基于Unity3D數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建建筑模型智慧博物館

楊黎黎，李卓玥，吳 瑤，盧瀟瑩

（重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

Unity3D（實時三維引擎）是一種包含圖形、音效、物理等功能為一體，輔助創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等內(nèi)容多平臺互動的游戲開發(fā)引擎。該技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，近年來在虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實方面嶄露頭角，未來將會在各個領(lǐng)域成為主流［1］。隨著IOS、Android 手機(jī)的大量普及和3D 網(wǎng)頁游戲的興起，Unity3D 因其強(qiáng)大的功能、良好的移植性，在手機(jī)和網(wǎng)頁平臺得到了廣泛的應(yīng)用和傳播［2］。開發(fā)者在編程方面無需了解復(fù)雜的技術(shù)，使用C＃、JS等進(jìn)行腳本編寫，就能快速開發(fā)出性能和品質(zhì)俱佳的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品。因其較好的兼容性，可導(dǎo)入多種建模軟件建成的模型，并可發(fā)布于各種平臺，滿足不同類型用戶使用的需求。

本文以國家級大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目“基于Unity3D引擎的建筑數(shù)字智慧博物館平臺研發(fā)”為背景，圍繞建筑模型制作課程的數(shù)字化教學(xué)改革，進(jìn)行虛擬模型的信息收集、儲存、展示方式的總結(jié)梳理。對原有的模型博物館數(shù)字平臺進(jìn)行優(yōu)化迭代，創(chuàng)造“智慧博物館”模式，利用Unity3D 突破第一代建筑模型數(shù)字博物館的局限性，泛化多媒體的展示效果，提供身臨其境的視覺體驗，并實現(xiàn)多數(shù)字平臺的串聯(lián)。

通過該項目，大學(xué)生自主研發(fā)實用型數(shù)字交流平臺，有效提高參研學(xué)生的綜合實踐、科研、協(xié)作等能力和創(chuàng)新意識；更好地展示專業(yè)學(xué)生的實踐成果，為在校學(xué)生提供了課外免費的參考資料激發(fā)創(chuàng)作靈感，同時創(chuàng)建了一個供學(xué)生互動交流的虛擬現(xiàn)實空間［3］。

1 建筑模型博物館現(xiàn)狀及存在的問題

21 世紀(jì)初，“數(shù)字博物館”概念進(jìn)入人們的視野，通過數(shù)字技術(shù)模擬、存儲并展示博物館藏品，順應(yīng)時代與科技發(fā)展，實現(xiàn)了傳統(tǒng)博物館“人-物”二元關(guān)系由現(xiàn)實世界向網(wǎng)絡(luò)世界的延伸［4-5］，使展品在網(wǎng)絡(luò)世界實現(xiàn)藝術(shù)生命價值的再現(xiàn)。中華人民共和國文化和旅游部指出：“發(fā)展‘互聯(lián)網(wǎng)＋展陳’新模式，支持展品數(shù)字化采集、圖像呈現(xiàn)、信息共享、按需傳播、智慧服務(wù)等云展覽共性、關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用。”［6］人們更希望構(gòu)建一個具有沉浸感、能與虛擬環(huán)境交互、具備構(gòu)想創(chuàng)造性的虛擬仿真環(huán)境［7］。為逐步實現(xiàn)以人為中心，更好的資源共享，智慧博物館的新概念也應(yīng)運而生。智慧博物館強(qiáng)調(diào)物、人、信息間互動關(guān)系，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)，實現(xiàn)博物館交互體驗的新模式。

