BIM 與Unity 3D 結(jié)合的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)

郭 語(yǔ)，鄭加柱

（南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

經(jīng)過(guò)近十余年的發(fā)展，室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)已取得了很大成就，其導(dǎo)航定位精度也能基本滿足人們?nèi)粘３鲂械男枨?，目前正逐步走向商業(yè)化，不少信息技術(shù)公司也已經(jīng)推出了適用于商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等公共場(chǎng)所的盈利性技術(shù)服務(wù)支持[1]。但是，1 個(gè)完備的商業(yè)化室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該包含室內(nèi)3 維模型構(gòu)建、室內(nèi)位置信息的獲取以及室內(nèi)3 維場(chǎng)景下路徑規(guī)劃等3 部分，不能僅僅是1 個(gè)2 維模型下的導(dǎo)航系統(tǒng)，因此，構(gòu)建室內(nèi)3 維模型是室內(nèi)導(dǎo)航的核心技術(shù)之一，目前室內(nèi)3 維模型構(gòu)建主要采用3 維點(diǎn)云[2]、建筑信息模型（building information modeling， BIM）[3]等方法，這些方法在構(gòu)建純粹的3 維模型時(shí)較為方便，但是不能直接發(fā)布模型和建立導(dǎo)航格網(wǎng)，因此，本文提出BIM 與3 維集成（Unity 3D）平臺(tái)結(jié)合構(gòu)建室內(nèi)3 維模型，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建室內(nèi)3 維模型的同時(shí)，建立室內(nèi)導(dǎo)航的導(dǎo)航格網(wǎng)，為快速實(shí)現(xiàn)室內(nèi)3 維場(chǎng)景導(dǎo)航提供技術(shù)支撐。在室內(nèi)定位技術(shù)方面，基于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(wireless local area networks， WLAN）的室內(nèi)定位依然是如今研究的熱點(diǎn)，本文也是通過(guò)獲取WLAN 信號(hào)源的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indicator， RSSI）值來(lái)計(jì)算空間距離實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，最后完成導(dǎo)航系統(tǒng)的定位以及后續(xù)的路徑規(guī)劃測(cè)試。

Unity 3D 是美國(guó)集成技術(shù)（Unity Technologies）公司開(kāi)發(fā)的一款3 維/2 維游戲、建筑設(shè)計(jì)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以為包括微軟視窗（Windows）、安卓（Android）、蘋果公司的移動(dòng)操作系統(tǒng)（IOS）等主流操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件[4]；其基本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#，其相比于C++語(yǔ)言、加瓦（Java）語(yǔ)言等具有易上手、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5]。

1 室內(nèi)3 維BIM 模型的構(gòu)建

BIM 模型作為室內(nèi)導(dǎo)航的底圖數(shù)據(jù)，是以 歐特克·雷維特（Autodesk Revit）為平臺(tái)，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖及各個(gè)房間的位置列表、信號(hào)源位置等生成BIM 模型。使用BIM 模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以及時(shí)查詢、修正、更新相關(guān)數(shù)據(jù)，除此之外，其數(shù)據(jù)格式是通用、可以相互操作，這為數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)使用提供了便利，同時(shí)BIM 模型也包含電梯、樓梯、信號(hào)源身份標(biāo)識(shí)號(hào)（identity， ID）信息等精細(xì)化數(shù)據(jù)，這樣便可以實(shí)現(xiàn)精度較高的跨樓層的定位與導(dǎo)航功能[6]。因此，本文選用BIM 模型作為室內(nèi)3 維場(chǎng)景構(gòu)建的基本方法。

1.1 原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

為研究室內(nèi)3 維場(chǎng)景的導(dǎo)航，首先選擇了南京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。構(gòu)建精度滿足要求的室內(nèi)3 維模型需要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所在建筑的建筑圖紙、樓梯節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖紙等原始資料。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸? 層，其部分樓梯節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、建筑平面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 樓梯節(jié)點(diǎn)圖

