基于Unity3D的測量學實踐教學虛擬仿真方法*

石宏斌，王 軒，韓 杰，李長坡，王星琦

(許昌學院 城市與環(huán)境學院，河南 許昌 461000)

0 引言

實踐教學是測量學教學的重要環(huán)節(jié)，但是目前測量學實踐教學仍存在較大的局限性：

1)測量儀器價格昂貴，更新?lián)Q代較快，許多高校無力購買足夠數(shù)量的測量儀器，以致于學生在分組實踐練習過程中難以獲得有效的鍛煉和學習；

2)實踐場地固定、場景單一，學生難以體驗不同場景下，測量學實踐操作的不同；

3)受其他特殊因素限制，測量學實踐教學難以開展。例如：新冠疫情使得測量學只能線上開展理論教學，實踐教學難以開展。

虛擬仿真技術(shù)能夠模擬各種測量儀器和測量場景，讓學生足不出戶，在手機上或電腦上即可進行相關(guān)的儀器操作和場景體驗，獲得一種身臨其境和近乎真實的體驗效果，從而克服測繪教學設(shè)備昂貴、實踐場景復雜等客觀條件的限制，讓學生隨時隨地即可進行相關(guān)儀器的學習和實踐，達到掌握測量學相關(guān)知識和技能的目的，從而獲得較好的測量學實踐教學效果。

利用虛擬仿真技術(shù)進行測繪相關(guān)實踐教學仿真，業(yè)內(nèi)已有許多學者開展了相關(guān)的工作。例如：周敏等利用Unity3D等工具平臺構(gòu)建了測量學虛擬學習環(huán)境[1]；陳時雨等利用Unity3D技術(shù)構(gòu)建了基于web的“攝影測量學”虛擬仿真實踐教學平臺[2]；馮正茂等利用虛擬仿真技術(shù)探索模擬井下水準測量[3]；袁德寶等利用3ds max平臺等構(gòu)建GNSS的虛擬仿真教學系統(tǒng)[4]；田鵬等設(shè)計了全站儀虛擬仿真教學系統(tǒng)[5]。上述文獻均討論了虛擬仿真在實踐教學的思路和模式，對于如何進行相關(guān)的技術(shù)實現(xiàn)涉及相對較少。本文結(jié)合當前虛擬仿真的實際情況，詳細介紹了基于Unity3D構(gòu)建測量學虛擬仿真實踐教學平臺的思路和方法。

1 總體設(shè)計

構(gòu)建測量學實踐教學虛擬仿真平臺，就是要利用計算機三維仿真技術(shù)，模擬測量學中的基本儀器操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和地形圖測繪等實踐操作環(huán)節(jié)，讓學生足不出戶，即可在計算機上完成測量學實踐教學相關(guān)知識和技能的學習。

1.1 功能設(shè)計

根據(jù)上述總體設(shè)計，測量學實踐教學虛擬仿真平臺的功能設(shè)計[6]如下：

1)教學管理模塊。旨在完成學生基本信息管理與系統(tǒng)登錄、學習任務(wù)發(fā)布、學習效果打分與統(tǒng)計，師生互動交互等功能。

2)儀器基本操作模塊。包括水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀的基本組成部分，儀器的基本操作和基本讀數(shù)方法的仿真模擬功能。

3)外業(yè)數(shù)據(jù)采集模塊。包括高程控制測量、導線控制測量、碎部測量的外業(yè)數(shù)據(jù)采集仿真功能。

4)測量數(shù)據(jù)處理模塊。包括高程控制測量數(shù)據(jù)處理、導線控制測量數(shù)據(jù)處理、地形圖成圖內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的仿真模擬功能。

系統(tǒng)總體功能設(shè)計如圖1所示。

圖1 測量學實踐教學平臺的總體功能設(shè)計Fig.1 General function design of surveying practice teaching platform

1.2 技術(shù)路線

根據(jù)上述功能設(shè)計，構(gòu)建了基于Unity3D的測量學實踐教學虛擬仿真平臺的技術(shù)路線，具體如圖2所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 儀器模型構(gòu)建

對目標測量儀器拍照，獲得儀器不同視角的照片，導入3ds max中，利用3ds max的基本幾何對象構(gòu)建儀器的基本部件。以DSZ水準儀為例，模型構(gòu)建的過程如下：利用切角圓柱體構(gòu)建水準儀的照準部(如圖3(a))，圓環(huán)和圓柱體制作物鏡(如圖3(b))，利用幾何體和圖形畫出圓水準氣泡(如圖3(c))，圓柱體和三角體制作粗瞄準器(如圖3(d))，星型對象構(gòu)建儀器的調(diào)焦螺旋(如圖3(e))。并根據(jù)儀器的真實顏色對儀器部件賦色。

