基于Unity 的版圖意識(shí)教育展廳的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎ 羅雅丹，羅琪斯

廣西地圖院，廣西 南寧 530023

目前，版圖意識(shí)教育的宣傳素材主要以文字、圖片和視頻為主，表達(dá)形式比較受限，用戶體驗(yàn)效果一般。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱VR）是計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境的沉浸感。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上生成三維空間，用戶借助輸入設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上360°觀察或操縱物體，讓用戶如身臨其境，從而產(chǎn)生沉浸感[2]。目前，應(yīng)用在三維虛擬的開(kāi)發(fā)技術(shù)主要有OpenGL、DriectX、Unity3D 以 及Cult3D 等，其 中，Unity3D 技術(shù)以其優(yōu)越的渲染效果和更高的擴(kuò)展空間受到了眾多專業(yè)技術(shù)人員的青睞[3]。

廣西標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)平臺(tái)在提供標(biāo)準(zhǔn)地圖、專題地圖和熱點(diǎn)地圖等服務(wù)的基礎(chǔ)上，增設(shè)版圖意識(shí)教育板塊，并建設(shè)基于Unity 的版圖意識(shí)教育在線展廳。平臺(tái)通過(guò)3D 虛擬漫游的形式展現(xiàn)版圖知識(shí)，為用戶提供更好的沉浸式交互體驗(yàn)和知識(shí)信息服務(wù)。同時(shí)也豐富了版圖意識(shí)教育的宣傳形式，進(jìn)一步強(qiáng)化了國(guó)家版圖意識(shí)的宣傳教育工作，引領(lǐng)社會(huì)公眾在線學(xué)習(xí)版圖知識(shí)，提高全民國(guó)家版圖意識(shí)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以展廳場(chǎng)景為藍(lán)本，實(shí)現(xiàn)版圖意識(shí)教育在線游覽，在盡可能還原展廳環(huán)境真實(shí)感的情況下，提升展廳的藝術(shù)設(shè)計(jì)感和互動(dòng)感。系統(tǒng)采用3ds Max 搭建展廳模型，并在Unity3D 中搭建展廳場(chǎng)景，將模型導(dǎo)入到Unity3D 的場(chǎng)景中。以C#作為此次編程的主要腳本語(yǔ)言，建立虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景的漫游功能。

1.1 系統(tǒng)框架

展廳的建設(shè)分為三維場(chǎng)景的構(gòu)建和漫游交互功能的實(shí)現(xiàn)兩大部分（見(jiàn)圖1）。三維場(chǎng)景的構(gòu)建包括房屋結(jié)構(gòu)的搭建，房屋內(nèi)部材質(zhì)紋理、燈光環(huán)境、版圖知識(shí)內(nèi)容等設(shè)置；漫游交互功能的實(shí)現(xiàn)包括展廳房間之間的切換、自由視角漫游、場(chǎng)景放大縮小和旋轉(zhuǎn)等操作，以及版圖知識(shí)教育背景音樂(lè)和科普視頻的播放、暫停、停止等。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 平臺(tái)架構(gòu)

2 技術(shù)路線

系統(tǒng)通過(guò)收集展廳平面數(shù)據(jù)、版圖意識(shí)教育宣傳文案和視頻數(shù)據(jù)等資料，采用3ds Max軟件制作出展廳的場(chǎng)景模型；在Unity3D 平臺(tái)中利用C#設(shè)計(jì)交互界面，整合動(dòng)畫(huà)視頻、版圖意識(shí)教育素材，完成版圖意識(shí)教育在線展廳的建設(shè)。技術(shù)線路如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2.1 信息采集

