智能家居虛擬場景設計與實現

陳博+付蔚+薛震+洪洋

摘 要：面向智能家居應用，以Unity 3D為虛擬現實開發平臺，給出了用虛擬智能化家庭場景實現虛擬場景家電設備及環境監測設備的模型設計。平臺中的虛擬人可以在虛擬場景中自由漫游，并且通過虛擬人手中的終端設備，實時家電控制并獲得環境監測設備的實時數據，使得家庭控制更加生動形象，實現虛擬與現實的融合。虛擬場景的設計有助于智能家居的宣傳、培訓和展示，同時讓用戶通過遠程操作，也可以體驗到真實的智能家居系統，零距離展示智能家居實驗室的科研成果。

關鍵詞：智能家居；Unity 3D；虛擬現實；虛擬人

中圖分類號：TP319.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0066-04

0 引 言

隨著“物聯網”技術的飛速發展和信息時代的到來，智能家居作為物聯網技術的一個實際運用，將成為未來二十年內一個新的經濟增長[1]。虛擬現實技術近幾年越來越受到各行各業的關注，已開始從實驗室走向研究項目走向實際的應用，在軍事、航天、建筑設計、旅游、醫療和文化娛樂及教育方面已有不少應用[2]。虛擬現實技術讓用戶可以對虛擬世界進行體驗和交互作用，體驗到二維動畫所不具備的現場沉浸感[3]。

Unity 3D作為一款新興的多平臺游戲開發軟件，能夠實時地處理場景中的各種模型[4]。本文主要是通過Unity 3D技術創建一種全新的智能家居虛擬場景，實現了虛擬與現實的融合。虛擬場景改變了以前智能家居系統二維的人機交互界面，通過三維場景，非常容易便捷地控制虛擬設備和真實設備，增加了用戶的交互性。虛擬場景的設計有助于智能家居的培訓和展示，讓用戶通過遠程操作也可以體驗到真實的智能家居系統。

2 系統整體結構

虛擬場景中的模型通過3D Max 2012完成建模和貼圖。用戶可以在場景中通過鼠標和鍵盤自由移動和操作虛擬人，實現在場景中自由漫游，然后通過點擊平板電腦，出現的交互式界面可以控制虛擬場景中燈光、風扇、空調和電視等家電設備。也能夠看到虛擬場景中各種傳感器的值，達到場景監控的目的。通過網絡編程可以實現虛擬和現實的交互，Socket套接字發送智能家居實驗室自主研發的協議到服務器，能夠實現真實設備控制，并接收到真實傳感器發回給虛擬場景中各種傳感器的值，真正實現虛擬和現實的融合。智能家居虛擬場景的總體設計思路如圖1所示。

圖1 總體設計思路

從圖1中可以看出，第一步就是對智能家居系統中各種模型數據采集，通過3D建模軟件建立需要的模型，將貼圖附著到建立好的模型上面，使模型更加具有真實感。人機交互設計是本系統的核心與難點，通過腳本的編寫，完成控制界面的設計。用戶通過發送消息指令，通過編程實現消息的捕捉，Unity 3D中通過對主攝像機的控制，實現虛擬場景中的漫游。

3 三維模型的構建

智能家居室內設計是虛擬場景中的主體部分，室內的建模主要運用的是形體構造表示的原理，使用建模工具3D Max 2012版從形狀和結構上對家居室內部進行模擬設計。

室內設計的實現方案是根據室內設計規劃方案，逐步分解和拆分為容易構造的簡單模型，之后進行相交集合運算形成復雜的各種模型，同時采用材質紋理映射等輔助技術手段，以增加模型的真實感[5]。其具體步驟如下[6]：

（1）獲得建模數據；

（2）確定模型的層次結構；

（3）進行可視建模過程；

（4）去除冗余多邊形；

（5）使用紋理映射。

通過上述的建模步驟能夠得到如圖2所示的智能家居室內的各種模型，包括家具、家電、傳感器等模型。通過把建好的模型導出為.FBX文件格式，然后在Unity 3D中導入建好的模型。

圖2 3DMax建立的模型

4 虛擬場景控制與交互

4.1 風扇和空調的控制

要控制風扇和空調，首先我們得了解transform這個類，然后再通過旋轉函數Rotate控制旋轉的速度。調整虛擬場景中的風扇模型和空調模型，首先調整好風扇扇葉和空調扇葉的x，y，z的坐標，方便調整扇葉旋轉的方向：

transform.Rotate（Vector3.down*30，Space.Self）；//通過旋轉扇葉來控制電扇

i.Rotate（Vector3.right*40*Time.deltaTime）；//通過控制空調扇葉來控制空調

4.2 燈光的控制

燈光的控制首先要在燈光模型上面添加一個點光源point light，然后對這個點光源的屬性進行修改，一般都是修改光照的范圍、光照強度和顏色這幾個屬性，最后所編的C#腳本語言如下：

