陳小飛 陳曉君

摘要：本文以地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)項(xiàng)目為例，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)流程論述：提出了符合虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真項(xiàng)目的模型制作規(guī)范;分別介紹了3ds Max和Unfold3D軟件制作UV的技巧;針對(duì)紋理貼圖詳細(xì)闡述了AO貼圖與高真實(shí)感的PBR材質(zhì)制作流程;最后論述了UGUI控件、Unity3D功能組件以及C#腳本語言在地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)中的作用。本文的研究對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真項(xiàng)目的開發(fā)具有較好的理論指導(dǎo)和實(shí)際操作借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真;Polygon建模;展UV;紋理制作;Unity3D

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0170-03

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，特別是5G技術(shù)即將到來之際，虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于教育教學(xué)與培訓(xùn)、工業(yè)高端制造、能源安全作業(yè)仿真、建筑工程展示、虛擬博物館、生態(tài)旅游展示等各行各業(yè)。如國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司進(jìn)行的電力培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)，使受訓(xùn)人員佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備完整地學(xué)習(xí)電力作業(yè)流程、操作電力設(shè)備，完成現(xiàn)實(shí)中需要培訓(xùn)的危險(xiǎn)工作[1];西安石油大學(xué)霍愛清教授將虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)運(yùn)用于鉆井工程三維動(dòng)態(tài)仿真，取得良好效益[2]。深圳地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真系統(tǒng)是深圳同立方科技公司和我校合作開發(fā)項(xiàng)目，運(yùn)用3ds Max對(duì)地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備對(duì)象和場(chǎng)景搭建，運(yùn)用Unfold3D對(duì)模型進(jìn)行展UV，運(yùn)用Unity3D進(jìn)行系統(tǒng)互動(dòng)開發(fā)從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)控系統(tǒng)的仿真使用。本文主要討論地鐵軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部虛擬仿真模型建構(gòu)、Unfold3D展UV、紋理貼圖制作、AO及法線貼圖烘焙以及模型在虛擬交互開發(fā)引擎中的應(yīng)用等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

1 Polygon建模技術(shù)

一般來說主流的3D建模軟件是3ds Max和Maya，3ds Max在游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、室內(nèi)設(shè)計(jì)與建筑等領(lǐng)域運(yùn)用比較廣泛，本項(xiàng)目采用3ds Max的Polygon（多邊形）建模方式，將對(duì)象轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形對(duì)象，對(duì)頂點(diǎn)、線、面等進(jìn)行編輯和修改實(shí)現(xiàn)建模過程。從技術(shù)來說，Polygon（多邊形）建模方式容易操作和掌握，也可以通過添加線條不斷細(xì)分對(duì)象，完成復(fù)雜模型的建構(gòu)。根據(jù)深圳地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)項(xiàng)目需求，該系統(tǒng)需要建立包含公共區(qū)、設(shè)備管理用房、車站隧道、區(qū)間隧道、站廳層、站臺(tái)層以及相關(guān)設(shè)備和物件的虛擬仿真模型。大量的場(chǎng)景模型在實(shí)時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真系統(tǒng)中運(yùn)行必然占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算資源，這就要求模型建構(gòu)不同于一般的動(dòng)畫制作和室內(nèi)外建筑裝飾設(shè)計(jì)，必須高效簡(jiǎn)潔，符合以下模型制作規(guī)范：

（1） 確定模型定位標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一單位設(shè)置、命名規(guī)則。一般來說這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是CAD底圖，根據(jù)CAD底圖區(qū)域確定模型的位置，導(dǎo)入到3ds Max的CAD底圖放在原點(diǎn)（0，0，0）的位置。統(tǒng)一的單位設(shè)置和命名規(guī)則，方便項(xiàng)目組成員互相調(diào)用、協(xié)作合作，提高開發(fā)效率。

（2）精簡(jiǎn)面數(shù)。在盡可能展現(xiàn)模型的精美程度下使用最少的面數(shù)，將場(chǎng)景和對(duì)象多余的面以及看不到的面刪除，如車站墻體的底部和靠墻物體的背面，以便提高貼圖的利用率和交互場(chǎng)景的運(yùn)行速度。

（3）規(guī)范布線。優(yōu)化線面，避免產(chǎn)生大于四邊的面，模型無廢點(diǎn)廢線、布線符合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)需要。

（4）塌陷模型。在模型經(jīng)過紋理貼圖后遵循“一場(chǎng)景一物體”原則將模型塌陷，相鄰之間類似的模型可以塌陷成一個(gè)物體，塌陷時(shí)注意碰撞檢測(cè)空間，如果相鄰物體之間有通行行為或交互活動(dòng)則不可以塌陷。

2 展UV技術(shù)

展UV直接決定貼圖的繪制，好的UV可以使貼圖繪制更加方便和高效。地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)場(chǎng)景多樣，物件數(shù)量類型不同，合理安排和利用不同技術(shù)展UV有利于紋理貼圖繪制和縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

