基于Unity3D的游艇碼頭虛擬仿真設計

郭可盈 王琪焱 朱閩 邱佳欣 王宇林

摘? 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，游艇的數(shù)量及規(guī)模將呈線性增長的趨勢，具有停泊功能的游艇碼頭，也受到越來越多使用者的青睞。文章基于Unity3D軟件開展湛江紅嘴鷗游艇碼頭的虛擬仿真設計，從地形模型導入、海面模型建立、建筑模型建模、天空場景構建、局部細節(jié)裝飾等方面展示游艇碼頭虛擬仿真設計過程，為相關研究提供一種新的方向。

關鍵詞：Unity3D；游艇碼頭；虛擬仿真系統(tǒng)；場景建模

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0092-04

Abstract： With the development of economy， the number and scale of yachts will show a linear growth trend. The marina with berthing function is also favored by more and more users. Based on Unity3D software， this paper carries out the virtual simulation design of Zhanjiang Hongzuo Gull Marina， and demonstrates the virtual simulation design process of the marina from the aspects of terrain model import， sea surface model establishment， architectural model modeling， sky scene construction， local details decoration， etc.， providing a new direction for related research.

Keywords： Unity3D; marina; virtual simulation system; scene modeling

0? 引? 言

隨著我國船舶技術的提升、經(jīng)濟的發(fā)展及人們消費觀念的轉變，游艇作為高附加值的娛樂設施已經(jīng)成為個人或家庭的消費品，逐漸蓬勃發(fā)展并獲得關注。游艇碼頭作為其停泊設施也將有廣闊的發(fā)展前景[1]。然而游艇的設計及建造需要大量的人力、財力，在游艇設計結束后，沒有找到客戶而直接進行生產(chǎn)建造所承擔的風險是不可估量的。將虛擬仿真技術應用到游艇場景虛擬仿真上已經(jīng)成為一種新的傳播媒介，客戶對游艇的品質、設計和配置會有深刻的了解，能夠增加客戶獲取游艇信息的渠道，加大游艇吸引力，提高交易成功率，用戶對于游艇初步設計方案有最為直觀、最易理解、最簡單的理解接受方式，準確地將設計思想傳達給用戶。本文基于Unity3D軟件開展湛江紅嘴鷗游艇碼頭虛擬仿真設計，從地形模型導入、海面模型建立、建筑模型建模、天空場景構建、局部細節(jié)裝飾等方面展示游艇碼頭虛擬仿真設計過程，為相關研究提供一種新的方向。

1? Unity3D技術簡介

Unity3D是一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具[2]。作為性能優(yōu)秀的游戲模擬引擎，其在3D場景相關模塊中的功能極為豐富，可使用C#語言進行代碼編輯，建立合適的系統(tǒng)模型，通過腳本控制完成模擬游戲操作，具備完善一個虛擬仿真系統(tǒng)的絕大部分功能。

2? 案例模擬的過程

本研究設計碼頭場景為廣東省湛江市紅嘴鷗游艇碼頭的布局規(guī)劃，前期依托Blender建立部分場景模型以及貼圖繪制，在Unity3D軟件中實現(xiàn)了模型的搭建組合及第一人稱漫游功能，本研究結合Blender及Unity軟件制作虛擬仿真系統(tǒng)構建，其在效率、性能及真實性等方面皆能得到保障，建立出最佳效果。具體流程圖如圖1所示。

2.1? 地面建模

對于虛擬仿真系統(tǒng)而言，地面場景的搭建尤為重要，與其功能的實現(xiàn)相輔相成，本研究對游艇碼頭進行了實地考察以及利用網(wǎng)絡資源收集相關資料，通過對衛(wèi)星地圖中游艇碼頭的俯視圖進行截取，導入Unity3D軟件，盡可能真實還原碼頭整體布局及各個部分之間的比例和位置關系，達到更加真實的感覺；同時在實地考察中收集了各種素材照片，對地形的高低起伏進行輕微的調整，著重模擬地形中地面高度的變化、在碼頭與內岸的銜接部位等，從而完成游艇碼頭地形的建模；為了更加真實還原在游艇碼頭所看見的畫面，可以利用軟件自帶地形設置進行沙灘模型建立，以達到最真實的地面場景還原。構建碼頭地面模型如圖2所示。