在信息技術(shù)時代背景下，建筑行業(yè)的傳統(tǒng)工作方式和思維邏輯從手繪草圖到計算機(jī)輔助繪圖，再到虛擬現(xiàn)實中的空間建構(gòu)［8］，設(shè)計的過程不斷變革。現(xiàn)階段傳統(tǒng)建筑主流平臺如Archdaily、谷德設(shè)計網(wǎng)等屬于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)圖片展覽形式，受限于二維信息的上傳和下載，缺少互動性和娛樂性。而以720 云、光輝城市Venus為代表的三維全景網(wǎng)站雖然能夠?qū)崿F(xiàn)查看模型的三維信息，但其技術(shù)核心還是基于靜態(tài)圖像，通過軟件在拼接縫合好的照片上面進(jìn)行設(shè)置［9］。三維全景網(wǎng)站中場景能夠進(jìn)行360°全景展覽，但模型本體只能通過圖片展覽，缺少多方面自由展示模型和用戶對模型信息個人整理收藏的功能。

通過結(jié)合建筑三維模型和智慧博物館，能有效滿足當(dāng)今社會建筑學(xué)者及建筑愛好者對建筑三維模型的觀覽需求，同時改善本科生設(shè)計作業(yè)重二維圖紙表現(xiàn)輕三維空間模擬的現(xiàn)狀［10］。虛擬場景在沉浸感、交互性與實時性方面的綜合效果優(yōu)勢是傳統(tǒng)二維效果圖和三維動畫技術(shù)無法比擬的［11］。

本項目同時創(chuàng)建了一個集模型資源上傳、下載、展示和交互功能為一體的數(shù)字在線社區(qū)平臺，實現(xiàn)用戶之間學(xué)習(xí)交流互動，增強(qiáng)用戶沉浸式的建筑空間體驗與評價［12］。

2 建筑模型智慧博物館系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 社會需求調(diào)研分析

本項目圍繞“現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站的評價與期望”進(jìn)行了問卷調(diào)查，重點在于調(diào)研使用者對以三維實景來記錄案例的看法和對于虛擬交互模式的態(tài)度。為全面了解社會對于該主題的認(rèn)知，重點收集建筑行業(yè)工作者或?qū)W習(xí)者等專業(yè)人士問卷的同時，也面向非專業(yè)人士（包括建筑愛好者和較少關(guān)注該領(lǐng)域的群眾）開展調(diào)研。

調(diào)研回收問卷107 份，其中有效問卷105 份，分析數(shù)據(jù)見表1、2。可以發(fā)現(xiàn)專業(yè)人士對建筑案例網(wǎng)站的依賴度較高，并認(rèn)為現(xiàn)有案例網(wǎng)站并不能完全滿足其需求。表1 指出在建筑案例網(wǎng)站提供的現(xiàn)有信息中，以照片、渲染圖和三維實景為主要呈現(xiàn)形式的鳥瞰效果圖、內(nèi)部空間、細(xì)節(jié)設(shè)計等信息需求度較高；表2 顯示使用者期待案例網(wǎng)站能提供三維實景模型類案例的需求占到調(diào)研人數(shù)的76%，明確案例分類以及建立更全面的案例庫的需求也較為突出。

表1 現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站主要信息需求 %

表2 現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站增加信息需求 %

本問卷對平臺交互模式也進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研。使用者對案例網(wǎng)站的意義定位依次為方便學(xué)習(xí)、推廣、交流和記錄。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，社會普遍對數(shù)字故宮等博物館形式興趣較高，建筑行業(yè)從業(yè)者和學(xué)習(xí)者對分享案例、瀏覽其他用戶的收藏夾、參觀專題展覽等形式較感興趣，同時對案例的準(zhǔn)確分類有較高的要求，故本項目擬借鑒博物館形式搭建智慧博物館平臺，關(guān)注其合理劃分展品位置的優(yōu)點來設(shè)計界面［13］，設(shè)計采用個人博物館、虛擬社區(qū)等形式完善交互模式。