1.2 三維BIM 模型構(gòu)建方法與流程

構(gòu)建用于程序開(kāi)發(fā)的3 維BIM 模型場(chǎng)景底圖，其基本步驟如下[7]：

1）創(chuàng)建網(wǎng)格、樓層線。根據(jù)建筑物的設(shè)計(jì)及建造情況創(chuàng)建基本網(wǎng)格與樓層分層線。網(wǎng)格的作用在于確定各建筑物構(gòu)件的正確位置，為模型的 創(chuàng)建打好基礎(chǔ)；樓層線的作用則在于確定各樓層間的高度距離，以便于后期樓板與梁的創(chuàng)建。

圖2 試驗(yàn)區(qū)域建筑平面圖

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、建筑平面圖的導(dǎo)入。在創(chuàng)建網(wǎng)格與樓層線后，將準(zhǔn)備好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和建筑平面圖導(dǎo)入，導(dǎo)入時(shí)應(yīng)與第1 步中創(chuàng)建的網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)，以免出現(xiàn)位置偏差等錯(cuò)誤。

3）創(chuàng)建3 維組件。依照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和建筑平面圖依次繪制各種室內(nèi)3 維組件，并將其放置于網(wǎng)格正確位置上。對(duì)于不同的組件應(yīng)該選用不同的材質(zhì)。

4）文件的保存與輸出。將創(chuàng)建好的室內(nèi)3 維模型保存為.rvt 文件格式。本實(shí)驗(yàn)區(qū)域的模型如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域BIM 模型

1.3 模型格式轉(zhuǎn)換與在Unity 3D 中的加載

出于最終界面及程序美觀的考慮，對(duì)于創(chuàng)建好的BIM 模型，將其導(dǎo)入3DS MAX 2018 中進(jìn)行簡(jiǎn)單渲染，渲染后將其輸出為 Unity 3D 可以使用的.fbx 文件格式，其結(jié)果如圖4 所示。此模型將是后續(xù)室內(nèi)導(dǎo)航程序的基本場(chǎng)景。

圖4 Unity 3D 中3 維模型

2 室內(nèi)導(dǎo)航程序開(kāi)發(fā)與發(fā)布

2.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與開(kāi)發(fā)環(huán)境

程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為.NET C#，其版本為 Visual Studio 2012， 此導(dǎo)航程序包含1 個(gè)主體程序和2 個(gè)子程序。程序以生成類庫(kù)并引用的形式實(shí)現(xiàn)了最終完整功能，其類型為 Windows Form 窗體應(yīng)用程序。

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本流程

程序開(kāi)發(fā)的基本思想是以Unity 3D 開(kāi)發(fā)為主體，對(duì)于Unity 中使用腳本程序難以實(shí)現(xiàn)的，利用Visual Studio 2012 開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，完成各子程序的開(kāi)發(fā)后，封裝為類庫(kù)文件并在Unity 3D 中使用腳本程序語(yǔ)言調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)全部功能。其具體的基本步驟如下：

1）3 維模型的導(dǎo)入與設(shè)置。將渲染與文件格式轉(zhuǎn)換后的3 維模型分別導(dǎo)入到“自動(dòng)導(dǎo)航”場(chǎng)景、“瀏覽模式”場(chǎng)景，并做一些參數(shù)的調(diào)整，如將3 維模型設(shè)置為不可穿透。

2）場(chǎng)景燈光設(shè)置。導(dǎo)入3 維模型后，由于模型較大，需要對(duì)場(chǎng)景中進(jìn)行燈光設(shè)置與渲染。

3）攝影機(jī)的設(shè)置。為程序設(shè)置1 個(gè)主攝影機(jī)與1 個(gè)第1 人稱跟隨攝影機(jī)。

4）角色碰撞器的設(shè)置與第1 人稱的實(shí)現(xiàn)。在場(chǎng)景中設(shè)置1 個(gè)基本角色（使用者視角主體），并為所做角色設(shè)置碰撞器（避免自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)出現(xiàn)穿墻等情況）；為角色設(shè)置第1 人稱視角，使用鼠標(biāo)控制跟隨攝影機(jī)的視角變換（可360°變換）。

