基于Unity3D的南京朝天宮虛擬現(xiàn)實漫游

楊艷 卜言彬 王越

摘 要：本論文針對朝天宮建立了一個基于Unity3d的虛擬漫游開發(fā)平臺，通過實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#做為開發(fā)語言，利用交互式設(shè)計思維，結(jié)合多種U3D可視化輔助插件，實現(xiàn)了通過以鼠標鍵盤反饋進行的手動漫游、攝像機自動漫游、小地圖同步顯示以及以碰撞檢測為控制手段的音頻交互功能。在朝天宮現(xiàn)實場景的基礎(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)實場景。

關(guān)鍵詞：U3D；仿真建模；場景漫游；交互性設(shè)計思維

基金項目：江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項目資助（項目編號：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)實系統(tǒng)是一種由計算機創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境并使用戶能夠沉浸體驗該環(huán)境的計算機仿真系統(tǒng)。虛擬漫游技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實的重要領(lǐng)域之一，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實場景的虛擬數(shù)字化。通過使用VR設(shè)備，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)實場景的遠程沉浸式體驗。相較觀看視音頻介紹，漫游者能獲得更為全面真實的體驗。

本系統(tǒng)將基于Unity3d為開發(fā)軟件，通過實際拍攝實際景物照片與后期3D Max、PS、聲音合成軟件以及U3D對南京朝天宮進行虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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到朝天宮全方位的景色。

2 虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)總體設(shè)計

虛擬漫游（virtual roaming），作為虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）的主要分支，其具有獨特的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行目標設(shè)定。

2.1 高仿真場景，提高虛擬漫游的沉浸感

高仿真場景包括建模、貼圖、光陰、天空以及植被水流樹木這幾個部分。完成該目標的思路：前期，對實地進行考察，通過全景拍攝手段、網(wǎng)上查找以及簡單測量獲取場景的圖像和文字數(shù)據(jù)，包括建筑的各項長度信息和紋理，為建模提供充足的數(shù)據(jù)支持。建模時，依據(jù)前期獲取的數(shù)據(jù)進行高精度布線，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，添加高級水流以及外部收集的高分辨率天空盒和樹木，添加燈光并打開陰影渲染。

2.2 豐富的交互功能

設(shè)置開始漫游、自動漫游、手動漫游、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。完成該目標的思路：利用前期的PS等設(shè)計軟件制作界面和UI，利用語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完成各個觸發(fā)機制，Camera Path Animator和U3D自帶的各項功能完成漫游等項目的制作。

2.3 良好的優(yōu)化

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

虛擬漫游總體設(shè)計框架如圖1所示：

3 三維模型的搭建

虛擬現(xiàn)實不僅需要考慮漫游的仿真效果，還要使系統(tǒng)運行足夠流暢，朝天宮場景因為過于龐大，在進行漫游時對硬件的性能會有較高要求。所以在制作模型時，盡量利用簡摸+貼圖的形式表現(xiàn)，這體現(xiàn)在房頂制作時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。對在虛擬漫游中不會看到的模型部分予以刪除處理?？傮w來講模型三角面數(shù)在50萬面以下可以保證系統(tǒng)一定的運行效率。

3.1 地面的繪制

對于龐大的朝天宮古建筑群場景來說，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)整個朝天宮古建筑群場景的布局，可以先繪制成長方形的地面。

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

3.2 建筑物的繪制

通過制作地板地基，制作墻體， 在頂視圖中，同樣利用樣條線來繪制墻體，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軟件修改圖片各項屬性、扣出需要的牌匾圖像部分。另外，要比較精細的表現(xiàn)一個朝天宮古建筑群場景空間，貼圖的質(zhì)量與像素不能太低，同時也要考慮到貼圖文件過大導(dǎo)致的運行效率低下的問題，要在質(zhì)量與運行速度中間進行有效平衡。

4 虛擬漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 漫游場景以及交互素材的完善

在完成3Dmax模型地形導(dǎo)入后，還需要對整個漫游場景添加各種細節(jié)以此增強虛擬漫游的沉浸感。通過添加地形、樹木花草、植被（地面紋理）、天空盒以及水流等模型物體，使漫游場景更加豐富，同時也要加入光照陰影系統(tǒng)，是虛擬環(huán)境更加真實。素材添加進后得到效果如圖2所示。

4.2 碰撞檢測

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)過大Mesh碰撞器無效（一個模型面數(shù)超過255時，Mesh 碰撞器就會報錯無效）或是要添加碰撞器的模型過多導(dǎo)致系統(tǒng)實際運行很卡的情況，就需要利用如Box碰撞器等簡單碰撞器代替面碰撞器，對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)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用了PlayMaker插件來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（Finite-state machine，簡稱Fsm）插件，用來進行交互設(shè)計。通過對狀態(tài)機的各種設(shè)置，可以利用交互設(shè)計的思維方法，簡化煩瑣的編程過程，使用可視化的解決方案來運用有限元狀態(tài)機的設(shè)計思路在Unity3D中完成交互系統(tǒng)。本系統(tǒng)將利用NGUI來制作開始漫游、手動漫游、自動漫游、返回、退出界面并利用PlayMaker完成UI與各個功能之間的交互。同時也使用空物體和PlayMaker制作到達指定位置的音頻介紹交互功能。

4.4 漫游系統(tǒng)的制作

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

自動漫游的本質(zhì)是讓攝像機的位置等屬性根據(jù)之前設(shè)立好的路徑、運動方式來進行移動漫游，為此要先設(shè)立好觸發(fā)自動漫游的機制，路徑，以及攝像機的運動以及其余屬性，同時也要考慮退出自動漫游的觸發(fā)條件。

4.5 小地圖的實現(xiàn)

小地圖系統(tǒng)的添加能夠方便用戶在手動漫游時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)需要注意幾個方面的問題：小地圖是以用戶操控單位為中心進行設(shè)置的；小地圖的人物模型由于實際顯示時很小，需要利用一定的標識加以代替，在清晰顯示人物位置同時也能方便區(qū)分不同的人物模型。兩種顯示小地圖的方式：一是利用攝像機深度不同來制作小地圖，二是利用Target Texture與Render Texture來實時更新小地圖。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)利用3Dmax進行仿真建模與貼圖，利用Vary貼圖增強了模型的真實感，在保證一定質(zhì)量的同時為提高U3D漫游設(shè)計效率進行減面等一系列優(yōu)化，并成功解決了3D Max模型在導(dǎo)入U3D時會出現(xiàn)的諸如系統(tǒng)單位、方向軸坐標系以及插件不匹配等問題。在U3D漫游制作中，本系統(tǒng)設(shè)置了自動漫游、手動漫游、主要建筑音頻交互等多種交互功能，同時利用外部天空盒、樹木、假山等資源包美化整個朝天宮場景，大幅提升了用戶在進行虛擬漫游時的沉浸感，交互性以及構(gòu)想性，達成了虛擬漫游應(yīng)有的3I特性。同時在U3D漫游制作時利用了多種插件來簡化了操作流程，提高了制作虛擬漫游的效率整體漫游質(zhì)量。同時對于陰影以及碰撞部分進行一定的優(yōu)化操作，大幅提升了U3D預(yù)覽以及運行效率。

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