專業(yè)人士與非專業(yè)人士的關(guān)注重點略有差異，前者在意平臺提供的專業(yè)信息，更加期待交流與共享；后者更在意案例的推廣度、熱度等輔助信息，對流行的智慧博物館感興趣程度較高。對于交互模式的細(xì)節(jié)設(shè)計，具有重要的參考價值。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)前期需求調(diào)查分析，系統(tǒng)設(shè)計建模、漫游、交互3 類模塊，如圖1 所示。建模模塊提供用戶漫游場所及模型展示空間，建模內(nèi)容包含智慧博物館主展廳、次展廳、用于展示建筑模型以及相關(guān)環(huán)境場景等；漫游模塊以用戶為第三視角，漫游內(nèi)容包含第三人稱漫游位移控制、第三人稱漫游視角控制、碰撞檢測和不同展廳之間、展廳與模型之間的場景傳送；交互模塊從實現(xiàn)人與建筑和場景的互動出發(fā)，內(nèi)容包含界面切換、主界面模型交互等功能。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

針對上文的功能模塊本系統(tǒng)采用3 層軟件架構(gòu)體系進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，包含操作層、場景層和功能層3個部分系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖，如圖2 所示［14］。其中操作層位于系統(tǒng)最外層，操作層有界面展示、人機(jī)交互以及傳達(dá)數(shù)據(jù)等功能，主要使用了Figma、Spline 軟件輔助界面設(shè)計，通過C＃代碼實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互；場景層是模型進(jìn)行展示的基礎(chǔ)環(huán)境，包括場景搭建、燈光渲染和材質(zhì)表現(xiàn)，主要使用Sketchup、3DS Max 軟件進(jìn)行建模、貼圖和渲染；功能層作為系統(tǒng)的核心，通過C＃腳本以及相應(yīng)組件的掛載完成調(diào)度算法的執(zhí)行過程，實現(xiàn)角色移動、視角變換和碰撞檢測等功能。

圖2 系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

3 建筑模型智慧博物館創(chuàng)作與實踐

3.1 設(shè)計開發(fā)建模模塊

（1）場館設(shè)計概念。設(shè)計圍繞“虛擬、未來、科技”等關(guān)鍵詞，以宇宙星體為主題概念。展廳以行星的球體形態(tài)為基礎(chǔ)造型，以中心行星為主展廳，8 個次展廳圍繞主展廳，模擬周圍的衛(wèi)星。使用建模軟件SketchUp進(jìn)行模型搭建。

（2）場館外部造型。場館外部著重參考星球的球狀主體和星云環(huán)繞帶狀兩個特征元素，進(jìn)行外部造型推敲。球狀主體，以透性較高的材質(zhì)模擬球體表皮，附著線形實體突出骨架，在線形的形態(tài)和變化規(guī)律進(jìn)行不同的嘗試和推敲，最后進(jìn)行比較和選擇如圖3 所示。因造型不受結(jié)構(gòu)限制，故模擬超現(xiàn)實形態(tài)強(qiáng)調(diào)設(shè)計美感。

圖3 外部造型比選

帶狀星云抽象為環(huán)繞球體的底座，與球殼同樣采用半透明材質(zhì)。設(shè)置連接外部進(jìn)入展廳的路徑。入口道路寬為6.4 m，外部空間為空曠的宇宙背景，以大尺度場景增加科技感。

（3）場館內(nèi)部造型。內(nèi)部同樣進(jìn)行不同形態(tài)的探索，比較后選取的方案，分為圓盤路徑和裝飾光柱。將行走范圍固定在中部的圓盤，并對圓盤挖洞以劃分行進(jìn)路徑。裝飾光柱將球體像素化分解為形態(tài)不一的立方體，在總體保持球狀的基礎(chǔ)上圍繞行進(jìn)路徑進(jìn)行刪減和調(diào)整，并降低不透明度，使其視覺上不顯得雜亂，同時營造科技、虛擬的場景氛圍。

