基于Unity3D的地鐵三維虛擬漫游設計①

周信文, 俎曉芳,2, 羅 津,2,3, 李 鑫, 蘭美玲, 許雋晗, 鐘愛平

1(江西師范大學 地理與環境學院,南昌 330022)

2(鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室,南昌 330022)

3(流域生態與地理環境監測國家測繪地理信息局重點實驗室,南昌 330022)

1 引言

虛擬漫游在建筑、旅游、游戲、航空航天、醫學等多種行業發展很快. 其中虛擬建筑場景漫游是虛擬漫游的一個代表性方面,它是虛擬建筑場景建立技術和虛擬漫游技術的結合,前者是基礎,后者是系統運行方法. 與傳統漫游手段相比,虛擬漫游更具有沉浸感、交互性和構想性. 傳統的文字介紹已經無法滿足人們對新事物認知的需要,能夠身臨其境地去體驗事物已經成為一種使用習慣. 通過虛擬漫游技術可以異地隨時漫游新建筑,真實三維體驗感,操作的交互性實現了人機關系的跨越,使漫游體驗更有趣味[1]. 國內有諸多學者將該技術應用于火車站、地鐵站等復雜建筑的三維仿真,并進一步開展相關研究工作. 如王淑嬙利用虛擬建筑場景建立技術,構建了地鐵車站三維模型,為地鐵信息管理提供三維信息平臺[2]. 杜霄利用三維視景仿真技術描述了列車動態運行過程[3]. 結合虛擬漫游技術,翁武文以車站建筑三維模型為載體,基于Unity3D虛擬現實平臺,設計并實現虛擬車站漫游系統,達到了展示車站內外環境的目的[4].

本文以南昌地鐵一號線為例,設計了地鐵車站的地上地下一體化三維虛擬漫游系統,將傳統的三維建模技術與當下實用的全景技術結合,可以方便地為本地乘客導乘,也可幫助外地游客了解地鐵沿線站點的主要景觀.

2 總體設計思路與技術路線

按常規的地下實體三維建模方式,構建地鐵站點地上地下一體化三維模型,需要采集沿線40公里的地下站點幾何拓撲結構和地面景觀的龐大數據,工作量巨大. 考慮到地下站點構造大體相似性和地面出入口的差異性. 本文提出一種新的技術實現思路： 地下通過3DMax實現精細化的三維地下建模,地面采用360度全景技術展示出入口周邊主要街道和建筑景觀; 兩者基于Unity3D實現聯動和漫游,并在線發布,以滿足大眾化的導乘需求. 相比于專業建模的技術要求和較高的人工成本,本文的建模過程相對輕松,而且實現效果不亞于精細化建模的導乘作用. 因此,南昌地鐵一號線的虛擬漫游設計需要解決的問題包括：

(1) 地鐵地下三維模型構建的主體內容;

(2) 地鐵地面站口全景圖像的制作與呈現;

(3) 三維模型與全景圖像如何集成化管理漫游.

上述設計思路可以按如下技術路線和步驟實現：

(1) 構建地鐵站點地下三維模型. 通過現場考察拍照,獲得需要的南昌地鐵內部實景圖像,然后利用Photoshop對地鐵內部圖片進行裁剪與編輯,轉換成3DMax最終需要的三維模型紋理貼圖,同時還需要地鐵各站點精確的平面圖層數據,才開始三維模型的構建. 經過渲染烘焙后,將建成的模型導入Unity3D平臺,實現地鐵三維場景的簡單漫游.

(2) 制作地面站口的360度全景圖. 首先通過專業相機拍攝南昌地鐵一號線沿線站點出入口周邊街道和建筑景觀的照片,然后將其制作成方便用戶瀏覽的全景圖.

(3) 地面全景的展示. 利用百度地圖API生成地鐵線路、站點、出入口的布局圖,將百度地圖上的地鐵站點出入口與開始制作好的全景圖對應關聯,并發布到互聯網生成URL.

(4) 用戶交互界面設計. 模型導入Unity3D實現簡單地下漫游的同時,還可以利用其按鈕交互功能訪問地面站點全景的URL,最后生成可執行文件形成完整的虛擬漫游系統.