研究小組根據(jù)已有的展廳CAD 平面圖確定室內(nèi)的布局，并整理展廳內(nèi)部建筑的材質(zhì)紋理、展示內(nèi)容等。展廳主要由序廳、1 號(hào)展廳和2 號(hào)展廳3 個(gè)部分組成。展廳主要收集的素材有國(guó)家版圖的概念，地圖上中國(guó)版圖的表達(dá)，中國(guó)的地理位置、疆域四至、管轄海域等，中國(guó)版圖的正確表示方法以及規(guī)范使用地圖的科普視頻等內(nèi)容。系統(tǒng)將所收集的素材分類進(jìn)行排版，最終形成展廳文化墻的樣式。

2.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)將坐標(biāo)信息賦予CAD 圖，并對(duì)CAD圖進(jìn)行必要的語(yǔ)義信息賦予，建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。系統(tǒng)以CAD 平面圖作為參考在3ds Max 中制作序廳、1 號(hào)展廳和2 號(hào)展廳的構(gòu)造場(chǎng)景，并以FBX 格式導(dǎo)出；將FBX 文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行三維場(chǎng)景的搭建，同時(shí)將整理好的材質(zhì)紋理導(dǎo)入3ds Max 和Unity3D 中使用。

2.3 場(chǎng)景模型構(gòu)建

場(chǎng)景中的所有元素搭配和整合，均在Unity3D 編輯器中完成。研究小組利用模擬物品的外形幾何特征進(jìn)行初步仿真，再根據(jù)元素的特征點(diǎn)，對(duì)元素的材質(zhì)球、顏色進(jìn)行微調(diào)；采用Photoshop 制作各種紋理貼圖的源文件；利用陰影、反射、光照以及天空盒等元素，增強(qiáng)整個(gè)展廳場(chǎng)景的可視化效果；采用Unity3D自帶的三維渲染算法完成場(chǎng)景的整體渲染。

2.4 場(chǎng)景設(shè)置

2.4.1 燈光設(shè)置

為了使場(chǎng)景看起來(lái)生動(dòng)逼真，需要在展廳模型內(nèi)設(shè)置合適的燈光，用于烘托場(chǎng)景氛圍。Unity3D 提 供 了4 種 光 源，即Directional Light（直線光）、Point Light（點(diǎn)光源）、Spot Light（聚光燈）、Area Light（區(qū)域光）。研究小組在序廳中采用聚光燈和區(qū)域光，使整個(gè)序廳呈現(xiàn)出明亮大氣的效果；在1 號(hào)展廳和2 號(hào)展廳的天花板使用聚光燈，并在展示的墻體上方使用點(diǎn)光源，聚焦到每一項(xiàng)具體的內(nèi)容。

2.4.2 材質(zhì)紋理設(shè)置

研究小組根據(jù)展廳的建筑風(fēng)格，選擇合適的地板、墻紙以及吊頂紋理，并適當(dāng)調(diào)整物體表面的光滑程度、凹凸程度和發(fā)光度等。展廳所有地板采用統(tǒng)一簡(jiǎn)約的木板紋理；承重墻、序廳的歡迎墻體均采用紅色背景的紋理；文化墻的修飾則根據(jù)每個(gè)展廳的專題內(nèi)容進(jìn)行不同顏色的搭配。

播種前先用滅茬機(jī)粉碎前季作物秸稈和雜草，再用50馬力以上機(jī)械開(kāi)溝、覆土。播后3天內(nèi)及時(shí)用乙草胺類除草劑進(jìn)行芽前噴霧防雜草。在初花期和盛花期分別用咪鮮胺或多菌靈對(duì)水噴霧防治菌核病。油菜十成黃熟用聯(lián)合收割機(jī)一次性收獲。

2.4.3 版圖素材設(shè)置

按照前期整理好的版圖知識(shí)內(nèi)容素材，研究小組根據(jù)不同的分類將不同的展示內(nèi)容導(dǎo)入到不同的展區(qū)。序廳的表現(xiàn)形式主要是文字，設(shè)置醒目的展廳標(biāo)題，在其兩側(cè)分別放置版圖小故事和規(guī)范使用地圖的科普視頻，注重氣氛渲染，使參觀者快速進(jìn)入游覽狀態(tài)；1 號(hào)展廳放置國(guó)家版圖、中國(guó)版圖等概念性的內(nèi)容；2 號(hào)展廳是關(guān)于中國(guó)版圖的正確表示方法、維護(hù)國(guó)家版圖尊嚴(yán)等方面的內(nèi)容介紹。

