基于Unity3D 的虛擬樣板房體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱濤，楊昊倫

（北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100144）

0 引言

智能家居和樣板房的諸多理論設(shè)想和人性化設(shè)計(jì)都已經(jīng)碩果累累，但是其展示和體驗(yàn)效果卻始終不盡如人意，在設(shè)計(jì)和展示之間存在較大的鴻溝，需一個(gè)傳達(dá)媒介來提升體驗(yàn)感。本文基于Unity3D 平臺，結(jié)合虛擬樣板房的設(shè)計(jì)理念及概念，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具備沉浸式、交互式體驗(yàn)感的樣板房設(shè)計(jì)和智能家居的展示系統(tǒng)，有助于客戶更真實(shí)地體驗(yàn)樣板房和智能家居設(shè)計(jì)效果、設(shè)計(jì)師修改家裝設(shè)計(jì)和建造者調(diào)整建筑方案。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 動畫狀態(tài)機(jī)技術(shù)

角色中涉及的動畫主要通過Unity 中內(nèi)置的動畫狀態(tài)機(jī)Animator 實(shí)現(xiàn)對動畫片段的邏輯管理和統(tǒng)一管理。Animator 方便的圖形化界面可以讓角色控制更為清晰，也直接利于代碼的管理和編寫。通過對Animation 和邏輯狀態(tài)統(tǒng)一管理，利用腳本就可以管理整個(gè)Animator 實(shí)現(xiàn)角色的一系列動作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中角色執(zhí)行相應(yīng)的漫游和展示動作。Animator 利于把抽象的邏輯關(guān)系重新組合，能大幅度增加角色的真實(shí)性和沉浸感。

1.2 AI自動尋路技術(shù)

本系統(tǒng)采用自動漫游整個(gè)樣板房所在外部區(qū)域環(huán)境的方式，以讓客戶體驗(yàn)更為真實(shí)的居住周邊環(huán)境，然后由操作的用戶自行控制跟隨角色在系統(tǒng)中自主選擇想要了解的細(xì)節(jié)。在交互漫游的過程中使客戶真實(shí)感受到樣板間內(nèi)部的狀況、交通狀況以及社區(qū)日常行為狀況。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中模擬角色在環(huán)境中自主漫游的關(guān)鍵技術(shù)就是AI 自動尋路。

自動尋路的關(guān)鍵是路徑規(guī)劃，分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。本系統(tǒng)為了呈現(xiàn)整體樣板房的效果，故而采用全局路徑規(guī)劃。即根據(jù)設(shè)定的路徑信息，借助路徑搜索算法，利用不同目標(biāo)結(jié)點(diǎn)提供給客戶不一樣的選擇，從而產(chǎn)生不盡相同的漫游路線，從而實(shí)現(xiàn)對這個(gè)系統(tǒng)的漫游。在Unity3D 中由NavMesh 組件完成尋路開發(fā)，其核心算法是用三角形代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)格，計(jì)算拐點(diǎn)優(yōu)化尋路路徑，算法實(shí)現(xiàn)過程如圖1 所示。

1.3 協(xié)程控制技術(shù)

Unity3D 中的Coroutine 即協(xié)同程序，就像一個(gè)線程，占用少量的資源，不過并不是由系統(tǒng)調(diào)用，是由程序員調(diào)用，但是一經(jīng)啟動后除非調(diào)用stop（）方法，否則就將一直執(zhí)行，利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)NPC 行為，也可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)開始特定的行為，以達(dá)到實(shí)時(shí)對應(yīng)和節(jié)省系統(tǒng)資源的目的。結(jié)合IEnumerator 的方法在其每一條路徑上用yield return 進(jìn)行返回，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)程的調(diào)用，其調(diào)用過程在Unity 中大致如圖2 所示。

