基于地铁轨道交通环控系统的虚拟现实与仿真关键技术研究

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　　摘要：本文以地铁轨道交通环控系统项目为例，对虚拟现实与仿真关键技术进行了开发流程论述：提出了符合虚拟现实与仿真项目的模型制作规范;分别介绍了3ds Max和Unfold3D软件制作UV的技巧;针对纹理贴图详细阐述了AO贴图与高真实感的PBR材质制作流程;最后论述了UGUI控件、Unity3D功能组件以及C#脚本语言在地铁轨道交通环控系统项目开发中的作用。本文的研究对于虚拟现实与仿真项目的开发具有较好的理论指导和实际操作借鉴意义。
　　关键词：虚拟现实与仿真;Polygon建模;展UV;纹理制作;Unity3D
　　中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0170-03
　　随着计算机软硬件技术的快速发展，特别是5G技术即将到来之际，虚拟现实与仿真技术被广泛地应用于教育教学与培训、工业高端制造、能源安全作业仿真、建筑工程展示、虚拟博物馆、生态旅游展示等各行各业。如国家电网上海市电力公司市北供电公司进行的电力培训虚拟现实系统的开发，使受训人员佩戴虚拟现实设备完整地学习电力作业流程、操作电力设备，完成现实中需要培训的危险工作[1];西安石油大学霍爱清教授将虚拟现实与仿真技术运用于钻井工程三维动态仿真，取得良好效益[2]。深圳地铁轨道交通环控系统虚拟现实与仿真系统是深圳同立方科技公司和我校合作开发项目，运用3ds Max对地铁轨道交通环控系统进行设备对象和场景搭建，运用Unfold3D对模型进行展UV，运用Unity3D进行系统互动开发从而实现整个环控系统的仿真使用。本文主要讨论地铁轨道交通系统内部虚拟仿真模型建构、Unfold3D展UV、纹理贴图制作、AO及法线贴图烘焙以及模型在虚拟交互开发引擎中的应用等相关关键技术。
　　1 Polygon建模技术
　　一般来说主流的3D建模软件是3ds Max和Maya，3ds Max在游戏、虚拟现实、室内设计与建筑等领域运用比较广泛，本项目采用3ds Max的Polygon（多边形）建模方式，将对象转化为可编辑多边形对象，对顶点、线、面等进行编辑和修改实现建模过程。从技术来说，Polygon（多边形）建模方式容易操作和掌握，也可以通过添加线条不断细分对象，完成复杂模型的建构。根据深圳地铁轨道交通环控系统项目需求，该系统需要建立包含公共区、设备管理用房、车站隧道、区间隧道、站厅层、站台层以及相关设备和物件的虚拟仿真模型。大量的场景模型在实时的虚拟现实和仿真系统中运行必然占用计算机的运算资源，这就要求模型建构不同于一般的動画制作和室内外建筑装饰设计，必须高效简洁，符合以下模型制作规范：
　　（1） 确定模型定位标准和统一单位设置、命名规则。一般来说这个标准是CAD底图，根据CAD底图区域确定模型的位置，导入到3ds Max的CAD底图放在原点（0，0，0）的位置。统一的单位设置和命名规则，方便项目组成员互相调用、协作合作，提高开发效率。
　　（2）精简面数。在尽可能展现模型的精美程度下使用最少的面数，将场景和对象多余的面以及看不到的面删除，如车站墙体的底部和靠墙物体的背面，以便提高贴图的利用率和交互场景的运行速度。
　　（3）规范布线。优化线面，避免产生大于四边的面，模型无废点废线、布线符合结构表现需要。
　　（4）塌陷模型。在模型经过纹理贴图后遵循“一场景一物体”原则将模型塌陷，相邻之间类似的模型可以塌陷成一个物体，塌陷时注意碰撞检测空间，如果相邻物体之间有通行行为或交互活动则不可以塌陷。
　　2 展UV技术
　　展UV直接决定贴图的绘制，好的UV可以使贴图绘制更加方便和高效。地铁轨道交通环控系统场景多样，物件数量类型不同，合理安排和利用不同技术展UV有利于纹理贴图绘制和缩短项目开发周期。
　　对于车站、站厅、设备房等大型建筑类场景，由于结构比较方正，直接利用3ds Max中的UV编辑器进行编辑，过程中注意后期重复贴图的部位将UV重叠在一起，原则上遵循“一场景一贴图”，对于硬边过渡的模型，如墙体地面等使用自动展开，软边复杂模型手动指定模型接缝，使用剥皮技术摊平处理;对于虚拟场景中动画漫游角色和少数复杂形状的模型，采用Unfold3D软件技术进行展UV，将3ds Max中建好的模型导出Obj或Fbx格式，再输入Unfold3D软件进行展UV。Unfold3D提供直观、快速、可扩展、高质量的UV展开技术[3]，需注意的是模型不能出现多余的点、重叠的面等错误，可以利用3ds Max修改器中的STL Check修改器来检查模型导出时可能出现的错误，修正后再导入使用。
　　3 纹理贴图制作技术
　　地铁轨道交通环控系统虚拟现实与仿真系统最直观的体现是对真实环境的再现，通过计算机技术模拟真实场景，首先要求视觉上的高真实感。这就要求场景和物件对象的模型和实际对象高度一致。如果通过高模去表现，将会在实际运行中消耗大量计算资源，演示和交互不流畅，产生极差的用户体验，因而纹理贴图的制作极为重要。
　　3.1 运用Alpha贴图表现窗户、栏杆等模型对象