2.5 編寫(xiě)腳本

2.5.1 碰撞檢測(cè)

在Unity3D 建模過(guò)程中，為了模擬真實(shí)環(huán)境中遇到障礙物時(shí)物體的本能反應(yīng)，需要做一些碰撞事件的處理，例如物體不能穿墻而過(guò)等[5]。其原理可以理解為在一個(gè)立方體或球體中存在著會(huì)產(chǎn)生碰撞的物體，程序通過(guò)讀取移動(dòng)物體與立方體或球體之間的距離、位置等信息來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。

系統(tǒng)將展廳內(nèi)部的墻體添加剛體組件（Rigidbody），給墻體添加檢測(cè)碰撞的腳本組件CubeCollision，并在腳本文件中添加監(jiān)聽(tīng)函數(shù)，當(dāng)物體與墻體發(fā)生碰撞時(shí)，OnCollisionEnter 便會(huì)被觸發(fā)調(diào)用，在整個(gè)碰撞過(guò)程中會(huì)持續(xù)調(diào)用OnCollisionStay 方法，直到碰撞接觸被解除時(shí)，OnCollisionExit 被觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)限制物體穿墻而過(guò)。通過(guò)碰撞檢測(cè)處理，讓用戶任意瀏覽時(shí)獲得更好的體驗(yàn)。

2.5.2 漫游交互

Unity3D 平臺(tái)中采用localPosition 屬性代表當(dāng)前模型的局部位置，采用position 屬性代表當(dāng)前模型的世界坐標(biāo)，使用worldToLocalMatrix便于把世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植孔鴺?biāo)，使用translate可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)坐標(biāo)系移動(dòng)或者相對(duì)其他物體移動(dòng)操作，使用rotate 可以實(shí)現(xiàn)繞坐標(biāo)軸或者某個(gè)向量旋轉(zhuǎn)操作[6]。

研究小組使用Unity3D 標(biāo)準(zhǔn)資源包中的Characters資源，在場(chǎng)景中拖入FirstPersonController 預(yù)制體，它提供了完整的角色控制功能，通過(guò)控制攝像機(jī)的動(dòng)作完成第一視角的控制。研究小組分別建立控制、旋轉(zhuǎn)2 個(gè)腳本，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)功能。其中控制腳本可以控制鼠標(biāo)在場(chǎng)景內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中視角上下左右運(yùn)動(dòng)的視角范圍和靈敏度；旋轉(zhuǎn)腳本根據(jù)鼠標(biāo)移動(dòng)的快慢生成視角可左右旋轉(zhuǎn)的角度大小。根據(jù)用戶使用習(xí)慣，算法對(duì)鼠標(biāo)單次移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)的最大視角做了極值控制，降低用戶在場(chǎng)景中使用第一人稱視角進(jìn)行全景瀏覽時(shí)可能會(huì)引起的不適應(yīng)感。同時(shí)，提供鍵盤(pán)控制，在腳本中分別寫(xiě)入W、A、S、D 鍵位控制相機(jī)前后左右移動(dòng)的功能，用戶可通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制視角的高度和瀏覽的角度，瀏覽場(chǎng)景內(nèi)任意范圍所及的內(nèi)容。