對(duì)于車站、站廳、設(shè)備房等大型建筑類場(chǎng)景，由于結(jié)構(gòu)比較方正，直接利用3ds Max中的UV編輯器進(jìn)行編輯，過程中注意后期重復(fù)貼圖的部位將UV重疊在一起，原則上遵循“一場(chǎng)景一貼圖”，對(duì)于硬邊過渡的模型，如墻體地面等使用自動(dòng)展開，軟邊復(fù)雜模型手動(dòng)指定模型接縫，使用剝皮技術(shù)攤平處理;對(duì)于虛擬場(chǎng)景中動(dòng)畫漫游角色和少數(shù)復(fù)雜形狀的模型，采用Unfold3D軟件技術(shù)進(jìn)行展UV，將3ds Max中建好的模型導(dǎo)出Obj或Fbx格式，再輸入U(xiǎn)nfold3D軟件進(jìn)行展UV。Unfold3D提供直觀、快速、可擴(kuò)展、高質(zhì)量的UV展開技術(shù)[3]，需注意的是模型不能出現(xiàn)多余的點(diǎn)、重疊的面等錯(cuò)誤，可以利用3ds Max修改器中的STL Check修改器來檢查模型導(dǎo)出時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，修正后再導(dǎo)入使用。

3 紋理貼圖制作技術(shù)

地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真系統(tǒng)最直觀的體現(xiàn)是對(duì)真實(shí)環(huán)境的再現(xiàn)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)場(chǎng)景，首先要求視覺上的高真實(shí)感。這就要求場(chǎng)景和物件對(duì)象的模型和實(shí)際對(duì)象高度一致。如果通過高模去表現(xiàn)，將會(huì)在實(shí)際運(yùn)行中消耗大量計(jì)算資源，演示和交互不流暢，產(chǎn)生極差的用戶體驗(yàn)，因而紋理貼圖的制作極為重要。

3.1 運(yùn)用Alpha貼圖表現(xiàn)窗戶、欄桿等模型對(duì)象

地鐵車站、站臺(tái)、設(shè)備房間等有大量窗戶和圍欄，如果都通過建模來實(shí)現(xiàn)，必將大量增加模型的數(shù)量和面數(shù)。對(duì)于這種有鏤空效果的模型，我們通常運(yùn)用Alpha貼圖來實(shí)現(xiàn)。一般來說有兩種方法：第一種是運(yùn)用一張包含Alpha通道的PNG格式貼圖，分別賦予給MAX中的漫反射和不透明度通道，進(jìn)入不透明度通道，在位圖參數(shù)中選擇單通道輸出為“Alpha”;第二種是運(yùn)用兩張貼圖，一張是RGB顏色貼圖，賦予給漫反射通道，另外一張是黑白圖代替Alpha通道信息，賦予給不透明度通道，參數(shù)設(shè)置默認(rèn)即可。值得注意的是第一種方法會(huì)留下少許白邊，推薦使用第二種方法，將RGB顏色貼圖的底色填充為鏤空邊緣相近的顏色，可以消除白色邊緣瑕疵。

3.2 運(yùn)用3ds Max渲染AO貼圖

AO（Ambient Occlusion）也叫“環(huán)境光遮蔽”，描繪了物體和物體結(jié)合處受周圍漫反射光線遮擋的效果，解決或者改善場(chǎng)景中縫隙、褶皺與墻角、角線以及細(xì)小物體等漏光、陰影處表現(xiàn)不清晰問題，更好地表現(xiàn)暗部細(xì)節(jié)，增強(qiáng)場(chǎng)景空間的層次感、真實(shí)感，使畫面明暗對(duì)比清晰，豐富藝術(shù)表現(xiàn)。

制作上，首先設(shè)置環(huán)境光為白色，如圖1設(shè)置渲染器，將抗鋸齒等勾選，接著設(shè)置高級(jí)照明中的光跟蹤器如圖2所示，接著添加天光，根據(jù)需要設(shè)置倍增，然后打開渲染到紋理面板，根據(jù)需要對(duì)輸出路徑、烘焙方式、貼圖尺寸、烘焙材質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，在所有參數(shù)設(shè)定好之后，最后渲染得到一張符合需求的AO貼圖。

3.3 運(yùn)用Substance Painter制作PBR材質(zhì)