　　地铁车站、站台、设备房间等有大量窗户和围栏，如果都通过建模来实现，必将大量增加模型的数量和面数。对于这种有镂空效果的模型，我们通常运用Alpha贴图来实现。一般来说有两种方法：第一种是运用一张包含Alpha通道的PNG格式贴图，分别赋予给MAX中的漫反射和不透明度通道，进入不透明度通道，在位图参数中选择单通道输出为“Alpha”;第二种是运用两张贴图，一张是RGB颜色贴图，赋予给漫反射通道，另外一张是黑白图代替Alpha通道信息，赋予给不透明度通道，参数设置默认即可。值得注意的是第一种方法会留下少许白边，推荐使用第二种方法，将RGB颜色贴图的底色填充为镂空边缘相近的颜色，可以消除白色边缘瑕疵。 　　3.2 运用3ds Max渲染AO贴图
　　AO（Ambient Occlusion）也叫“环境光遮蔽”，描绘了物体和物体结合处受周围漫反射光线遮挡的效果，解决或者改善场景中缝隙、褶皱与墙角、角线以及细小物体等漏光、阴影处表现不清晰问题，更好地表现暗部细节，增强场景空间的层次感、真实感，使画面明暗对比清晰，丰富艺术表现。
　　制作上，首先设置环境光为白色，如图1设置渲染器，将抗锯齿等勾选，接着设置高级照明中的光跟踪器如图2所示，接着添加天光，根据需要设置倍增，然后打开渲染到纹理面板，根据需要对输出路径、烘焙方式、贴图尺寸、烘焙材质进行相应的设置，在所有参数设定好之后，最后渲染得到一张符合需求的AO贴图。
　　3.3 运用Substance Painter制作PBR材质
　　Substance Painter是一个实时渲染的3D绘画软件，既可以直接在模型上绘制纹理贴图，还可以将模型的高度、位置、AO等信息全部烘焙出来，由于其支持PBR（Physicallly-Based Rendering）基于物理渲染最新技术，近年来被广泛地用于虚拟现实与仿真、影视、游戏设计与开发等领域。其制作方法如下：首先，新建项目把FBX文件和烘焙好的AO贴图添加进来如图3所示，查看AO贴图的效果和模型是否有问题，如有返回3ds Max进行修改;接着进行纹理烘焙设置，选择烘焙贴图的类型如图4所示，烘焙好之后把原来在3ds Max中渲染的AO贴图放入Ambient Occlusion通道;然后使用笔刷、调整材质绘制和制作适合项目对象的纹理贴图。材质贴图制作好之后，导出颜色、高光、法线三张纹理贴图，把AO贴图与颜色贴图在Photoshop中做正片叠加，使模型结构更加清晰，暗部细节更丰富，如图5所示。
　　4 Unity3D互动开发技术
　　地铁轨道交通环控系统开发工具采用Unity3D，是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具[4]。Unity3D互动开发技术由于其高效便利，也是目前虚拟现实与仿真领域应用最为广泛的软件之一。其具有三大优势：第一，项目跨平台发布，支持Windows，Mac，iPhone，Android等10余个主流平台发布;第二，易用易学，编辑界面可视化，所见即所得的环境使得无论是有无编程基础者都能获得很好的使用体验;第三，功能齐全，开发高效，Unity3D拥有游戏领域几乎所有的功能模块，完全能够满足虚拟现实与仿真领域互动开发技术的需要，除此之外Asset Store还可以提供丰富的资源，有效缩短开发周期。
　　4.1 UI交互设计
　　利用Unity3D的UGUI控件实现地铁环控系统的UI设计。UGUI是unity3D原生支持的，随着版本的升级完善功能逐渐强大且易用便利，基本控件包括Button、Lable、TextField等，可以完成虚拟仿真项目登錄界面、标题栏、菜单栏、工具库、当前使用工具、地图面板、消息面板等UI及交互设计。
　　4.2 系统互动开发
　　利用Mecanim动画系统实现地铁环控系统动画漫游和控制，如人物角色的行走动画及物品抓取动作控制;利用粒子系统实现火灾和光影特效，如车站出现火灾烟雾灾难;利用物理引擎实现刚体对象碰撞检测，如角色走动过程遇到的墙壁、栏杆等障碍物;利用C#脚本语言来开发系统软件逻辑功能，如设备和任务选取、工具选取和使用、安装调试设备、在线考核等。
　　5 结语
　　随着5G技术的发展，网络的低延时和计算机硬件的计算能力大幅提升，虚拟现实与仿真将会应用到越来越多的行业领域。本文从虚拟现实与仿真开发流程出发，着重对建模、展UV、纹理制作、互动开发几个关键技术作了系统论述和介绍，同时PBR材质纹理制作技术也适用于游戏、动画、影视行业领域，是对传统开发与制作方法的一种创新和改革，具有广泛的应用价值和意义。
　　参考文献
　　[1] 董凤龙，陈虹伊，华旻磊，等.基于Unity3D的电力培训虚拟现实系统设计与实现[J].工业控制计算机，2019（9）：6-8.
　　[2] 霍爱清，李少辉，李浩平.基于Unity3D的钻井工程三维动态仿真[J].西安石油大学学报（自然科学版），2018（6）：79-83.
　　[3] UNFOLD3D官网.[EB/OL].[2020-02-01].https：//www.cger.com/site/3473.html.
　　[4] 赵旺.基于Unity的VR建筑安全培训系统[D].马鞍山：安徽工业大学，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
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