5）導(dǎo)航網(wǎng)格的生成與實(shí)現(xiàn)、關(guān)鍵問(wèn)題的解決、繪制導(dǎo)航路線。路線的實(shí)時(shí)繪制使用Unity 3D 中Line Renderer 組件實(shí)現(xiàn)。

6）WLAN 信息獲取與定位子程序的制作與類庫(kù)生成、目標(biāo)房間輸入子程序的制作與類庫(kù)生成與引用。

7）設(shè)置界面的實(shí)現(xiàn)。設(shè)置中有2 項(xiàng)參數(shù)可以進(jìn)行設(shè)置，分別為速度與重力設(shè)置。

8）程序界面UI 及窗體設(shè)計(jì)、程序測(cè)試與完善、程序版本與發(fā)布設(shè)置。

9）程序的測(cè)試與完善。

10）開(kāi)發(fā)技術(shù)文檔及使用說(shuō)明的撰寫。

2.3 導(dǎo)航網(wǎng)格生成的關(guān)鍵問(wèn)題解決

導(dǎo)航網(wǎng)格生成是在Unity 3D 中實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃及自動(dòng)導(dǎo)航的第1 步，在Unity 3D 中提供了單獨(dú)的路網(wǎng)生成及自動(dòng)導(dǎo)航的組件方法， 即“Navigation”，該組件提供了導(dǎo)航網(wǎng)格快速生成、烘焙渲染的方法，也提供了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航的類庫(kù)方法“AI”，但生成導(dǎo)航網(wǎng)格操作面板“Bake”選項(xiàng)的各參數(shù)（如表1 所示）需要選擇合適的數(shù)值。本文根據(jù)所選實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的3 維模型反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選擇的參數(shù)數(shù)值如表1 所示，按此進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以完成導(dǎo)航網(wǎng)格的生成。

表1 “Bake”各輸入?yún)?shù)說(shuō)明

因室內(nèi)3 維場(chǎng)景不同于2 維平面，在導(dǎo)航網(wǎng)格生成過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)航網(wǎng)格無(wú)法覆蓋；樓梯、電梯等處的導(dǎo)航網(wǎng)格無(wú)法連接或連接不合理等。因此在參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要選擇合理的數(shù)值，其中Agent Radius 與Drop Height 的影響最為顯著。

1）導(dǎo)航網(wǎng)格無(wú)法覆蓋。本文在導(dǎo)航網(wǎng)格生成時(shí)，首先以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖钚∪肟趯挾?.7 m 為參照，將Agent Radius 設(shè)置為最小入口寬度的一半，同時(shí)以樓梯垂直高度為參照，將Drop Height 設(shè)置為1 m，此時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)航網(wǎng)格無(wú)法完全覆蓋的情況（如圖5 淺灰色方框處所示）。在程序測(cè)試過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航物體（用戶第1 人稱視角的主體）不能跨越此導(dǎo)航網(wǎng)格缺失處，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的路徑規(guī) 劃與自動(dòng)尋路。分析發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題是因?yàn)槲矬w半徑參數(shù)設(shè)置過(guò)大造成的，因此以0.1 m 為步長(zhǎng)依次遞減該參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在物體半徑參數(shù)設(shè)置為0.15 m 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)導(dǎo)航網(wǎng)格的全部覆蓋（如圖6 所示）。

圖5 導(dǎo)航網(wǎng)格未覆蓋示意

圖6 調(diào)整后導(dǎo)航網(wǎng)格覆蓋示意

2）樓梯、電梯連接處無(wú)法連接或連接不合理。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航網(wǎng)格可以覆蓋所有房間后，又發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)置的參數(shù)值（Agent Radius=0.15 m、Drop Height=1 m）生成的導(dǎo)航網(wǎng)格在程序運(yùn)行時(shí)，在樓梯、電梯連接處極易出現(xiàn)導(dǎo)航網(wǎng)格無(wú)法生成或者生成錯(cuò)誤的情況（如圖7 所示），進(jìn)而導(dǎo)致自動(dòng)尋路被迫終止或程序的崩潰。