public void SetLightState（bool state）

{

if（state）

{

light.enabled=true；//使燈開

}

else

{

light.enabled=false；//使燈關

}

}

4.3 電視控制

要實現電視的實時播放，首先要將視頻源拷貝到Assets文件夾里面，然后確保拷進來的視頻源能夠被U3D播放出來。一般將視頻源附著到一個新建的平面上，然后通過增加這個物體的Material材質，并且將Movie視頻文件給貼圖，開始時畫面是黑色，視頻啟動之后畫面變成白色，就能正常播放視頻文件了[7]。最后的代碼如下：

void Start （） {

//將視頻附給添加的材質

renderer.material.mainTexture=mMovie；

//讓視頻可以循環播放

mMovie.loop=true；

}

void Update （） {

}

public void OPenTV（）

{

//視頻播放時材質為白色

renderer.material.color=Color.white；

mMovie.Play（）；//播放視頻

}

public void CloseTV（）

{

//視頻關閉時材質為白色

renderer.material.color=Color.black；

mMovie.Stop（）；//關閉視頻

}

4.4 人機交互

Unity 3D展示模型時，用戶通過人機交互界面，即可以控制場景中的各種家電設備，也可以實時監測家里面各種傳感器的值。通過交互式展示智能家居中的各種設備，讓用戶對我們的系統有更加深入的了解，方便推廣整個智能家居系統。創建完成之后的交互界面如圖3所示，下面就是創建交互界面代碼（里面通過Socket套接字實現虛擬與現實的實時控制）：

void ControlFace（）

{

//定義變量

int off=100，height=30，wide=150；

//初始化邊框

Rect r = new Rect（off， 0， wide， height）；

//制作IP地址的文本框

mIP=GUI.TextArea（r，mIP）；

r.x += wide；

//制作端口號的文本框mPort=GUI.TextArea（r，mPort）；

//接收新的IP地址

mSocket.mIPSend=mIP；

//接收新的端口號

mSocket.mPort=mPort；

r.x=off；

r.y += height；

if（GUI.Button（r，"開燈"））// button

{

//獲得燈的組件，控制虛擬場景中的燈光

lightcontrol

l=mLight.GetComponent<

lightcontrol>（）；

// 控制虛擬場景中的燈光

l.SetLightState（true）；

// 套接字控制真實場景中的燈光 mSocket

ChangeLightState（true）；

}

//其他的按鍵同開燈一樣

}

圖3 人機交互界面

5 虛擬場景漫游

本文漫游的具體實現過程是將主攝像機附著在虛擬人上，可以通過第一視角來達到漫游的目的，通過鼠標左鍵來改變視角，鼠標的滾輪來控制視角的遠近。虛擬人主要是通過插件導入到場景中去，我們對虛擬人進行動作的設計，主要有走、跑、跳和空閑等幾個基本的動作，要達到漫游的目的這幾個動作完全能夠實現。具體漫游如圖4和圖5所示。虛擬漫游代碼如下：

void Update （） {

//定義物體的坐標

transform.position=mFollowTrans.position；

//按下左鍵

if（Input.GetMouseButton（1）） {

//x軸上旋轉

transform.Rotate（Vector3.up*Input.GetAxis（"Mouse X"）*mRotSpeed，Space.World）；

transform.Rotate（Vector3.left*Input.GetAxis（"Mouse Y"）*mRotSpeed）；//y軸上面旋轉 }

float f=Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）；

mCamera.localPosition=new Vector3（0，mHight，-mDistance）；

mCamera.localRotation=Quaternion.identity；//前后距離的調整

mDistance-=f；

}

圖4 客廳場景

圖5 臥室場景

這樣就能夠在虛擬場景中自由切換視角的左右和前后，虛擬人在虛擬場景中能夠自由控制觀察物體的角度，更加具有真實感和沉浸感。

6 結 語

本文簡要描述了Unity 3D在室內漫游和人機交互設計中的強大功能，討論了如何將建立完成的模型導入到Unity 3D建好的場景中來。Unity 3D能夠完成更多的場景設計，例如主攝像機、燈光、天空盒等場景中必備的物體。實現了通過人機交互界面來控制虛擬場景中和現實生活中智能家居系統的各種設備，也能實時監控傳感器的值，真正實現了虛擬與現實的結合。

隨著客戶要求的不斷提升，使得我們整個智能家居系統必須做得更加完善。因此我們的智能家居虛擬場景也應該做得更加有真實感和實時相結合，各方面的功能更加完善，交互界面更加友好。相信虛擬場景將會成為展示智能家居系統的主要手段之一。

參 考 文 獻

[1]梅寒，田力威，邵一川. 基于Unity 3D的智能家居綜合管理平臺的研究與實現[J]. 沈陽大學學報，2013（8）：303-306.

