基于地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實與仿真關鍵技術研究

　　摘要：本文以地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)項目為例，對虛擬現(xiàn)實與仿真關鍵技術進行了開發(fā)流程論述：提出了符合虛擬現(xiàn)實與仿真項目的模型制作規(guī)范;分別介紹了3ds Max和Unfold3D軟件制作UV的技巧;針對紋理貼圖詳細闡述了AO貼圖與高真實感的PBR材質制作流程;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)項目開發(fā)中的作用。本文的研究對于虛擬現(xiàn)實與仿真項目的開發(fā)具有較好的理論指導和實際操作借鑒意義。

　　關鍵詞：虛擬現(xiàn)實與仿真;Polygon建模;展UV;紋理制作;Unity3D

　　隨著計算機軟硬件技術的快速發(fā)展，特別是5G技術即將到來之際，虛擬現(xiàn)實與仿真技術被廣泛地應用于教育教學與培訓、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)。如國家電網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司進行的電力培訓虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)，使受訓人員佩戴虛擬現(xiàn)實設備完整地學習電力作業(yè)流程、操作電力設備，完成現(xiàn)實中需要培訓的危險工作[1];西安石油大學霍愛清教授將虛擬現(xiàn)實與仿真技術運用于鉆井工程三維動態(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)項目，運用3ds Max對地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)進行設備對象和場景搭建，運用Unfold3D對模型進行展UV，運用Unity3D進行系統(tǒng)互動開發(fā)從而實現(xiàn)整個環(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)內部虛擬仿真模型建構、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)引擎中的應用等相關關鍵技術。

　　1 Polygon建模技術

　　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、室內設計與建筑等領域運用比較廣泛，本項目采用3ds Max的Polygon(多邊形)建模方式，將對象轉化為可編輯多邊形對象，對頂點、線、面等進行編輯和修改實現(xiàn)建模過程。從技術來說，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分對象，完成復雜模型的建構。根據(jù)深圳地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)項目需求，該系統(tǒng)需要建立包含公共區(qū)、設備管理用房、車站隧道、區(qū)間隧道、站廳層、站臺層以及相關設備和物件的虛擬仿真模型。大量的場景模型在實時的虛擬現(xiàn)實和仿真系統(tǒng)中運行必然占用計算機的運算資源，這就要求模型建構不同于一般的動畫制作和室內外建筑裝飾設計，必須高效簡潔，符合以下模型制作規(guī)范：

　　(1) 確定模型定位標準和統(tǒng)一單位設置、命名規(guī)則。一般來說這個標準是CAD底圖，根據(jù)CAD底圖區(qū)域確定模型的位置，導入到3ds Max的CAD底圖放在原點(0，0，0)的位置。統(tǒng)一的單位設置和命名規(guī)則，方便項目組成員互相調用、協(xié)作合作，提高開發(fā)效率。

　　(2)精簡面數(shù)。在盡可能展現(xiàn)模型的精美程度下使用最少的面數(shù)，將場景和對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景的運行速度。

　　(3)規(guī)范布線。優(yōu)化線面，避免產生大于四邊的面，模型無廢點廢線、布線符合結構表現(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物體，塌陷時注意碰撞檢測空間，如果相鄰物體之間有通行行為或交互活動則不可以塌陷。

　　2 展UV技術

　　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)場景多樣，物件數(shù)量類型不同，合理安排和利用不同技術展UV有利于紋理貼圖繪制和縮短項目開發(fā)周期。

　　對于車站、站廳、設備房等大型建筑類場景，由于結構比較方正，直接利用3ds Max中的UV編輯器進行編輯，過程中注意后期重復貼圖的部位將UV重疊在一起，原則上遵循“一場景一貼圖”，對于硬邊過渡的模型，如墻體地面等使用自動展開，軟邊復雜模型手動指定模型接縫，使用剝皮技術攤平處理;對于虛擬場景中動畫漫游角色和少數(shù)復雜形狀的模型，采用Unfold3D軟件技術進行展UV，將3ds Max中建好的模型導出Obj或Fbx格式，再輸入Unfold3D軟件進行展UV。Unfold3D提供直觀、快速、可擴展、高質量的UV展開技術[3]，需注意的是模型不能出現(xiàn)多余的點、重疊的面等錯誤，可以利用3ds Max修改器中的STL Check修改器來檢查模型導出時可能出現(xiàn)的錯誤，修正后再導入使用。

　　3 紋理貼圖制作技術

　　地鐵軌道交通環(huán)控系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實與仿真系統(tǒng)最直觀的體現(xiàn)是對真實環(huán)境的再現(xiàn)，通過計算機技術模擬真實場景，首先要求視覺上的高真實感。這就要求場景和物件對象的模型和實際對象高度一致。如果通過高模去表現(xiàn)，將會在實際運行中消耗大量計算資源，演示和交互不流暢，產生極差的用戶體驗，因而紋理貼圖的制作極為重要。

　　3.1 運用Alpha貼圖表現(xiàn)窗戶、欄桿等模型對象

　　地鐵車站、站臺、設備房間等有大量窗戶和圍欄，如果都通過建模來實現(xiàn)，必將大量增加模型的數(shù)量和面數(shù)。對于這種有鏤空效果的模型，我們通常運用Alpha貼圖來實現(xiàn)。一般來說有兩種方法：第一種是運用一張包含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)設置默認即可。值得注意的是第一種方法會留下少許白邊，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。

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