3 關鍵技術與實現

3.1 地鐵站點地下場景的三維建模

如前文所述,構建地鐵地下站點的三維模型時,需要利用3DMax軟件對南昌地鐵一號線站點場景進行建模,貼圖及模型烘焙,然后將地鐵三維模型轉換為.fbx格式,導入Unity3D中為下一步工作做準備.

整個地鐵運行系統包含多個場景,地鐵場景的三維建模也包含了大量的內容. 根據地鐵空間的層次結構,可以大致劃分出整個地鐵三維場景的模型,主要分為地鐵入口、站廳臺、站層臺、隧道. 地鐵模型結構如圖1所示.

圖1 地鐵三維場景模型結構

為了提高建模效率、減少互相牽制和干擾因素,將地鐵候車空間和隧道場景分開建模. 同時對于整個地鐵場景的三維建模,需要盡可能掌握地鐵場景中各實體的空間信息. 通過 AutoCAD 圖形構建獲取地鐵候車層,隧道、軌道的結構尺寸,為3DMax三維建模提供準確的輪廓數據. 同時,為彌補南昌地鐵場景AutoCAD二維圖形數據難以表述建筑、設備外觀上具有表象性的局部特征信息的局限性,采取實景照片加以輔助來建立三維模型. 人工拍攝的地鐵站點內部場景實景照片,經過Photoshop軟件對亮度、色調、飽和度處理之后,通過貼圖紋理應用到建好的模型中,不僅能表現地鐵場景中各實體的具體位置關系信息,還能制作出在3DMax中用于表現虛擬模型外觀的顏色,更加貼近現實場景的真實感. 例如,地鐵站內部的廣告牌無需進行建模,只需將處理好的廣告牌實景貼圖放置于模型墻體表面,同樣能夠達到真實的漫游效果. 地鐵站廳層與站臺層的漫游效果如圖2和圖3所示.

圖2 站廳層場景漫游效果圖

圖3 站臺層場景漫游效果圖

3.2 沿線站點全景發布與VR漫游

全景圖(panorama)是一種具有固定視點和大范圍視角的廣角場景圖像,包括360度水平視角視和160度以上的垂直視角[5]. 南昌地鐵出入站口全景圖的獲取,需要使用數碼相機實地拍攝連續的圖像序列,然后通過軟件拼接得單個站點一個出入口的完整全景圖.

為了方便用戶結合百度地圖使用導乘功能,各個站點和出入口之間需要實現靈活的場景切換,即需要將單個站點的全景圖與百度地圖中對應的地鐵沿線站點進行關聯,并針對單個站點不同出入口提供關聯跳轉功能. 為此,本文設計了南昌地鐵一號線24個站點對應的24個全景網頁,其中首頁面如圖4所示： 每個頁面包含當前站點的多個出入口跳轉鏈接、前一站點和后一站點的跳轉鏈接,以及頁面縮放和方向控制等功能.

如圖5所示,奧體中心站C口全景效果. 圖中箭頭指示前后站點的跳轉鏈接,鼠標點擊全景圖中預設的熱點,觸發同站點內各出入口間跳轉的操作[6]. 頁面底部控制面板亦可實現前后站點和不同出入口跳轉,相應功能支持鍵盤控制,用戶還可以通過點擊VR按鈕切換VR狀況,達到更好的場景漫游體驗.

圖4 南昌地鐵一號線地面站點全景首頁

圖5 南昌地鐵一號線地面站點全景網頁

4 地下站點場景與地面全景的交互

Unity3D內置的組件將物理引擎、聲音引擎、碰撞檢測、動畫組件、場景管理等模塊封裝得非常易用,可視化的編輯器,可以幫助開發者實時預覽場景效果,其界面交互技術也正是實現三維模型與全景圖像集成化管理漫游的關鍵.

程序主界面主要通過Unity3D的NGUI插件搭建,包含功能控制按鈕,及小地圖顯示區域.