[2]曲寶，趙婭，趙琦，等.基于Virtools的虛擬家居漫游系統的設計與實現[J].計算機工程與科學，2009（12）：130-133.

[3]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游的關鍵技術研究[J]. 鹽城工學院學報， 2011（12）：56-59.

[4]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游仿真系統[J].淮陰師范學院學報，2011（12）：515-518.

[5]肖靈君，劉紫薇.基于3dsMax和Virtools的虛擬校園的開發和設計[J].科技信息，2009（12）：199-200.

[6]張榮華.幾何建模技術在虛擬校園漫游系統開發中的應用[J].計算機工程與設計，2008，29（23）.

[7]黃楊，王洋，張姝娟，等. 基于Unity 3D 的數字站區管理應用系統虛擬現實場景制作研究[J]. 測繪與空間地理信息，2013（4）：50-56.

Design and implementation of virtual scene for smart home

CHEN Bo， FU Wei， XUE Zhen， HONG Yang

（Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： For smart home applications， and base on Unity 3D virtual platform， a model design of virtual sense household appliances and environmental monitoring equipment is proposed， which is realized by virtual intelligent family scenes. Virtual people can roam in the virtual environment freely， and control appliances and receive environment monitoring data real time through the terminal device in hands， which made the home control more vivid and achieve the integration of virtual and reality. The design of virtual scene is conducive to the improvement of the publicity， training and display of smart home， which allows users to experience the real smart home system remotely and shows the laboratory research products of smart home in zero distance.

Keywords： smart home； Unity 3D； virtual reality； virtual people

[2]曲寶，趙婭，趙琦，等.基于Virtools的虛擬家居漫游系統的設計與實現[J].計算機工程與科學，2009（12）：130-133.

[3]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游的關鍵技術研究[J]. 鹽城工學院學報， 2011（12）：56-59.

[4]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游仿真系統[J].淮陰師范學院學報，2011（12）：515-518.

[5]肖靈君，劉紫薇.基于3dsMax和Virtools的虛擬校園的開發和設計[J].科技信息，2009（12）：199-200.

[6]張榮華.幾何建模技術在虛擬校園漫游系統開發中的應用[J].計算機工程與設計，2008，29（23）.

[7]黃楊，王洋，張姝娟，等. 基于Unity 3D 的數字站區管理應用系統虛擬現實場景制作研究[J]. 測繪與空間地理信息，2013（4）：50-56.

Design and implementation of virtual scene for smart home

CHEN Bo， FU Wei， XUE Zhen， HONG Yang

（Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： For smart home applications， and base on Unity 3D virtual platform， a model design of virtual sense household appliances and environmental monitoring equipment is proposed， which is realized by virtual intelligent family scenes. Virtual people can roam in the virtual environment freely， and control appliances and receive environment monitoring data real time through the terminal device in hands， which made the home control more vivid and achieve the integration of virtual and reality. The design of virtual scene is conducive to the improvement of the publicity， training and display of smart home， which allows users to experience the real smart home system remotely and shows the laboratory research products of smart home in zero distance.

Keywords： smart home； Unity 3D； virtual reality； virtual people

[2]曲寶，趙婭，趙琦，等.基于Virtools的虛擬家居漫游系統的設計與實現[J].計算機工程與科學，2009（12）：130-133.

[3]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游的關鍵技術研究[J]. 鹽城工學院學報， 2011（12）：56-59.

[4]干建松. 基于Unity 3D的室內漫游仿真系統[J].淮陰師范學院學報，2011（12）：515-518.

[5]肖靈君，劉紫薇.基于3dsMax和Virtools的虛擬校園的開發和設計[J].科技信息，2009（12）：199-200.

[6]張榮華.幾何建模技術在虛擬校園漫游系統開發中的應用[J].計算機工程與設計，2008，29（23）.

[7]黃楊，王洋，張姝娟，等. 基于Unity 3D 的數字站區管理應用系統虛擬現實場景制作研究[J]. 測繪與空間地理信息，2013（4）：50-56.

Design and implementation of virtual scene for smart home

CHEN Bo， FU Wei， XUE Zhen， HONG Yang

（Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： For smart home applications， and base on Unity 3D virtual platform， a model design of virtual sense household appliances and environmental monitoring equipment is proposed， which is realized by virtual intelligent family scenes. Virtual people can roam in the virtual environment freely， and control appliances and receive environment monitoring data real time through the terminal device in hands， which made the home control more vivid and achieve the integration of virtual and reality. The design of virtual scene is conducive to the improvement of the publicity， training and display of smart home， which allows users to experience the real smart home system remotely and shows the laboratory research products of smart home in zero distance.

Keywords： smart home； Unity 3D； virtual reality； virtual people