（4）場館路徑設(shè)計。場館路徑設(shè)計分為主展廳和次展廳，以功能點串聯(lián)為組織流線的依據(jù)，以曲線造型契合設(shè)計概念。主展廳的展示流線串聯(lián)了“入口—主場館標(biāo)志—電子搜索屏—8 個次展廳”傳送點，實現(xiàn)路徑1.0 版本。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，路徑過于復(fù)雜不便操作、路徑尺度不合適，導(dǎo)致人物行走時驟降等狀況。通過簡化流線，將傳送點沿流線布置；調(diào)整道路寬度，最窄處為3.2 m，平均寬度為4 m，增加高度為1.5 m的防掉落護(hù)欄，優(yōu)化路徑形成了路徑2.0 版本（見圖4）。

圖4 主展廳路徑優(yōu)化設(shè)計

次展廳的展示流線為“入口—場館專題搜索屏—代表性模型展覽”，風(fēng)格保持與主展廳一致，參考主展廳的道路寬度進(jìn)行設(shè)計，以確保行走尺度適宜。代表性模型展覽采用展廊形式，每個展覽模型的設(shè)計圖紙沿參觀道路懸浮在空中，用戶可根據(jù)路徑引導(dǎo)標(biāo)識漫游，按照設(shè)計流線完成參觀（見圖5）。

圖5 主次展廳路徑效果（帶護(hù)欄）

（5）傳送門、搜索屏、展示圖等設(shè)施設(shè)置。場景切換的傳送點形態(tài)參考科技感較強(qiáng)的游戲畫面，采用橢圓狀傳送門，懸浮空中。為方便用戶操作進(jìn)入傳送門，附帶設(shè)置了3 級臺階，作為道路與傳送門間的過渡和引導(dǎo)，同樣增加護(hù)欄防止掉落，最大程度減低用戶的操作難度。另外，主展廳設(shè)置搜索屏，用可對8 個次展廳的模型內(nèi)容進(jìn)行搜索和定位，查找到相應(yīng)次展廳后可通過其對應(yīng)傳送門前往該次展廳。

次展廳設(shè)置模型展示圖展廊，展示圖根據(jù)人體尺度放置于最佳視角范圍內(nèi)。展示圖的內(nèi)容包括經(jīng)典建筑模型和最新建筑模型，可根據(jù)模型庫的更新進(jìn)行更換。同時，次展廳設(shè)置搜索屏，懸浮于展廳的中心位置，同時也是從入口進(jìn)入后道路的必經(jīng)節(jié)點，可達(dá)性極強(qiáng)，方便用戶使用。次展廳的搜索屏可在該展廳的范圍內(nèi)進(jìn)行模型搜索（見圖6）。

圖6 主次展廳完成效果

3.2 編程創(chuàng)建漫游模塊

（1）使用3DS MAX 為漫游人物制作動畫。使用3DS MAX軟件為下載的素材人物添加靜止和行走動畫，如圖7 所示。為符合智慧博物館的宇宙主體，人物選擇宇航員的形象。將宇航員的obj 模型導(dǎo)入3DS MAX中，使用Biped 功能創(chuàng)建骨骼。調(diào)節(jié)骨骼大小、比例以適配obj 模型，并通過平移，縮放，旋轉(zhuǎn)等方式對其進(jìn)行調(diào)整，將身體各部位的骨骼與模型基本重合。使用蒙皮修改器功能，選擇全部骨骼關(guān)節(jié)。點擊編輯封套，勾上頂點，對點進(jìn)行選擇和分配權(quán)重，完成骨骼和模型的綁定。制作動畫時暫時隱藏模型，僅顯示骨骼，在時間滑塊上設(shè)置各個關(guān)鍵幀，制作靜止和行走動畫。將行走動畫的時長制作比實用需要略長，后期導(dǎo)入正式文件，經(jīng)測試可流暢體驗后，再進(jìn)行截取。將obj模型及動畫導(dǎo)出成fbx格式備用。