2.2? 海面模型

海面的建模是在Unity3D中完成的，本質上即為一個普通的平面，通過使用插件Shader Graph可編程渲染管線著色器進行渲染。插件Shader Graph可編程渲染管線著色器很好地解決了創(chuàng)建材質的效率不高且操作比較煩瑣的問題，它使渲染的過程可視化、圖形化、簡潔化[3]。海面的材質球由著色器通過顏色、法線及表面光澤三個基礎屬性對海面進行調整。在顏色接口部分，定義合適的海水顏色屬性，并結合菲涅爾效應進行對其材質球的融合，以實現(xiàn)材質中間顏色較亮，而周圍顏色較暗地模擬海水的效果；在法線接口部分，使用兩張模擬海水波浪的法線貼圖對不同方向進行偏移設置，即可實現(xiàn)海水波浪的不規(guī)則運動效果；使用這種方法可以很真實地模擬海面波動的效果；在表面光澤接口部分，對海水表面反射的光澤強弱進行調節(jié)，并將其設置為可在預覽界面中調節(jié)的數(shù)值屬性，即可實現(xiàn)便捷地調整海水的表面光澤，模擬真實的效果[4]。模擬海面效果如圖3所示。

2.3? 建筑模型

為了高效還原碼頭的真實性，需要對中心建筑進行建模。針對案例中的中心建筑營銷中心進行建模，整個建筑呈上大下小、稍微傾斜的橢圓形，在最高層呈現(xiàn)一個三角形的落地大窗，提供客戶良好的觀景視野。在建模中，通過修改細分之后的圓柱體，對其外觀進行模擬，此處使用了Blender軟件中的切割循環(huán)邊功能，能夠快速地識別實體模型的循環(huán)邊，并快速創(chuàng)建，對建立建筑上大下小的形態(tài)幫助很大，可以真實還原其每層樓之間的高度關系，建筑高度與角色高度的比例關系效果[5]。建筑的渲染采用導出UV展開圖，并繪制貼圖的方法。由于貼圖在一個平面上并不能體現(xiàn)出陰影效果，所以應在每一個平面上明暗關系的繪制上，秉承著上亮下暗的原則進行繪制。對于反光玻璃貼圖繪制也要注意繪制出反光的效果，建筑模型效果圖如圖4所示。

2.4? 天空場景

天空場景是案例中最為重要的場景布局，為了更真實地模擬碼頭天空及遠距離的環(huán)境，并兼顧提高建模效率，在對離碼頭較遠的建筑環(huán)境進行貼圖繪制，素材來源于實地考察時的拍攝，對拍攝的照片進行拼接，并模糊邊界，再導入生成天空盒。這種方法既能更真實地模擬出碼頭現(xiàn)場的天空環(huán)境及較遠距離可視物視野，又節(jié)省了程序運行時的內存性能，是在虛擬仿真技術模塊中常用的技術方法。天空場景效果圖如圖5所示。

2.5? 局部細節(jié)裝飾

對于一個真實的場景來說，樹木、浮板及定位樁等功能物體也是不可缺少的，為場景提供了豐富的視覺效果，在建立游艇碼頭模型的過程中，應做到盡量還原場景中本身擁有的細節(jié)建模。游艇碼頭中樹木往往是場景中美化功能很高的物體，能有效地對場景進行細節(jié)豐富，在案例中使用模型樹進行旋轉及拉伸，再分別布置于地形上，創(chuàng)建出視覺上的差異，而棕樹的葉片同樣建立大致模型，做出樹葉因重力自然彎曲垂落的物理形態(tài)，模擬其綠化效果。同時使用UV展開繪制貼圖方法表現(xiàn)樹干表面不規(guī)則的形狀輪廓及樹葉紋理，要注意對葉片顏色深淺及脈絡的繪制。通往游艇?？康氐牡缆芬话愣紴楦“?，建模相對復雜，案例中將繪制貼圖的道路設置為浮動在水面上，隨水面的升降而升降，模擬出其隨水面升降的效果。在渲染上也采用繪制貼圖的方式模擬其表面的木質地板材質，定位樁在海水與空氣的交界處有氧化或水生物的寄生現(xiàn)象，在貼圖繪制中都進行了還原。此外通過對欄桿、草地、路燈、沙灘躺椅等裝飾品的繪制，在渲染方面使用貼圖模擬了其真實效果，可以完整地呈現(xiàn)游艇碼頭的局部細節(jié)。

2.6? 搭建組合

場景搭建是虛擬現(xiàn)實技術研究的基礎，整個工程以湛江紅嘴鷗游艇碼頭作為主場景，接著選擇性地建立較遠場景作為可漫游的次場景。在搭建部分中，主要的工作是將分別建立的游艇模型、碼頭模型及其他細節(jié)模型等整合起來，在Unity3D界面中進行完全的場景搭建，需要特別對模型之間的水平及垂直的相對位置關系進行合理的設置，防止出現(xiàn)模型之間穿透帶來的問題[6]。本研究中的大部分碼頭模型使用Blender建立及進行貼圖的繪制，在具有貼圖的完整模型導入Unity中時，應先將其貼圖、材質、模型等分別歸類，以提升工作效率，還應按照導入貼圖再導入模型的操作進行導入，使Unity自動識別模型上的貼圖文件，充分杜絕模型與貼圖不符的問題。在導入素材庫之后，即可進行游艇碼頭場景的搭建，模擬在場景中行動的視野范圍變化及移動位置變化，實現(xiàn)第一人稱視角的功能，使用戶享受身臨其境般地進行游艇碼頭的漫游體驗，對游艇外觀及游艇碼頭的布局進行更真實地認識及欣賞。最終效果如圖6所示。