2.5.3 視頻配置

為了豐富展廳的表達(dá)內(nèi)容，系統(tǒng)在展廳入口的明顯位置添加規(guī)范使用地圖的科普視頻。Unity3D 引擎中自帶視頻播放器（VideoPlayer）組件，使用視頻播放器組件可將視頻文件附加到游戲?qū)ο笊希谶\(yùn)行時(shí)通過(guò)游戲?qū)ο蟮募y理組件播放視頻內(nèi)容。系統(tǒng)在場(chǎng)景中建立原始圖像RawImage，設(shè)定與視頻相同分辨率的大小，以及視頻瀏覽所需的播放、暫停、停止等按鍵button；在RawImage 中添加VideoPlayer 組件和AudioSource 組件，導(dǎo)入視頻源；在RawImage 中添加視頻控制腳本，針對(duì)不同的函數(shù)選定對(duì)應(yīng)的button，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的播放、暫停、停止等功能。

2.5.4 發(fā) 布

系統(tǒng)完成碰撞檢測(cè)、漫游交互和視頻配置等腳本編寫(xiě)后，選擇WebGL 進(jìn)行發(fā)布。

3 平臺(tái)運(yùn)行及展望

3.1 平臺(tái)運(yùn)行情況

為了更好地融入廣西標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)平臺(tái)，研究小組將在線展廳發(fā)布成具有較高耦合性的WebGL 網(wǎng)頁(yè)版。平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境為：處理器Intel（R）Core（TM）i7—9700，主頻3.0 GHz，內(nèi)存64.0 GB，顯卡NVIDIA Quadro P1000，硬盤(pán)3 T。在線展廳設(shè)計(jì)使用Unity 2020.3.11f1c1技術(shù)平臺(tái)，建模軟件使用3ds Max2016，圖3為展廳的序廳，圖4 為科普視頻播放展示，虛擬場(chǎng)景的渲染效果良好。系統(tǒng)運(yùn)行的平均幀數(shù)在50 FPS 以上，具有較好的顯示效果和真實(shí)沉浸感，用戶體驗(yàn)效果較好。在線展廳還可以發(fā)布成PC 端和移動(dòng)端，能夠在多種軟硬件平臺(tái)下運(yùn)行，具有較好的移植性。

圖3 展廳序廳圖

圖4 科普視頻播放展示圖

3.2 不足與展望

平臺(tái)主要完成了版圖知識(shí)教育在線展廳的三維建模、展廳設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)、展廳的交互等工作，實(shí)現(xiàn)了虛擬漫游、碰撞檢測(cè)和多媒體播放等功能。不足之處在于該展廳的圖文內(nèi)容和視頻內(nèi)容無(wú)法自動(dòng)更新。下一步，研究小組將研究如何結(jié)合C#腳本語(yǔ)言，在不修改模型和工程源文件的情況下，通過(guò)將素材放到指定的文件目錄中，便能快速完成展示的圖文和視頻自動(dòng)更新的功能；目前展廳內(nèi)版圖知識(shí)互動(dòng)較少，閱讀類的圖文素材較多，在如何豐富展廳的互動(dòng)內(nèi)容方面需要進(jìn)行更為深入的研究，在人機(jī)交互上進(jìn)一步挖掘和擴(kuò)展，使系統(tǒng)展示的版圖知識(shí)內(nèi)容更為豐富多彩，版圖意識(shí)教育的宣傳工作效果更為明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

研究小組基于3ds Max 和Unity3D 技術(shù)，將國(guó)家版圖意識(shí)教育豐富的知識(shí)信息收集整理并建立虛擬展廳，為用戶提供沉浸式虛擬漫游體驗(yàn)。版圖知識(shí)教育在線展廳是互聯(lián)網(wǎng)+版圖意識(shí)教育的有效嘗試，以全新的方式服務(wù)于版圖意識(shí)教育工作，為社會(huì)公眾進(jìn)一步了解版圖知識(shí)開(kāi)辟了新途徑。目前該展廳已于廣西標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)平臺(tái)上線使用，豐富了版圖意識(shí)教育宣傳的形式，有助于營(yíng)造全民普及國(guó)家版圖知識(shí)教育的良好環(huán)境，提高社會(huì)公眾的國(guó)家版圖意識(shí)。