基于地鐵軌道交通環控系統的虛擬現實與仿真關鍵技術研究

　　摘要：本文以地鐵軌道交通環控系統項目為例，對虛擬現實與仿真關鍵技術進行了開發流程論述：提出了符合虛擬現實與仿真項目的模型制作規范;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控系統項目開發中的作用。本文的研究對于虛擬現實與仿真項目的開發具有較好的理論指導和實際操作借鑒意義。

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

　　隨著計算機軟硬件技術的快速發展，特別是5G技術即將到來之際，虛擬現實與仿真技術被廣泛地應用于教育教學與培訓、工業高端制造、能源安全作業仿真、建筑工程展示、虛擬博物館、生態旅游展示等各行各業。如國家電網上海市電力公司市北供電公司進行的電力培訓虛擬現實系統的開發，使受訓人員佩戴虛擬現實設備完整地學習電力作業流程、操作電力設備，完成現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實與仿真技術運用于鉆井工程三維動態仿真，取得良好效益[2]。深圳地鐵軌道交通環控系統虛擬現實與仿真系統是深圳同立方科技公司和我校合作開發項目，運用3ds Max對地鐵軌道交通環控系統進行設備對象和場景搭建，運用Unfold3D對模型進行展UV，運用Unity3D進行系統互動開發從而實現整個環控系統的仿真使用。本文主要討論地鐵軌道交通系統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。根據深圳地鐵軌道交通環控系統項目需求，該系統需要建立包含公共區、設備管理用房、車站隧道、區間隧道、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實和仿真系統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范：

　　(1) 確定模型定位標準和統一單位設置、命名規則。一般來說這個標準是CAD底圖，根據CAD底圖區域確定模型的位置，導入到3ds Max的CAD底圖放在原點(0，0，0)的位置。統一的單位設置和命名規則，方便項目組成員互相調用、協作合作，提高開發效率。

　　(2)精簡面數。在盡可能展現模型的精美程度下使用最少的面數，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)規范布線。優化線面，避免產生大于四邊的面，模型無廢點廢線、布線符合結構表現需要。

　　(4)塌陷模型。在模型經過紋理貼圖后遵循“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。地鐵軌道交通環控系統場景多樣，物件數量類型不同，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

　　地鐵軌道交通環控系統虛擬現實與仿真系統最直觀的體現是對真實環境的再現，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，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，必將大量增加模型的數量和面數。對于這種有鏤空效果的模型，我們通常運用Alpha貼圖來實現。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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