圖7 樓梯連接處錯(cuò)誤示意

由圖7 中的方框處可看出，在樓梯與地面的連接處，由于導(dǎo)航網(wǎng)格連接不合理而導(dǎo)致了規(guī)劃路徑的跳躍，在這個(gè)位置物體（用戶第1 人稱視角的主體）會(huì)直接跳躍下部欄桿，與實(shí)際情況不符。分析發(fā)現(xiàn)引起此問(wèn)題的主要原因是Agent Radius 參數(shù)值過(guò)低與Drop Height 參數(shù)值過(guò)高；因此，在上述設(shè)置的Agent Radius 參數(shù)值基礎(chǔ)上，以0.02 m 為步長(zhǎng)依次提高Agent Radius 參數(shù)值，同時(shí)以0.1 m 為步長(zhǎng)依次降低Drop Height 參數(shù)值。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)最終在Agent Radius 值為0.21 m、Drop Height 值為0.5 m 時(shí)，在保證導(dǎo)航網(wǎng)格可以覆蓋模型內(nèi)所有房間的情況下，解決了樓梯處導(dǎo)航格網(wǎng)連接錯(cuò)誤的問(wèn)題（如圖8 所示）。不過(guò)由圖8 與圖7 對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，在樓梯處導(dǎo)航網(wǎng)格覆蓋區(qū)域減小，靠近樓梯兩側(cè)處沒(méi)有生成導(dǎo)航網(wǎng)格；但考慮到樓梯的功能是通行，因此，程序開(kāi)發(fā)時(shí)設(shè)置了自動(dòng)糾正功能來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，即得到定位坐標(biāo)后，程序首先會(huì)判斷此處是否覆蓋導(dǎo)航網(wǎng)格以及是否超出場(chǎng)景范圍，當(dāng)定位坐標(biāo)位于無(wú)導(dǎo)航格網(wǎng)處或超出場(chǎng)景范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)求取距此最近的、覆蓋導(dǎo)航網(wǎng)格處的坐標(biāo)，并將此坐標(biāo)作為最終坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)糾正功能。

本文根據(jù)上述試驗(yàn)，總結(jié)出參數(shù)設(shè)置的幾條規(guī)律與技巧：

1）Agent Radius 值越小，導(dǎo)航網(wǎng)格面積越大；如果設(shè)置過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致部分入口較小的房間無(wú)法完全覆蓋，如設(shè)置過(guò)小易導(dǎo)致像樓梯連接處的錯(cuò)誤；設(shè)置此參數(shù)時(shí)應(yīng)先確定所使用3 維模型最小入口的寬度，保證最小入口處可以生成導(dǎo)航網(wǎng)格。

2）Agent Height 值應(yīng)保證小于3 維模型內(nèi)最矮的樓層及入口高度。

3）Max Slope 值不能超過(guò)60o，應(yīng)該以3 維模型內(nèi)各樓梯最高坡度為準(zhǔn)。

4）Step Height 值應(yīng)保證大于3 維模型內(nèi)最大 的樓梯垂直高度且不能大于Agent Height 值。

2.4 基于WLAN 室內(nèi)定位子程序的開(kāi)發(fā)

室內(nèi)定位主要有基于WLAN 的定位技術(shù)[8]和基于紅外線[9]、超寬帶[10]、藍(lán)牙[11]等，而路徑規(guī)劃及自動(dòng)導(dǎo)航方法常用的為A*算法[12]、導(dǎo)航網(wǎng)格算法[13]等。本文采用基于WLAN 的定位技術(shù)和導(dǎo)航網(wǎng)格算法，基于.NET 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了RSSI 的自動(dòng)獲取、空間距離的計(jì)算以及使用3 邊測(cè)量法計(jì)算得到待定點(diǎn)的空間3 維坐標(biāo)，之后作為類庫(kù)文件在主程序中進(jìn)行引用，實(shí)現(xiàn)了程序?qū)崟r(shí)定位功能。

