基于數(shù)字孿生的三維校園車輛漫游系統(tǒng)

王藝儒

摘要：隨著科技的發(fā)展與進步，數(shù)字孿生嶄露頭角。若具有足夠強大的技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)可以完美地復制現(xiàn)實世界。因此數(shù)字孿生當前最大的應(yīng)用方向就是車輛的智能駕駛，即車輛漫游。在現(xiàn)實世界，昂貴的測試金額以及具有限制的實驗場地讓智能駕駛止步不前，而數(shù)字孿生的出現(xiàn)，提高了智能駕駛的開發(fā)能力。該文對車輛在虛擬校園的漫游為主要內(nèi)容。首先利用Cityengine和游戲引擎Unity3d對校園環(huán)境、車輛、樹木等場景進行建模。通過C#設(shè)計系統(tǒng)需要的代碼，讓用戶可以在虛擬校園下自由的控制車輛。最后收集車輛的信息、數(shù)據(jù)、參數(shù)等傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，進行人工交互功能。系統(tǒng)讓真實校園與虛擬校園成功地結(jié)合，節(jié)約了測試成本，為各大領(lǐng)域提供一種智能駕駛方法，為未來的數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;Unity3d;三維建模;人機交互;C#

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0094-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 數(shù)字孿生

1.1 什么是數(shù)字孿生

什么是數(shù)字孿生？數(shù)字孿生從基礎(chǔ)來看，就是利用某些軟件把現(xiàn)實生活中存在的物體情況通過數(shù)字化體現(xiàn)出來。就像谷歌，百度地圖等，它們將現(xiàn)實生活的建筑物、街道、樹木進行數(shù)字化智能化，然后將信息傳輸?shù)矫總€人的手機上。

數(shù)字孿生被Grieves教授首次提出[1]，隨著社會的發(fā)展，數(shù)字孿生的基本思想逐步形成，即虛擬空間中，將數(shù)字模型具有的信息和物理世界的實體互相映射，最后完美地復制出物理實體的活動軌跡及其生物特征。

隨著時代的進步與社會的發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸被越來越多的專家提出，通過與物聯(lián)網(wǎng)，人工智能，大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域結(jié)合并應(yīng)用于各行各業(yè)。同時構(gòu)思了越來越多以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的智能信息模式。

1.2 數(shù)字孿生下的車輛漫游

首先采集數(shù)據(jù)是重中之重。需到現(xiàn)場采集車輛內(nèi)部的照片或圖片，車輛基本尺寸、校園風景、校園建筑、校園行走人員等，建立三維建模所需要用到的材質(zhì)和圖片庫。需要對車輛等信息進行簡化繪制和建模。最后通過物聯(lián)網(wǎng)得到車輛參數(shù)與各結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)計數(shù)據(jù)庫，界面設(shè)計，實現(xiàn)交互漫游，最后完成校園車輛漫游管理?？偠灾褪浅浞掷梦锢砟Ｐ?、傳感器更新、車子運行歷史等數(shù)據(jù)，對車輛在不同環(huán)境和路線等進行仿真、監(jiān)測、計算、調(diào)節(jié)、控制和集成，最后在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體車輛的活動周期過程[2]。

2 三維校園設(shè)計

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，三維校園為眾多領(lǐng)域的工作人員帶來巨大的便利。想要成功構(gòu)建與現(xiàn)實相似的三維校園，不同的應(yīng)用技術(shù)有著不同的方法。當前主要的建模方法有：先畫出校園cad圖紙，然后導入3dmax進行建筑建模;直接利用Sketch Up 畫出模型最后渲染; ArcGIS Engine三維建模等。經(jīng)過研究與實驗后，本文使用了專用于大規(guī)模城市仿真的 CityEngine 進行校園模型制作[3]。

2.1 三維校園實現(xiàn)過程

首先，校園建模所需的影像數(shù)據(jù)可以通過 CityEngine 中Get Map Data功能獲取，本文利用了Openstreetmap得到校園地圖具體的建筑信息，路網(wǎng)信息等。在建模前，要了解校園區(qū)域每一個建筑特點，例如顏色，高度，形狀等。通過得到的信息，找到相似的貼圖，最后編寫詳細的參數(shù)規(guī)則[4]。CityEngine中，建筑模型都是通過CGA規(guī)則進行描述的，當一個CGA被指定給一個圖形，那么這個建筑模型就會根據(jù)指定的圖形范圍來生成，如表1所示。

成功構(gòu)建校園后，可以將整體建筑導出為fbx格式，進而導入Twinmotion軟件對植物，道路，人物等進行美化。同時在Twinmotion中在不同環(huán)境下對校園內(nèi)部進行初級的動畫演示。最終結(jié)果如圖1所示。

3 車輛漫游實現(xiàn)

在虛擬的校園環(huán)境下，對車輛進行和現(xiàn)實相同的操作，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)漫游系統(tǒng)在車輛上的應(yīng)用，利用腳本語言、碰撞檢測技術(shù)、界面設(shè)計，使用戶真實了解車輛功能和結(jié)構(gòu)，設(shè)計和實現(xiàn)了虛擬車漫游展示系統(tǒng)[5]。

