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

郭 語，鄭加柱

（南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037）

0 引言

經(jīng)過近十余年的發(fā)展，室內(nèi)導航技術(shù)已取得了很大成就，其導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、地下停車場等公共場所的盈利性技術(shù)服務(wù)支持[1]。但是，1 個完備的商業(yè)化室內(nèi)導航系統(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 維場景下路徑規(guī)劃等3 部分，不能僅僅是1 個2 維模型下的導航系統(tǒng)，因此，構(gòu)建室內(nèi)3 維模型是室內(nèi)導航的核心技術(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 維模型時較為方便，但是不能直接發(fā)布模型和建立導航格網(wǎng)，因此，本文提出BIM 與3 維集成（Unity 3D）平臺結(jié)合構(gòu)建室內(nèi)3 維模型，實現(xiàn)構(gòu)建室內(nèi)3 維模型的同時，建立室內(nèi)導航的導航格網(wǎng)，為快速實現(xiàn)室內(nèi)3 維場景導航提供技術(shù)支撐。在室內(nèi)定位技術(shù)方面，基于無線局域網(wǎng)絡(luò)(wireless local area networks， WLAN）的室內(nèi)定位依然是如今研究的熱點，本文也是通過獲取WLAN 信號源的接收信號強度指示(received signal strength indicator， RSSI）值來計算空間距離實現(xiàn)室內(nèi)定位，最后完成導航系統(tǒng)的定位以及后續(xù)的路徑規(guī)劃測試。

Unity 3D 是美國集成技術(shù)（Unity Technologies）公司開發(fā)的一款3 維/2 維游戲、建筑設(shè)計可視化、虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，可以為包括微軟視窗（Windows）、安卓（Android）、蘋果公司的移動操作系統(tǒng)（IOS）等主流操作系統(tǒng)開發(fā)軟件[4]；其基本開發(fā)語言為C#，其相比于C++語言、加瓦（Java）語言等具有易上手、操作簡單等優(yōu)點[5]。

1 室內(nèi)3 維BIM 模型的構(gòu)建

BIM 模型作為室內(nèi)導航的底圖數(shù)據(jù)，是以 歐特克·雷維特（Autodesk Revit）為平臺，根據(jù)建筑設(shè)計圖及各個房間的位置列表、信號源位置等生成BIM 模型。使用BIM 模型的優(yōu)點在于可以及時查詢、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)的跨平臺使用提供了便利，同時BIM 模型也包含電梯、樓梯、信號源身份標識號（identity， ID）信息等精細化數(shù)據(jù)，這樣便可以實現(xiàn)精度較高的跨樓層的定位與導航功能[6]。因此，本文選用BIM 模型作為室內(nèi)3 維場景構(gòu)建的基本方法。

1.1 原始數(shù)據(jù)的準備

為研究室內(nèi)3 維場景的導航，首先選擇了南京林業(yè)大學實驗樓作為實驗區(qū)域。構(gòu)建精度滿足要求的室內(nèi)3 維模型需要實驗場地所在建筑的建筑圖紙、樓梯節(jié)點結(jié)構(gòu)圖紙等原始資料。該實驗模型共6 層，其部分樓梯節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、建筑平面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 樓梯節(jié)點圖

1.2 三維BIM 模型構(gòu)建方法與流程

構(gòu)建用于程序開發(fā)的3 維BIM 模型場景底圖，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 試驗區(qū)域建筑平面圖

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計圖、建筑平面圖的導入。在創(chuàng)建網(wǎng)格與樓層線后，將準備好的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和建筑平面圖導入，導入時應(yīng)與第1 步中創(chuàng)建的網(wǎng)格相對應(yīng)，以免出現(xiàn)位置偏差等錯誤。

3）創(chuàng)建3 維組件。依照結(jié)構(gòu)設(shè)計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。本實驗區(qū)域的模型如圖3 所示。

圖3 實驗區(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，對于創(chuàng)建好的BIM 模型，將其導入3DS MAX 2018 中進行簡單渲染，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)導航程序的基本場景。

圖4 Unity 3D 中3 維模型

2 室內(nèi)導航程序開發(fā)與發(fā)布

2.1 開發(fā)平臺與開發(fā)環(huán)境

程序開發(fā)語言為.NET C#，其版本為 Visual Studio 2012， 此導航程序包含1 個主體程序和2 個子程序。程序以生成類庫并引用的形式實現(xiàn)了最終完整功能，其類型為 Windows Form 窗體應(yīng)用程序。