圖3 DSZ水準儀模型構(gòu)建Fig.3 Model construction for DSZ level instrument

2.2 界面實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，界面分為登錄界面和場景界面兩種，界面的設(shè)計和實現(xiàn)均由Unity3D中的UGUI庫制作完成。在hierarchy樹中創(chuàng)建panel結(jié)點以組織場景界面。在panel結(jié)點下，創(chuàng)建button結(jié)點以表示各個菜單，并設(shè)置其相關(guān)顏色和聲效特征。界面中的圖片和動畫可利用image對象和video對象表達。最后，利用layout組件布局菜單，設(shè)置菜單排列和滑動特性。系統(tǒng)的部分場景設(shè)計界面，如圖4所示。

圖4 測量學虛擬仿真平臺部分場景界面Fig.4 Interfaces in some scenes of surveying practice teaching virtual simulation platform

2.3 菜單命令實現(xiàn)

利用C#語言實現(xiàn)菜單命令功能，具體步驟如下：

1)命令腳本創(chuàng)建。創(chuàng)建空的gameobject對象，并為該對象添加script組件，在其C#腳本中添加相應(yīng)命令的響應(yīng)函數(shù)。

2)命令掛接。為button對象或擁有button屬性的image對象添加OnClick功能，并在其相關(guān)選項中指定gameobject對象及其響應(yīng)函數(shù)，從而實現(xiàn)命令功能。

以圖5中“水準測量”按鈕為例，具體介紹命令菜單的實現(xiàn)過程為：

1)創(chuàng)建名為“l(fā)oadScene.cs”的C#腳本(見圖5中的“1”)；

2)在hierarchy中創(chuàng)建空的gameobject對象，并改名為loadLevelSurvey(見圖5中“2”)，并將腳本loadScene.cs掛接到loadLevelSurvey上；

3)為按鈕“水準測量”添加OnClick操作(見圖5中的“3”)，并設(shè)置相應(yīng)的響應(yīng)對象和操作函數(shù)(見圖5中的“4”)，從而實現(xiàn)按鈕點擊功能。

圖5 菜單命令實現(xiàn)步驟Fig.5 Steps of menu command construction

上述“l(fā)oadScene.cs”腳本中，可以添加三維場景交互、主題場景切換、三維模型載入載出及預設(shè)操作動畫播放等功能，從而實現(xiàn)各種仿真功能。

2.4 功能實現(xiàn)

以全站儀照準棱鏡仿真操作為例，介紹功能實現(xiàn)的過程。總體思想是，將構(gòu)建好的全站儀、棱鏡等基本模型，在3ds max中制作仿真動畫，并將動畫導出到Unity3D中，在Unity3D中通過相應(yīng)的按鈕播放仿真動畫，從而實現(xiàn)操作的仿真。

1)動畫制作。在3ds max中，點擊標準幾何體里面的平面、長方體和圓柱，創(chuàng)建一個平面，一個圓柱體，4個長方體，修改大小、顏色和位置，利用布爾運算等操作制作望遠鏡里面的觀測界面，將時間幀拖至50處設(shè)置一個關(guān)鍵幀，利用移動等按鈕對觀測界面進行動畫制作，使十字絲中心對準棱鏡中心(見圖6)。

圖6 全站儀操作中的照準仿真Fig.6 Aiming simulation in total station operation

2)動畫導出與導入。將3ds max中制作的動畫導出為fbx格式，放置在unity項目中的assets目錄下，并拖拽至hierarchy目錄下，從而實現(xiàn)全站儀照準動畫的unity導入。

3)動畫播放。在Unity3D中添加仿真動畫播放的按鈕，按照2.3中的方法實現(xiàn)按鈕的命令掛接，并播放步驟2中導入的動畫，從而實現(xiàn)仿真功能。

2.5 系統(tǒng)發(fā)布

利用Unity3D中的build Settings菜單，可實現(xiàn)虛擬仿真功能的程序輸出。在該菜單中，可將創(chuàng)建的虛擬仿真模塊，輸出為個人電腦可執(zhí)行程序、webgl、安卓app、ios app等形式，可實現(xiàn)一個平臺組織編輯，多個平臺運行。將仿真程序發(fā)送給每位同學，即可實現(xiàn)足不出戶，進行測量儀器的學習和模擬操作。

3 結(jié)束語

本文基于Unity3D，設(shè)計并實現(xiàn)了測量學中常規(guī)測量儀器虛擬展示、虛擬操作，達到預期開發(fā)設(shè)計目標，滿足測量學實踐教學需求，是測量學理論教學、實踐教學的重要輔助性手段。目前，該系統(tǒng)已在許昌學院測繪工程、地理信息科學等專業(yè)實踐教學中投入使用，并獲得了良好的效果。后續(xù)，可在此平臺的基礎(chǔ)上，構(gòu)建工程測量學、大地測量學等虛擬仿真實驗平臺，該平臺也可為社會培訓提供相應(yīng)的支持。