（2）將素材導(dǎo)入Unity 3D進(jìn)行功能實現(xiàn)。以主廳為例，在Unity3D中新建一個3D 模板工程文件，將制作好的模型及動畫均導(dǎo)入該工程文件夾。打開工程，新建場景，命名為“Scene＿main”，新建的場景會自帶一個主攝像機(jī)和一個自然光，將人物設(shè)置成預(yù)制件，然后將建好的主廳模型和人物預(yù)制件拖曳至制作窗口，放入場景內(nèi)。

使用動畫制作器（Animator）將人物動畫化，如圖8所示。在工程里點開靜止和行走動畫文件。先設(shè)置好Rig選項卡（操縱）中的相關(guān)選項，使其與骨骼文件關(guān)聯(lián)，再分別設(shè)置好循環(huán)時間（Loop Time）和根變換旋轉(zhuǎn)（Root transform Rotation）的相關(guān)選項，一邊調(diào)整選項，一邊截取動畫長度，使其呈現(xiàn)效果更為流暢。在文件夾中新建一個Animator Controller。打開在Parameters界面新建一個Bool 參數(shù)，命名為“IsWalking”，用于之后判斷角色是否在行走。將做好的靜止和行走動畫拖入操作界面，并設(shè)置兩者的過渡條件，將該Animator Controller分配給人物預(yù)制件。

圖8 使用動畫制作器創(chuàng)作動畫

為人物及場景設(shè)置物理屬性。為人物添加組件剛體（Rigidbody），使其可以受各種力的影響，勾選使用重力，并約束人物繞x和z軸轉(zhuǎn)動的運動，因為人物要能轉(zhuǎn)向，所以保留繞y軸的運動。添加一個膠囊碰撞體（Capsule Col lider）組件，使人物能夠碰撞場景中的其他對象以及被撞；調(diào)整膠囊大小，將膠囊中心調(diào)整至人物中心以覆蓋整個人物模型，如圖9 所示。

圖9 為人物模型添加膠囊碰撞體

為所有場景模型均設(shè)置Mesh Collider 組件，使其能根據(jù)自身形狀具有相應(yīng)的碰撞屬性。

設(shè)計代碼實現(xiàn)位移、轉(zhuǎn)向及跳躍控制功能。通過代碼編程設(shè)置向各方向行走、轉(zhuǎn)向、跳躍等功能，保證在移動時調(diào)用之前做好的行走動畫。為優(yōu)化使用體驗，設(shè)置轉(zhuǎn)向速度和跳躍高度，人物可無限次跳躍，模擬漂浮效果，保證用戶可以從上空俯瞰全景。

運動代碼控制流程及關(guān)鍵代碼如圖10 所示。

圖10 運動代碼控制流程

控制實現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換功能，使用“Cinemachine”軌道插件生成虛擬相機(jī)，設(shè)置虛擬相機(jī)跟隨人物角色。之后通過代碼設(shè)置，保證視點跟隨鼠標(biāo)移動，增強(qiáng)用戶體驗。

視角代碼控制流程及關(guān)鍵代碼如圖11 所示。

圖11 視角代碼控制流程

3.3 綜合處理交互模塊

界面設(shè)計以簡潔、直觀、操作便捷為目的，著重考慮色彩搭配、字體風(fēng)格以及頁面布局等設(shè)計要素［15］。交互界面圍繞“宇宙星體”的核心概念進(jìn)行設(shè)計，利用Unity3D引擎內(nèi)自帶的UGUI系統(tǒng)創(chuàng)建用戶界面，借助C＃腳本實現(xiàn)動態(tài)互動，改善用戶體驗。

（1）主界面設(shè)計及調(diào)整。主界面設(shè)計以設(shè)計工具“Figma”作為輔助軟件進(jìn)行初期界面設(shè)計，利用宇航員、星云、星球等元素詮釋設(shè)計概念，概念草圖設(shè)計完成后，通過Unity3D引擎UGUI系統(tǒng)設(shè)置用戶界面面板和按鈕。打開工程，新建主界面所需場景，命名為“Scene＿start”，新建畫布（canvas），輸入主界面畫布大小，創(chuàng)建初始界面。

