基于3D設計3D建筑導覽系統(tǒng)

王博

摘 要： Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)3D游戲引擎。本文介紹了一個基于Unity 3D的建筑導覽系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Unity 3D三維技術，模仿實體建筑設計出一個三維模型，實現(xiàn)建筑的三維展示，該系統(tǒng)具有良好的視覺和交互效果。

關鍵詞： Unity3D 建筑場景建模 3D場景框架

引言

虛擬漫游技術是虛擬現(xiàn)實技術的重要分支，在建筑、旅游、游戲、航空航天、醫(yī)學等行業(yè)發(fā)展很快。虛擬建筑場景漫游或稱為建筑場景虛擬漫游是虛擬漫游的代表性方面，是虛擬建筑場景建立技術和虛擬漫游技術的結合。隨著計算機圖形學的進步和隨之快速發(fā)展的軟硬件技術，虛擬現(xiàn)實技術越來越多地應用在人們的工作、生活、娛樂的方方面面，但是這些離不開計算機多媒體技術的發(fā)展，而3D引擎更在其中扮演著重要的角色。3D引擎作為一種底層工具支持著高層圖形軟件開發(fā)，可以把它看做是對3DAPI的封裝，對一些圖形通用算法的封裝，對一些底層工具的封裝。利用它可以快速開發(fā)出3D應用而不必關心底層的主控程序，如三維場景中的旋轉、移動、碰撞、物理效果等應用到數(shù)學方面的知識。

本文介紹了基于Unity3D開發(fā)技術在三維建筑導覽系統(tǒng)中的設計和應用。以現(xiàn)實生活環(huán)境中的某一建筑為標的物，在Unity3D環(huán)境下以3DMax建模軟件為輔助工具實現(xiàn)一個具有一定人機交互能力的建筑導覽系統(tǒng)，有利于用戶對建筑有更直觀的了解。

1.Unity 3D平臺

Unity3D是一個由Unity Technologies開發(fā)的，可讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director，Blender game engine，Virtools或Torque Game Builder等利用交互的圖形化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件，其編輯器運行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺，也可利用UnityWebPlayer插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽，它的網(wǎng)頁播放器被Mac widgets支持。

Unity3D支持所有主要文件格式，并和大部分相關應用程序協(xié)同工作。Unity3D支持三種腳本語言：JavaScript，C#，Boo。我們在用ASP+SQLServer開發(fā)系統(tǒng)時采用的腳本語言是C#，這使得Unity3D與我們的程序更契合。我們采用這樣一個游戲引擎，是希望把三維多視角游戲帶到系統(tǒng)交互中來，在這樣的環(huán)境下，可以多平臺呈現(xiàn)我們的作品。Unity3D內(nèi)置的NVIDIA PhysX物理引擎帶給用戶良好的互動體驗。

2.主要設計流程

2.1系統(tǒng)功能的設計流程

3D建筑導覽系統(tǒng)提供的三維瀏覽功能有利于用戶通過網(wǎng)絡直觀地獲取建筑信息，將生活中的場景及建筑物盡量還原重現(xiàn)，用戶可以自主控制觀察的角度及方向，具有沉浸感。該項目需要的硬件設備包括數(shù)碼相機一部，雙核CPU、2GB內(nèi)存電腦一臺，以及AutoCAD規(guī)劃總平面圖；軟件包括AutoCAD、3DMax、Photoshop、Unity3D。在開發(fā)過程中需要注意以下設計要求：

2.1.1文件不能太大，要保證大多數(shù)普通計算機用戶可訪問；

2.1.2以相等比例真實縮小實體建筑物，所有重要的場景要盡量真實地表現(xiàn)出來；

2.1.3提供比較人性化的GUI界面便于用戶操作，比如“幫助導航”用來給用戶提示信息；

2.1.4供用戶瀏覽模式的選擇，包括自動漫游、手動漫游；

2.1.5設置導航圖方便用戶了解建筑物的整體布置情況；

2.1.6配備背景音樂播放，并可以由用戶自行設置關；

在此想法下，設計出系統(tǒng)的總體設計流程，如圖1所示。

2.2虛擬場景的構建

為了給用戶創(chuàng)建一個能使其感受到身臨其境、逼真的環(huán)境，必要條件之一就是創(chuàng)建一個逼真的虛擬場景。三維建模技術是整個導覽系統(tǒng)建立的基礎，是所有應用中的一個關鍵步驟和技術，是整個虛擬現(xiàn)實技術的靈魂。

2.2.1建立地形地貌。建筑構建是一般都要從構建地形地貌開始，包括模擬現(xiàn)實生活里的地形、建筑物及環(huán)境。地形和建筑在有了具體的地形數(shù)據(jù)和建筑高程數(shù)據(jù)之后，可以在3DMax中根據(jù)數(shù)據(jù)構建，環(huán)境部分主要包括天空、樹木和花草，這些在Unity3D中有自帶的多種模型可以選擇。在模型的構建中需要注意的是多邊形模型面數(shù)的優(yōu)化。一個建筑導覽系統(tǒng)算是比較大的，對模型充分的優(yōu)化可以減小最后網(wǎng)絡文件的大小，有利于用戶快速瀏覽。除模型優(yōu)化外，在貼圖上不僅要注意盡量真實，還要注意貼圖文件的大小不要過大，避免影響系統(tǒng)運行速度。