2.2 導航系統(tǒng)開發(fā)基本流程

程序開發(fā)的基本思想是以Unity 3D 開發(fā)為主體，對于Unity 中使用腳本程序難以實現(xiàn)的，利用Visual Studio 2012 開發(fā)平臺實現(xiàn)，完成各子程序的開發(fā)后，封裝為類庫文件并在Unity 3D 中使用腳本程序語言調(diào)用，最終實現(xiàn)全部功能。其具體的基本步驟如下：

1）3 維模型的導入與設(shè)置。將渲染與文件格式轉(zhuǎn)換后的3 維模型分別導入到“自動導航”場景、“瀏覽模式”場景，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）場景燈光設(shè)置。導入3 維模型后，由于模型較大，需要對場景中進行燈光設(shè)置與渲染。

3）攝影機的設(shè)置。為程序設(shè)置1 個主攝影機與1 個第1 人稱跟隨攝影機。

4）角色碰撞器的設(shè)置與第1 人稱的實現(xiàn)。在場景中設(shè)置1 個基本角色（使用者視角主體），并為所做角色設(shè)置碰撞器（避免自動導航時出現(xiàn)穿墻等情況）；為角色設(shè)置第1 人稱視角，使用鼠標控制跟隨攝影機的視角變換（可360°變換）。

5）導航網(wǎng)格的生成與實現(xiàn)、關(guān)鍵問題的解決、繪制導航路線。路線的實時繪制使用Unity 3D 中Line Renderer 組件實現(xiàn)。

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

7）設(shè)置界面的實現(xiàn)。設(shè)置中有2 項參數(shù)可以進行設(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、程序測試與完善、程序版本與發(fā)布設(shè)置。

9）程序的測試與完善。

10）開發(fā)技術(shù)文檔及使用說明的撰寫。

2.3 導航網(wǎng)格生成的關(guān)鍵問題解決

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

表1 “Bake”各輸入?yún)?shù)說明

因室內(nèi)3 維場景不同于2 維平面，在導航網(wǎng)格生成過程中發(fā)現(xiàn)：導航網(wǎng)格無法覆蓋；樓梯、電梯等處的導航網(wǎng)格無法連接或連接不合理等。因此在參數(shù)設(shè)置時，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）導航網(wǎng)格無法覆蓋。本文在導航網(wǎng)格生成時，首先以實驗模型的最小入口寬度0.7 m 為參照，將Agent Radius 設(shè)置為最小入口寬度的一半，同時以樓梯垂直高度為參照，將Drop Height 設(shè)置為1 m，此時出現(xiàn)導航網(wǎng)格無法完全覆蓋的情況（如圖5 淺灰色方框處所示）。在程序測試過程中，也發(fā)現(xiàn)導航物體（用戶第1 人稱視角的主體）不能跨越此導航網(wǎng)格缺失處，無法實現(xiàn)全實驗場地的路徑規(guī) 劃與自動尋路。分析發(fā)現(xiàn)該問題是因為物體半徑參數(shù)設(shè)置過大造成的，因此以0.1 m 為步長依次遞減該參數(shù)。通過實驗發(fā)現(xiàn)在物體半徑參數(shù)設(shè)置為0.15 m 時，可以實現(xiàn)模型內(nèi)導航網(wǎng)格的全部覆蓋（如圖6 所示）。

圖5 導航網(wǎng)格未覆蓋示意

圖6 調(diào)整后導航網(wǎng)格覆蓋示意

2）樓梯、電梯連接處無法連接或連接不合理。當實現(xiàn)了導航網(wǎng)格可以覆蓋所有房間后，又發(fā)現(xiàn)當前設(shè)置的參數(shù)值（Agent Radius=0.15 m、Drop Height=1 m）生成的導航網(wǎng)格在程序運行時，在樓梯、電梯連接處極易出現(xiàn)導航網(wǎng)格無法生成或者生成錯誤的情況（如圖7 所示），進而導致自動尋路被迫終止或程序的崩潰。