用戶可以像玩游戲一樣，駕駛汽車查看虛擬模型和各種相關(guān)數(shù)據(jù)信息。虛擬車輛與真實車輛也可以同步接收信息與狀態(tài)，從而讓虛、實狀態(tài)的同步，進而邁向自動駕駛領(lǐng)域。車輛漫游流程如圖2所示。

3.1 車輛漫游系統(tǒng)

本文選用Unity3d為開發(fā)工具，同時本身內(nèi)置了種類非常多的組件，采用C#作為編輯語言，作為業(yè)界著名的開源游戲引擎，它可以讓使用人員感受到炫酷，現(xiàn)實化的三維游戲，人物，VR等交互界面[6]。因此它非常個人或小型團隊進行使用，如圖3所示。

3.2 車輛漫游跟隨視角

對車輛建模后，令相機跟隨車輛。例如按下Q，E可以左右旋轉(zhuǎn)視角;滾動鼠標滑輪可以放大或者縮小視角[7];

首先，新建C#腳本FollowPlayer并掛載相機上，設(shè)置跟隨物體的Tag值為Player;調(diào)整當前Scene視角對準跟隨物體，按下Ctrl + Shift + F，讓相機視角對準跟隨物體，設(shè)置好相關(guān)參數(shù);之后運行場景，相機即可跟隨游戲物體移動。

3.3 車輛漫游的碰撞技術(shù)

碰撞技術(shù)對Unity3d來說非常重要。在虛擬三維的校園中，建筑物與正在行駛的車輛是相互獨立的。車輛在漫游過程中會自動避開障礙物。而碰撞技術(shù)也可以檢查物體之間是否發(fā)生物理接觸，同時根據(jù)物體的特點做出對應(yīng)的碰撞響應(yīng)[8]。在 Unity3d 里面要想實現(xiàn)碰撞，物體之間都要具有碰撞組件，同時運動的組件具有剛體。這樣可以詳細描繪車輛在漫游時不小心與墻壁，建筑物等相撞時具體的反應(yīng)和狀態(tài)。

另外，車輪碰撞器（WheelCollider）是一種特殊的地面車輛碰撞器，是用Unity3d制作車輛漫游的關(guān)鍵，它可以模擬輪子的碰撞過程，車輛的物理引擎等。

在添加輪子時，可以給車輛添加碰撞器Rigidbody并調(diào)整質(zhì)量。另外在車輛模型下建立名為PhysicalBody的空物體，用于存放車輛的碰撞器組件。同時再添加四個空物體組件代表車輛的四個輪子[9]。在PhysicalBody里添加名為Collider的空物體，用于給車輛添加碰撞器。最后給2個Collider添加BoxCollider組件，然后點擊Collider的屬性面板的Edit Collider調(diào)整位置和大小。再給4個輪子分別添加WheelCollider，根據(jù)Transform的數(shù)值調(diào)整輪子的位置和大小。

3.4 車輛的自動尋路

首先選擇校園場景，設(shè)置可通過區(qū)域與障礙區(qū)域。Inspector視圖窗口static旁的小三角形按鈕顯示下拉列表，選中navigation static。在菜單欄打開Navigation窗口。其中Bake窗口顯示的參數(shù)主要是尋路過程中不同地形的影響，可以根據(jù)需要進行修改。單擊Bake按鈕計算整體地形，得到的尋路數(shù)據(jù)會與目前的Scene相關(guān)聯(lián)[10]。

選中車輛，把得到的尋路組件給予車輛。在菜單欄上選擇Component→Nav Mesh Agent。最后利用C#寫出車輛運動的代碼，讓車輛移動到用戶指定的目的地。最后將代碼指定為車輛的腳本組件，實現(xiàn)了車輛的自動漫游。

4 車輛漫游的交互設(shè)計

車輛在漫游時進行人機交互，用戶在現(xiàn)實生活中控制真實車輛的數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給Unity3d，進而利用得到的參數(shù)與函數(shù)控制虛擬車輛[11]。同理可知，在虛擬校園中控制車輛，得到的數(shù)據(jù)也可以利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給現(xiàn)實車輛。實現(xiàn)了用戶在不同環(huán)境下的車輛漫游過程，成功對現(xiàn)實與虛擬進行交互。GUI作為Unity3d的交互界面，它可以通過撰寫代碼，對腳本進行編寫。GUI的代碼需要寫在OnGUI（）這個函數(shù)里，每當重啟GUI，都會執(zhí)行這個方法。

首先，在Unity3d里面新建一個C#腳本，把它附加到某個虛擬物品上。然后將OnGUI（）函數(shù)放在新創(chuàng)建的腳本里面。同時大多數(shù)GUI控件都需要一個Rect對象，這是因為每種控件都需要設(shè)置其位置和大小。其中，第二個參數(shù)可以為一個字符串，也可以為圖像。另外，Rect對象的四個參數(shù)分別代表：控件左上角x坐標，控件左上角y坐標，控件的寬度，控件的高度。

