，用戶可以通過鼠標點擊，可查閱車間檢修設備信息、型號、各工作用房的功能，在車間內進行實時的漫游，全方位展示出檢修車間的內外部結構和其功能。利用3DS Max 解決三維檢修車間建模問題，利用數據庫技術對檢修車間房間和設備信息進行交互管理學習，通過腳本語言、碰撞檢測技術、界面設計，使用戶真實了解功能和結構。開發出的虛擬檢修車間漫游系統最大優勢在于打破傳統車間的空間地形、設備、費用等環境和經濟因素的限制，通過基本信息、設備信息、作業流程等，增強培訓人員對檢修車間設備操作和檢修流程全面掌握的能力，達到理論學習與實踐操作的結合。