圖1 NavMesh尋路過程

圖2 協(xié)程調(diào)用過程

2 虛擬樣板間體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過重點(diǎn)研究動畫狀態(tài)機(jī)，自動尋路以及協(xié)程控制技術(shù)等，為了實(shí)現(xiàn)兼具室內(nèi)和室外動態(tài)家居環(huán)境效果的設(shè)計(jì)理念以及功能，將系統(tǒng)主要分為模型加載、角色控制、動畫控制、自動尋路、UI 繪制和音樂及音效控制模塊，通過該系統(tǒng)的虛擬引導(dǎo)漫游對樣板房進(jìn)行了解、修改和完善，在交互式的虛擬環(huán)境中體驗(yàn)家居環(huán)境，其系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 模型加載

室外的模型主要分為建筑、道路、裝飾品、各類商店、大廈和相關(guān)的模擬真實(shí)場景的模型。角色模型有虛擬角色、模擬車輛、模擬的動物和其他必要表現(xiàn)理念的模型。加載與樣板房設(shè)計(jì)概念相關(guān)的模型可以盡可能較為全面地提供可以表達(dá)樣板房設(shè)計(jì)理念，展示設(shè)計(jì)圖、模型、創(chuàng)作手稿、模型以及有關(guān)設(shè)計(jì)理念的書面和實(shí)質(zhì)材料。

室內(nèi)的模型主要涉及家具、器具、家電和一系列與樣板房設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型。盡力表達(dá)所有參與設(shè)計(jì)和建造樣板房的細(xì)節(jié)，去對樣板間設(shè)計(jì)理念進(jìn)行詮釋。

2.2 角色控制

主要角色為在室外場景的虛擬引導(dǎo)角色，用戶在系統(tǒng)中通過跟隨角色的行進(jìn)路線，對整個(gè)室外環(huán)境漫游。角色的整體風(fēng)格為卡通型玩偶，其主要作用為在室外場景中對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)和介紹，在每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)觸發(fā)一定的行為來提供選擇，對客戶自主控制漫游進(jìn)行必要的輔助。

利用角色動畫表現(xiàn)這樣一種引領(lǐng)式的交互方式將設(shè)計(jì)理念中重要的部分呈現(xiàn)出來，當(dāng)進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境中，角色的任務(wù)也就此完成，從而讓用戶成為唯一的角色。

2.3 動畫控制

戶外的環(huán)境需要通過動畫來表現(xiàn)，與樣板房產(chǎn)生關(guān)系的有周圍的交通環(huán)境、商鋪的類型極其分布情況、社區(qū)的人流量、周邊的綠化環(huán)境等。另一部分動畫用于表現(xiàn)樣板房各部分燈光進(jìn)行智能的調(diào)控，對室內(nèi)的窗簾進(jìn)行控制，以提供合適的遮陽效果；展示防盜、報(bào)警、監(jiān)控、電鎖、門禁、對講等安全措施；動畫控制模擬相應(yīng)的展示效果可以真實(shí)地展現(xiàn)智能家居和樣板房設(shè)計(jì)的相關(guān)概念，從而全方面展現(xiàn)樣板房的設(shè)計(jì)理念。

2.4 自動尋路

虛擬角色的引領(lǐng)和指導(dǎo)即是展示系統(tǒng)自動尋路的過程。設(shè)計(jì)相關(guān)的展示點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，將需要展示出來的一系列概念和模型按照設(shè)計(jì)由虛擬角色自動引導(dǎo)，同時(shí)提供給客戶自主選擇的空間，保證展示的多樣性的同時(shí)又讓客戶的個(gè)性化需求得到滿足，也作為一種反饋成為設(shè)計(jì)師的修改靈感。自動尋路的體驗(yàn)流程即是系統(tǒng)自動展示樣板房的相關(guān)細(xì)節(jié)，真正意義上實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境漫游歷程。利用虛擬的客戶角色置身環(huán)境中，通過自動化行進(jìn)給用戶提供動態(tài)的體驗(yàn)感，不再是基于純粹的設(shè)想和猜測，從而模擬出環(huán)境中的真實(shí)感和沉浸感。