4.1 車輛漫游交互的功能

1） 利用Carsim或其他軟件，將現(xiàn)實的車輛信息數(shù)據(jù)收集起來，因此虛擬車輛中可以正確獲取相關(guān)的參數(shù)。Carsim以車輛動力學為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，最后控制虛擬場景，駕駛虛擬車輛。

2） 用戶可以切換不同景色，觀測校園下不同景色的車輛漫游過程[12]。代碼如下：

public class changeweather ： MonoBehaviour

{

UniStormWeatherSystem_C UniStormSystem;

// Start is called before the first frame update

private void OnGUI（）

{

Rect rect1 = new Rect（10， 20， 50， 30）;

Rect rect2 = new Rect（10， 60， 50， 30）;

Rect rect3 = new Rect（10， 100， 50， 30）;

Rect rect4 = new Rect（10， 140， 50， 30）;

if （ GUI.Button（rect1， “雨”））

{

UniStormSystem.GetComponent<UniStormWeatherSystem_C>（）.weatherForecaster = 12; //雨

}

if （GUI.Button（rect3， “晴天”））

{

UniStormSystem.GetComponent<UniStormWeatherSystem_C>（）.weatherForecaster = 8; //晴天

}

if （GUI.Button（rect4， “霧霾”））

{

UniStormSystem.GetComponent<UniStormWeatherSystem_C>（）.weatherForecaster = 1; //霧霾

}

}

void Start（）

{

UniStormSystem = GameObject.Find（“UniStormSystemEditor”）.GetComponent<UniStormWeatherSystem_C>（）;

}}

3） 在車輛漫游的過程中，可以利用MySql作為校園建筑的數(shù)據(jù)管理與開發(fā)的基礎(chǔ)。首先定義連接數(shù)據(jù)庫的字符串后連接數(shù)據(jù)庫，代碼如下：

public static MySqlConnection Connect（）

{

MySqlConnection conn=new MySqlConnection（CONNECTIONSTRING）;

try

{

conn.Open（）;

return conn;

}

catch （Exception e）

{

Console.WriteLine（"打開數(shù)據(jù)庫錯誤！"+e）;

return null;

}}

因此當用戶在虛擬校園漫游時，也可以利用數(shù)據(jù)庫，通過菜單查詢路過的建筑等物體信息。在車輛漫游的同時完成并實現(xiàn)信息的交互。

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建一種虛擬校園環(huán)境下的車輛漫游系統(tǒng)?，F(xiàn)實世界各種動態(tài)可以在虛擬環(huán)境里同步更新，同時虛擬校園也可以做各種測試、分析等結(jié)果，進而進行信息數(shù)據(jù)的傳輸。車輛在現(xiàn)實校園運行的同時，車輛的運動狀態(tài)，車輛信息采集后反饋給虛擬場景，從而完成虛、實狀態(tài)的同步，實現(xiàn)整個數(shù)字孿生系統(tǒng)仿真。

參考文獻：

[1] 朱睿.數(shù)字孿生驅(qū)動的螺線管裝配生產(chǎn)線運維系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].南京：東南大學，2019.

[2] 葛雨明，汪洋，韓慶文.基于數(shù)字孿生的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛測試方法研究[J].中興通訊技術(shù)，2020，26（1）：25-29.

[3] 孫守清，陳宜金，陳俊美.基于CityEngine和SketchUp的快速精細三維建模[J].北京測繪，2021，35（7）：880-883.

[4] 賀體剛，陳鑫.基于CityEngine建模技術(shù)的三維虛擬校園開發(fā)與制作[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（24）：42-43.

[5] 李芳，邱利偉，王會艷.虛擬現(xiàn)實技術(shù)漫游系統(tǒng)在軌道車輛上的研究及應(yīng)用[J].科技視界，2018（12）：245-246.

[6] Cheliotis K.ABMU：an agent-based modelling framework for Unity3D[EB/OL].[2021-08-20]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352711021000881.

[7] Lin M，Shan L J，Zhang Y C.Research on robot arm control Based on Unity3D machine learning[J].Journal of Physics：Conference Series，2020，1633（1）：012007.

[8] 李虹，陸培培.基于Unity3D的虛擬動畫系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（8）：164-168.

[9] 彭俊江.基于Unity3D的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究[D].南昌：華東交通大學，2020.

[10] 王志崗.基于Unity3D的自動尋路導航系統(tǒng)的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（36）：209-211.

[11] Ruan Weihua.Design and Implementation of AR Vehicle Display Model Based on Unity3D[C]//International Information and Engineering Association.Proceedings of 2018 3rd International Conference on Mechatronics and Information Technology（ICMIT 2018）.International Information and Engineering Association：計算機科學與電子技術(shù)國際學會（Computer Science and Electronic Technology International Society），2018：8.

[12] 萬平，彭俊江，肖乾，等.基于Unity3D的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究[J].華東交通大學學報，2021，38（1）：106-112，142.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】