創(chuàng)建界面后實現(xiàn)場景切換。通過右鍵選擇Unity3D引擎中圖層（Hierarchy）面板UI下Text選項，在Canvas上設(shè)置主界面各項功能的相關(guān)文字。同時點擊Hierarchy面板UI 下的Button 選項，對各項功能按鈕進(jìn)行設(shè)置，以主界面進(jìn)入主展廳按鈕為例，通過對按鈕屬性的設(shè)置，可得到按下按鈕顏色變深的效果，在該按鈕上掛載C＃腳本，實現(xiàn)按鈕對應(yīng)的場景切換功能。

場景跳轉(zhuǎn)控制流程及關(guān)鍵代碼如圖12 所示。

圖12 場景跳轉(zhuǎn)控制流程

將與“宇宙星體”概念相關(guān)的素材作為意向圖（Source Image）導(dǎo)入進(jìn)Image組件，放置初期界面并進(jìn)行移動、縮放等布置操作以調(diào)整設(shè)計，得到初期界面草稿。經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改，調(diào)整主界面文字、按鈕、圖像位置和形態(tài)，最終確定正式的主界面設(shè)計。

（2）主界面實現(xiàn)交互。主界面的交互目的，要求用戶能夠通過按住鼠標(biāo)左鍵并移動鼠標(biāo)對其展示的3D模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)交互。需要進(jìn)行3D 互動模型設(shè)計與制作。該模型以超大太空服頭盔中的宇航員形象作為展示主體。借助三維建模軟件“Spline”進(jìn)行主體的外殼建模、賦材質(zhì)、調(diào)試透明度效果等，建成模型后導(dǎo)出，存為“gltf”格式，便于Unity3D后期編輯。

在Unity3D中打開場景（Scene＿start），通過程序包管理器（PackageManager）加載“GLTFUtility”插件，引入命名空間，并將插件著色器添加到BI 列表“Always Included Shaders”。設(shè)置完成后導(dǎo)入gltf 模型。在導(dǎo)入過程中，存在材質(zhì)丟失的情況，需要針對丟失部分進(jìn)行再附材質(zhì)操作，修復(fù)后達(dá)到了模型在Unity3D 與在Spline軟件相近的材質(zhì)顯示效果。

為提升展示效果，使用渲染紋理（Renderer Texture）處理器渲染攝像機(jī)畫面。在主界面相應(yīng)位置設(shè)置UI圖片組件“RawImage”，在場景“Scene＿start”中添加相機(jī)用于跟蹤拍攝模型，新建RenderTexture 給上述組件和相機(jī)賦值，相機(jī)視野中物體即可與主界面互動展示畫面同步，掛載C＃腳本使用戶能操作鼠標(biāo)控制相機(jī)圍繞模型旋轉(zhuǎn)，相機(jī)視野跟隨用戶操作控制，對應(yīng)的RawImage也隨之變化，達(dá)到主界面中3D 模型互動旋轉(zhuǎn)效果，如圖13 所示。

圖13 互動模型與主界面展示

4 結(jié)語

本項目基于Unity3D的數(shù)字建筑模型智慧博物館平臺系統(tǒng)開發(fā)，借助SketchUp、Figma、Spline、3ds MAX建模技術(shù)輔助構(gòu)建而成。用戶可通過簡單的界面操作獲取建筑模型博物館場景中相關(guān)的多媒體信息，同時實現(xiàn)在建筑模型博物館內(nèi)漫游，與建筑模型沉浸式互動等體驗。本次項目成果“建筑模型智慧博物館”實現(xiàn)了模型資源展示、臨時存儲和用戶交互等多重目標(biāo)，通過虛擬化技術(shù)手段，還原了建筑模型實踐教學(xué)真實的體驗場景，具有良好的使用價值。同時本次研究型綜合實踐對學(xué)生綜合知識的運用，解決問題能力的提高，自主研發(fā)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)起到了積極作用。