Substance Painter是一個(gè)實(shí)時(shí)渲染的3D繪畫軟件，既可以直接在模型上繪制紋理貼圖，還可以將模型的高度、位置、AO等信息全部烘焙出來，由于其支持PBR（Physicallly-Based Rendering）基于物理渲染最新技術(shù)，近年來被廣泛地用于虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真、影視、游戲設(shè)計(jì)與開發(fā)等領(lǐng)域。其制作方法如下：首先，新建項(xiàng)目把FBX文件和烘焙好的AO貼圖添加進(jìn)來如圖3所示，查看AO貼圖的效果和模型是否有問題，如有返回3ds Max進(jìn)行修改;接著進(jìn)行紋理烘焙設(shè)置，選擇烘焙貼圖的類型如圖4所示，烘焙好之后把原來在3ds Max中渲染的AO貼圖放入Ambient Occlusion通道;然后使用筆刷、調(diào)整材質(zhì)繪制和制作適合項(xiàng)目對(duì)象的紋理貼圖。材質(zhì)貼圖制作好之后，導(dǎo)出顏色、高光、法線三張紋理貼圖，把AO貼圖與顏色貼圖在Photoshop中做正片疊加，使模型結(jié)構(gòu)更加清晰，暗部細(xì)節(jié)更豐富，如圖5所示。

4 Unity3D互動(dòng)開發(fā)技術(shù)

地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)開發(fā)工具采用Unity3D，是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具[4]。Unity3D互動(dòng)開發(fā)技術(shù)由于其高效便利，也是目前虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。其具有三大優(yōu)勢(shì)：第一，項(xiàng)目跨平臺(tái)發(fā)布，支持Windows，Mac，iPhone，Android等10余個(gè)主流平臺(tái)發(fā)布;第二，易用易學(xué)，編輯界面可視化，所見即所得的環(huán)境使得無論是有無編程基礎(chǔ)者都能獲得很好的使用體驗(yàn);第三，功能齊全，開發(fā)高效，Unity3D擁有游戲領(lǐng)域幾乎所有的功能模塊，完全能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真領(lǐng)域互動(dòng)開發(fā)技術(shù)的需要，除此之外Asset Store還可以提供豐富的資源，有效縮短開發(fā)周期。

4.1 UI交互設(shè)計(jì)

利用Unity3D的UGUI控件實(shí)現(xiàn)地鐵環(huán)控系統(tǒng)的UI設(shè)計(jì)。UGUI是unity3D原生支持的，隨著版本的升級(jí)完善功能逐漸強(qiáng)大且易用便利，基本控件包括Button、Lable、TextField等，可以完成虛擬仿真項(xiàng)目登錄界面、標(biāo)題欄、菜單欄、工具庫(kù)、當(dāng)前使用工具、地圖面板、消息面板等UI及交互設(shè)計(jì)。

4.2 系統(tǒng)互動(dòng)開發(fā)

利用Mecanim動(dòng)畫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵環(huán)控系統(tǒng)動(dòng)畫漫游和控制，如人物角色的行走動(dòng)畫及物品抓取動(dòng)作控制;利用粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)和光影特效，如車站出現(xiàn)火災(zāi)煙霧災(zāi)難;利用物理引擎實(shí)現(xiàn)剛體對(duì)象碰撞檢測(cè)，如角色走動(dòng)過程遇到的墻壁、欄桿等障礙物;利用C#腳本語言來開發(fā)系統(tǒng)軟件邏輯功能，如設(shè)備和任務(wù)選取、工具選取和使用、安裝調(diào)試設(shè)備、在線考核等。

5 結(jié)語

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)和計(jì)算機(jī)硬件的計(jì)算能力大幅提升，虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真將會(huì)應(yīng)用到越來越多的行業(yè)領(lǐng)域。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真開發(fā)流程出發(fā)，著重對(duì)建模、展UV、紋理制作、互動(dòng)開發(fā)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)作了系統(tǒng)論述和介紹，同時(shí)PBR材質(zhì)紋理制作技術(shù)也適用于游戲、動(dòng)畫、影視行業(yè)領(lǐng)域，是對(duì)傳統(tǒng)開發(fā)與制作方法的一種創(chuàng)新和改革，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 董鳳龍，陳虹伊，華旻磊，等.基于Unity3D的電力培訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019（9）：6-8.

[2] 霍愛清，李少輝，李浩平.基于Unity3D的鉆井工程三維動(dòng)態(tài)仿真[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（6）：79-83.

[3] UNFOLD3D官網(wǎng).[EB/OL].[2020-02-01].https：//www.cger.com/site/3473.html.

[4] 趙旺.基于Unity的VR建筑安全培訓(xùn)系統(tǒng)[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2018.

Abstract：Taking the environmental control system project of metro rail transit as an example， this paper discusses the development process of the key technologies of virtual reality and simulation： puts forward the model making specification that conforms to the virtual reality and simulation project; introduces the skills of making UV by 3ds Max and Unfold3d software; for texture mapping， elaborated the AO mapping and PBR material production process with high realism; finally， discussed the role of UGUI component，Unity3d functional components and C# script language in the development of metro rail transit environmental control system project. The research in this paper has a good theoretical guidance and practical significance for the development of virtual reality and simulation projects.

Key words：virtual reality and simulation; polygon modeling; unfolding UV; texture making; unity3d