對(duì)于距離的計(jì)算，本文使用式（1）的衰減因子模型[14]計(jì)算原理，即

式中：D 為所需的空間距離，RSSI 為獲取的信號(hào)強(qiáng)度值，A 為發(fā)射端和接收端相隔1 m 時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，n 為環(huán)境衰減因子。為確定本系統(tǒng)此2 項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置，在試驗(yàn)場(chǎng)景中通過(guò)設(shè)置不同的4 個(gè)信號(hào)源并采集它們?cè)诓煌嚯x接收的信號(hào)強(qiáng)度（如圖9所示）；然后在最小二乘條件約束下分別進(jìn)行擬合并取均值。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，取A=-44 dB·m，n=4.0，最終在程序中實(shí)現(xiàn)，效果如圖10 所示。

圖9 RSSI 隨距離變化圖

程序中定位按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)當(dāng)前位置的自動(dòng)運(yùn)算，其定位方法為3 邊測(cè)量定位原理[15]，所需的接入點(diǎn)（access point， AP）坐標(biāo)在本實(shí)驗(yàn)使用獨(dú)立坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于實(shí)驗(yàn)樓棟一樓大廳中心。由于定位精度變化的影響，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算坐標(biāo)超出場(chǎng)景范圍或位于無(wú)導(dǎo)航網(wǎng)格處的情況。因此本程序會(huì)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行判斷，如出現(xiàn)上述情況，系統(tǒng)設(shè)置的自動(dòng)糾正功能會(huì)按照2.3 節(jié) 所述原理進(jìn)行糾正，以保證系統(tǒng)順利運(yùn)行。單擊左側(cè)“刷新當(dāng)前位置”按鈕，會(huì)顯示計(jì)算得到并糾正后的3 維坐標(biāo)，然后跳轉(zhuǎn)到坐標(biāo)處，如圖11所示。

圖10 定位功能程序效果

圖11 定位坐標(biāo)示意

2.5 程序UI 及窗體設(shè)計(jì)、發(fā)布設(shè)置

友好的程序使用界面、人性化程序使用方法是評(píng)價(jià)1 個(gè)程序好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，而這離不開(kāi)用戶界面設(shè)計(jì)及窗體設(shè)計(jì)。本文主程序的界面設(shè)計(jì)使用的是Unity 3D 中的用戶界面（user interface， UI）設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)及制作內(nèi)容為按鈕的設(shè)置、小地圖的制作、場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)等，主要程序功能及定位導(dǎo)航過(guò)程示意圖如圖12 所示。

在完成程序的功能實(shí)現(xiàn)、UI 及窗體設(shè)計(jì)以及程序測(cè)試完善后，設(shè)置發(fā)布參數(shù)及版本后便可以發(fā)布程序。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于位置服務(wù)（location based services， LBS）的技術(shù)近些年來(lái)發(fā)展訊猛，為人們的日常生活提供各項(xiàng)便利服務(wù)。目前在室外環(huán)境下已經(jīng)有了成熟的定位導(dǎo)航技術(shù)，而在室內(nèi)環(huán)境中，在基于WLAN 的定位技術(shù)和室內(nèi)3 維模型的構(gòu)建以及自動(dòng)導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)等方面仍存在著許多需要解決的技術(shù)難題。本文主要以室內(nèi)3 維模型的構(gòu)建作為切入點(diǎn)進(jìn)行研究，并面向室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)的完整流程，開(kāi)發(fā)室內(nèi)3 維場(chǎng)景下的導(dǎo)航程序，旨在提供1 種可供借鑒的室內(nèi)定位導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案。本文選擇使用Unity 3D 作為主程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將BIM 與Unity 3D 結(jié)合解決3 維模型構(gòu)建的一些技術(shù)難題，配合基于WLAN 技術(shù)的定位程序和路徑規(guī)劃程序?qū)崿F(xiàn)3 維場(chǎng)景下導(dǎo)航的基本功能。