2.2.2紋理素材準備。為了表現(xiàn)一個更真實的虛擬環(huán)境，需要用數(shù)碼相機采集真實物體的表面紋理照片。由數(shù)碼相機拍攝的照片一般不能直接使用，需要通過專業(yè)的圖形工具進行處理。本文根據(jù)數(shù)碼相機拍攝的照片，通過Photoshop軟件及安裝RGB插件，將JPG格式的照片轉換為能夠識別的RGB格式，再將這些紋理圖像加載到紋理調(diào)板中供貼圖使用。

2.2.3建筑物模型建立及模型紋理貼圖

場景中的物體模型可分為2D模型和3D模型。2D模型包括草地、河流、道路等；3D模型包括建筑物、樹木等，可以利用Unity3D提供的強大的多邊形、矢量建模功能完成模型的建立。在建模的過程中要注意模型數(shù)據(jù)庫的構造要盡可能簡單，便于進行遍歷操作，模型的多邊形數(shù)量要盡可能減少。與此同時，紋理貼圖用于物體表面的描述，它將復雜的物體表面真實地體現(xiàn)出來。借助紋理貼圖，可以用較少的多邊形表現(xiàn)復雜的幾何形體，從而節(jié)省建模時間并減少系統(tǒng)資源的消耗。

3.模塊設計與實現(xiàn)

該導覽系統(tǒng)采用網(wǎng)站形式呈現(xiàn)最終效果。用戶通過鼠標控制第一人稱視角，通過鍵盤的方向鍵控制移動，在360度視角觀察建筑物。在這個過程中，用戶能夠充分地了解三維建筑模型的信息，包括尺寸、材質(zhì)和設計風格等。系統(tǒng)按照功能的性質(zhì)，分為前臺服務系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)。

3.1前臺服務系統(tǒng)

主要提供用戶注冊、用戶登錄、建筑瀏覽、資料管理等功能。系統(tǒng)前臺功能結構圖如圖2所示。

3.2后臺管理系統(tǒng)

系統(tǒng)后臺功能就是對數(shù)據(jù)庫進行各種操作，例如查詢、更新、添加、刪除等功能，包括用戶管理、建筑物管理、天氣情況呈現(xiàn)管理、相關選項設置管理等，功能結構圖如圖3所示。

其中比較基本的模塊包括：

3.2.1用戶管理模塊：用戶可以在網(wǎng)站首頁的登錄框中輸入用戶名和密碼實行登錄，當輸入的用戶名和密碼正確則可成功登錄，否則將提示登錄失敗，可重新登錄。如未開通賬戶則注冊相應用戶后即可登錄系統(tǒng)。輸入相應的賬戶和密碼，按下登錄按鈕后，將啟動登錄驗證程序。登錄成功，即可進行不同的操作。

3.2.2VIP信息管理模塊：用戶進入網(wǎng)站首頁登錄后，點擊“會員中心”即可進入“會員中心”頁面。這里為用戶提供了用戶注冊信息的查看和修改功能，即用戶密碼的修改、歷史瀏覽記錄、充值服務等。

3.2.3建筑物管理模塊：對系統(tǒng)中的建筑物利用數(shù)據(jù)庫進行信息管理，實現(xiàn)基本的增刪改查等功能。

3.2.4建筑展示與互動模塊：實現(xiàn)最終效果展示，用戶瀏覽記錄，用戶留言交互等功能。

結語

隨著計算機技術的發(fā)展，今后的軟件開發(fā)將更加人性化，各種應用首先要以方便用戶使用為前提，如何讓用戶在電腦上真實地獲得更多信息是需要不斷努力的。本文利用Unity3D并融于系統(tǒng)的架構角色設計方案，詳細分析了系統(tǒng)流程并進行了相應的建模分析。同時，通過此系統(tǒng)的開發(fā)，說明Unity3D軟件對于虛擬環(huán)境的創(chuàng)建是一個實用的工具，不但方便三維建模，更有很強的交互性與實用性。

參考文獻：

[1]宣雨松.Unity 3D游戲開發(fā)[M].北京.人民郵電出版社，2012.

[2][美]Michelle Menard，史曉明，李強.Unity游戲開發(fā)實戰(zhàn)[M].機械工業(yè)出版社，2012.

[3]祝敏嬌.基于Unity3D的虛擬漫游技術的研究[J].硅谷，2012（20）：34-35.

[4]朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2012（10）：20-22.

[5]于瀟翔，彭月橙，黃心淵.基于Unity3D的道具系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].成都理工大學學報（自然科學版），2014（04）：51-53.

基金支持：貴州師范大學2015年度“大學生科研訓練計劃”項目