(1) 小地圖的實現方式,即創建一個小地圖相機跟隨第一人稱主相機一起移動,其實就是讓小地圖相機和主相機的相對位置不變即可. 這里需要使用代碼來控制兩個對象之間的相對位置,使其保持不變. 在Unity3D中,用transform 組件來獲取一個物體的位置,將小地圖相機與第一人稱主相機關聯,那么只要主相機進行運動,其transform屬性的值就會傳遞到至小地圖相機上,小地圖相機的位置就等于主相機位置+運動偏移量,關鍵代碼如下：

(2) 地下站點場景漫游,Unity3D中自帶第一人稱視角控制相關代碼,手動漫游按鈕的代碼可以直接調用,用戶通過鼠標和WASD鍵盤按鍵在第一人稱視角下進行三維漫游,還可通過界面右上角小地圖觀察在地鐵站中所處相對位置.

(3) 地下場景至地面全景跳轉,首先需要通過NGUI菜單創建響應全景網頁跳轉事件的按鈕,目的是通過點擊按鈕實現C/S端至B/S端的網頁跳轉,網站鏈接的設置需要按鈕子集下的標簽來完成. 其過程大致可以簡述為：

1) 在按鈕中添加Lable;

2) 在Lable的Inspector中設置全景跳轉的網頁鏈接.

(4) 運行系統時,點擊全景跳轉按鈕即可自動彈出相應網頁進行地面全景漫游功能體驗. 地面全景漫游功能設計主要是能夠在由拍攝的全景圖像所構建的南昌地鐵各個站點的全景空間里進行場景切換,達到瀏覽各個不同出入口場景的目的,方便乘客進出站點. 具體設計實現過程如下：

1) 將處理好的全景圖用全景處理軟件制作成可以自動旋轉,和具有放大縮小,控制旋轉方向的全景圖格式文件.

2) 通過百度地圖API創建地圖,初始化地圖元素,加載地圖操作基本控件,同樣利用百度地圖API在地圖中全景圖對應點添加控制按鈕.

3) 將之前制作好的全景圖文件嵌入加載好的百度地圖網頁中,通過使用JavaScript語言對應設置地鐵各站點及出入口的控制按鈕,顯示每個地鐵站的ABCD出入口,然后通過鼠標點擊即可查看對應站點出入口的全景圖.

5 結語

本文通過南昌地鐵一號線站點地下場景的三維建模及站點地面出入口的全景圖,基于Unity3D+百度地圖平臺,實現了南昌地鐵一號線地下地面一體化三維虛擬漫游,為地圖導乘和沿線站點景觀漫游提供了一種簡單易行的解決方案. 相比于地下地上真三維建模,在技術層面,節省了大量的研發時間和人工成本,在表現形式上達到了預期效果,希望對同行研究具有一定的參考意義. 隨著南昌地鐵其他線路的陸續開通,未來還可以擴展成南昌市軌道(地鐵)交通網絡三維虛擬仿真平臺,則會具有更大的實用價值.

6 致謝

本文研究得到江西省人力資源與社會保障廳博士后擇優資助項目,國家自然科學基金(No. 41461083),國家科技支撐項目(2015BAH50F02,2015BAH50F03),江西省重大生態安全問題監控協調創新中心項目(JXSEW-00),鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室主任基金(ZK2014002),流域生態與地理環境國家測繪地理信息局重點實驗室經費資助.

1黃穎. 基于Unity3D虛擬現實技術的岳麓書院3D漫游設計[碩士學位論文]. 長沙： 湖南大學,2016.

2王淑嬙,王乾坤,何辰琛. 地鐵車站三維輔助建設與管理系統的構建. 武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2012,34(3)： 289-292,321.

3杜霄,唐濤. 地鐵列車運行仿真系統中三維視景建模和簡化. 系統仿真學報,2006,18(6)： 1724-1728.

4翁武文. 基于Unity 3D的虛擬車站的設計與實現[碩士學位論文]. 廈門： 廈門大學,2016.

5Oettermann S. The panorama： history of a mass medium. New York,NY,USA： Zone Books,1997.

6王磊,高玨,金野,等. 基于Web3D無插件的三維模型展示的研究. 計算機技術與發展,2015,25(4)： 217-220.