2.5 UI繪制

整個(gè)系統(tǒng)的UI 設(shè)計(jì)主要包括兩方面，一是整個(gè)系統(tǒng)的外部引導(dǎo)UI，包括一些系統(tǒng)的基本配置和相關(guān)的參數(shù)調(diào)整、加載過度頁面、暫停頁面、保存頁面等。另一個(gè)則是系統(tǒng)中提供給客戶的介紹和提示消息，和提供個(gè)性化選擇的相關(guān)調(diào)整頁面，包括對家具的位置、配色、風(fēng)格進(jìn)行調(diào)整等頁面。

2.6 音樂音效控制

外部場景以一個(gè)濱海城市，室內(nèi)場景則由眾多不同類型的樣板房組成。將樣板房所在區(qū)域的周圍環(huán)境模擬還原，總體上呈現(xiàn)一個(gè)虛擬的外在空間。

系統(tǒng)中涉及的音效主要包括UI 音效、概念介紹語音以及必要的配樂以進(jìn)行引導(dǎo)和介紹。在室內(nèi)環(huán)境中，輔以必要的音效模擬在室內(nèi)產(chǎn)生的家電噪音對影音系統(tǒng)的影響、模擬室外環(huán)境的聲音在臥室中會有什么樣的效果、推薦系統(tǒng)的語音模擬效果以及安防系統(tǒng)的報(bào)警等都需要依靠音效來增加樣板房的體驗(yàn)效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4（a）為室外環(huán)境俯視圖；圖4（b）為樣板飯周圍建筑及其社區(qū)環(huán)境，即虛擬角色漫游的主要場景；圖4（c）樣板房外部街景，通過一系列實(shí)物模型展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果；圖4（d）為模擬車輛在道路行駛；圖4（e）為室內(nèi)客廳設(shè)計(jì)效果，動態(tài)展示智能家居的相關(guān)設(shè)計(jì)理念以及家居設(shè)備的運(yùn)行效果；圖4（f）為智能家居臥室效果，包括相關(guān)動畫表現(xiàn)的智能家居設(shè)備工作的狀態(tài)及其細(xì)節(jié)。

圖4 樣板房展示效果圖

室外環(huán)境的效果相對客觀，角色的引導(dǎo)任務(wù)也主要是給用戶的控制一個(gè)指引方向，環(huán)境的模擬也主要體現(xiàn)在交通狀況的模擬，還有很多細(xì)節(jié)的動態(tài)信息可以在系統(tǒng)中展現(xiàn)出來，例如極端天氣、交通擁堵、周邊施工等狀況更能真實(shí)體現(xiàn)一些特別的效果。

室內(nèi)的體驗(yàn)效果比模型和圖紙的真實(shí)感和沉浸感更為強(qiáng)烈，不過其弊端是不能像在真實(shí)樣板房中感受各種材質(zhì)的質(zhì)感。可以通過提升渲染的質(zhì)量來彌補(bǔ)虛擬環(huán)境中造成的色差。

總體而言虛擬展示系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在可以修改不適合的部分，所能看到的方案也是多樣化的，這對于設(shè)計(jì)師進(jìn)一步完善有極大的幫助，通過用戶的體驗(yàn)反饋也利于建筑的調(diào)整。

4 結(jié)語

樣板房雖然是一個(gè)手段，但其終極目的應(yīng)該是提供一種合理且切合實(shí)際的生活方式，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，理應(yīng)尋求更加優(yōu)異的表達(dá)方式和大眾進(jìn)行溝通，用設(shè)計(jì)和技術(shù)去彌補(bǔ)專業(yè)性的空缺，用更為真實(shí)和全面的體驗(yàn)方案去充實(shí)想象和猜測。技術(shù)最好的歸宿或許不是成為一個(gè)服務(wù)者，而是成為一個(gè)創(chuàng)造的引導(dǎo)者。通過展示的系統(tǒng)，讓設(shè)計(jì)師、建造者和客戶對尚未確定的樣板房做出新的思考和理解，從而引導(dǎo)一種新的理念、新的設(shè)計(jì)或者新的解決方案誕生。