2.7? 功能實現(xiàn)

在一個虛擬仿真漫游系統(tǒng)中，有必要對漫游功能進行描述，類似于游戲中的角色控制系統(tǒng)。本研究著重于使用Unity3D軟件的游艇碼頭虛擬仿真技術，為便于使用者身臨其境般的進行游艇碼頭的漫游體驗，對游艇外觀及游艇碼頭的布局進行更真實的認識及欣賞，系統(tǒng)建立了以第一人稱視角對整體模型進行觀察的玩家，以模擬在場景中行動的視野范圍變化及移動位置變化。

要達到第一人稱視角的功能實現(xiàn)，主要依靠掛載在模型上的腳本文件，結合Unity3D軟件中的物理模塊組件，對模型的位置及旋轉角度信息進行修改，以實現(xiàn)第一人稱的位置移動及視角隨鼠標移動進行旋轉，完成在游艇碼頭中的虛擬漫游。

本研究為目標在PC端上流暢運行的項目，在設置導出數(shù)據(jù)時，應提前設置Unity中導出到PC端模塊，并可以進行導出偏好設置，例如可調節(jié)渲染質量、可調節(jié)工程視圖為窗口，并可以設置其窗口大小，豐富整個研究工程的完善度。

2.7.1? 膠囊體水平移動

使用膠囊體模型作為可操控的玩家角色，攝像機作為他的子物體跟隨膠囊體的運動提供可視范圍。腳本文件是基于Unity3D中的膠囊體角色控制器組件來進行編寫的，它決定了角色模型的碰撞體積，角色必須要使用實體模型，對第一人稱的模擬有著重要的仿真效果

2.7.2? 膠囊體垂向移動

經(jīng)過上述Move方法運行的膠囊體模型不會自動擁有重力，導致膠囊體模型無法上下移動，缺乏虛擬漫游的真實感?；谀z囊體模型垂直方向（y方向）移動的部分不足，予以膠囊體模型重力系統(tǒng)以實現(xiàn)在垂直方向上的移動。

2.7.3? 攝像機視角轉動

設置一個膠囊體模型，作為一個常用的角色模型，同時在膠囊體的子級中設置一個攝像機，膠囊體作為攝像機的父級，在膠囊體進行移動和旋轉等行為時，可以達到攝像機自動跟隨膠囊體模型移動或轉動的效果，并適當調整攝像機與膠囊體的物理相對位置，使用攝像機照射到的畫面模擬角色親眼所見視角范圍的效果。

我們可以將攝像機想象成“眼睛”，那么在設備上的輸入輸出都是由眼睛看的構成，我們就需要對攝像機組件的旋轉屬性進行可操作的更改，通過鼠標的移動的方法來實現(xiàn)攝像機組件視角移動，獲取鼠標的移動值，轉化為攝像機組件在視角旋轉的角度，更新之后的視角屬性等于原來的視角屬性結合鼠標在軸上的移動，以達到模擬第一人稱視角的效果。

3? 結? 論

本文使用Blender軟件建立了游艇碼頭地形模型、海面模型、建筑模型，結合繪制模型貼圖完成對材質的編輯處理以及天空場景的構建，結合Unity3D虛擬開發(fā)平臺完成了游艇碼頭視景仿真，以虛擬仿真的方式進行游艇及碼頭的全貌展示，利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸式和互動性，帶給用戶身臨其境的體驗，更能使客戶以立體的角度加深對游艇碼頭的了解程度，豐富客戶、設計師及制造方三方的溝通形式，便于三方進行交流討論，為相關領域的發(fā)展提供了一種新的思路。

參考文獻：

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[3] 鄧德榮.基于Unity3D的VR交互場景設計與運行監(jiān)控 [D].廣州：華南理工大學，2018.

[4] 鄭茂琦，馬春翔，王志波，等.基于海浪譜的海浪模擬的改進 [J].系統(tǒng)仿真學報，2014，26（2）：369-375.

[5] 劉文韜.Blender 3D渲染機制研究 [D].南京：南京郵電大學，2016.

[6] 劉德建，吳玉龍，郭玉湖.基于Unity3D的場景持續(xù)構建方法、存儲介質：CN201810536785.2 [P].2018.05.30.

作者簡介：郭可盈（2001—），女，漢族，廣東廣州人，本科在讀，研究方向：船舶與海洋工程；通訊作者：王宇林（1986—），男，漢族，廣東吳川人，講師，碩士研究生，研究方向：機械設計。