圖7 樓梯連接處錯誤示意

由圖7 中的方框處可看出，在樓梯與地面的連接處，由于導航網(wǎng)格連接不合理而導致了規(guī)劃路徑的跳躍，在這個位置物體（用戶第1 人稱視角的主體）會直接跳躍下部欄桿，與實際情況不符。分析發(fā)現(xiàn)引起此問題的主要原因是Agent Radius 參數(shù)值過低與Drop Height 參數(shù)值過高；因此，在上述設(shè)置的Agent Radius 參數(shù)值基礎(chǔ)上，以0.02 m 為步長依次提高Agent Radius 參數(shù)值，同時以0.1 m 為步長依次降低Drop Height 參數(shù)值。通過多次實驗最終在Agent Radius 值為0.21 m、Drop Height 值為0.5 m 時，在保證導航網(wǎng)格可以覆蓋模型內(nèi)所有房間的情況下，解決了樓梯處導航格網(wǎng)連接錯誤的問題（如圖8 所示）。不過由圖8 與圖7 對比還可以發(fā)現(xiàn)，在樓梯處導航網(wǎng)格覆蓋區(qū)域減小，靠近樓梯兩側(cè)處沒有生成導航網(wǎng)格；但考慮到樓梯的功能是通行，因此，程序開發(fā)時設(shè)置了自動糾正功能來實現(xiàn)導航，即得到定位坐標后，程序首先會判斷此處是否覆蓋導航網(wǎng)格以及是否超出場景范圍，當定位坐標位于無導航格網(wǎng)處或超出場景范圍時，系統(tǒng)會自動求取距此最近的、覆蓋導航網(wǎng)格處的坐標，并將此坐標作為最終坐標，實現(xiàn)糾正功能。

本文根據(jù)上述試驗，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，導航網(wǎng)格面積越大；如果設(shè)置過大，會導致部分入口較小的房間無法完全覆蓋，如設(shè)置過小易導致像樓梯連接處的錯誤；設(shè)置此參數(shù)時應(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60o，應(yīng)該以3 維模型內(nèi)各樓梯最高坡度為準。

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]、藍牙[11]等，而路徑規(guī)劃及自動導航方法常用的為A*算法[12]、導航網(wǎng)格算法[13]等。本文采用基于WLAN 的定位技術(shù)和導航網(wǎng)格算法，基于.NET 開發(fā)平臺，使用C#開發(fā)語言實現(xiàn)了RSSI 的自動獲取、空間距離的計算以及使用3 邊測量法計算得到待定點的空間3 維坐標，之后作為類庫文件在主程序中進行引用，實現(xiàn)了程序?qū)崟r定位功能。

對于距離的計算，本文使用式（1）的衰減因子模型[14]計算原理，即

式中：D 為所需的空間距離，RSSI 為獲取的信號強度值，A 為發(fā)射端和接收端相隔1 m 時的信號強度，n 為環(huán)境衰減因子。為確定本系統(tǒng)此2 項參數(shù)的設(shè)置，在試驗場景中通過設(shè)置不同的4 個信號源并采集它們在不同距離接收的信號強度（如圖9所示）；然后在最小二乘條件約束下分別進行擬合并取均值。在實驗場景下，取A=-44 dB·m，n=4.0，最終在程序中實現(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現(xiàn)對目標當前位置的自動運算，其定位方法為3 邊測量定位原理[15]，所需的接入點（access point， AP）坐標在本實驗使用獨立坐標系，坐標原點位于實驗樓棟一樓大廳中心。由于定位精度變化的影響，可能會出現(xiàn)運算坐標超出場景范圍或位于無導航網(wǎng)格處的情況。因此本程序會對定位結(jié)果進行判斷，如出現(xiàn)上述情況，系統(tǒng)設(shè)置的自動糾正功能會按照2.3 節(jié) 所述原理進行糾正，以保證系統(tǒng)順利運行。單擊左側(cè)“刷新當前位置”按鈕，會顯示計算得到并糾正后的3 維坐標，然后跳轉(zhuǎn)到坐標處，如圖11所示。

圖10 定位功能程序效果

圖11 定位坐標示意

2.5 程序UI 及窗體設(shè)計、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價1 個程序好壞的重要標準，而這離不開用戶界面設(shè)計及窗體設(shè)計。本文主程序的界面設(shè)計使用的是Unity 3D 中的用戶界面（user interface， UI）設(shè)計系統(tǒng)，主要設(shè)計及制作內(nèi)容為按鈕的設(shè)置、小地圖的制作、場景的跳轉(zhuǎn)等，主要程序功能及定位導航過程示意圖如圖12 所示。

在完成程序的功能實現(xiàn)、UI 及窗體設(shè)計以及程序測試完善后，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

基于位置服務(wù)（location based services， LBS）的技術(shù)近些年來發(fā)展訊猛，為人們的日常生活提供各項便利服務(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)建以及自動導航功能的實現(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)建作為切入點進行研究，并面向室內(nèi)定位導航技術(shù)的完整流程，開發(fā)室內(nèi)3 維場景下的導航程序，旨在提供1 種可供借鑒的室內(nèi)定位導航程序設(shè)計開發(fā)方案。本文選擇使用Unity 3D 作為主程序的開發(fā)平臺，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 維場景下導航的基本功能。