基于地铁轨道交通环控系统的虚拟现实与仿真关键技术研究

　　摘要：本文以地铁轨道交通环控系统项目为例，对虚拟现实与仿真关键技术进行了开发流程论述：提出了符合虚拟现实与仿真项目的模型制作规范;分别介绍了3ds Max和Unfold3D软件制作UV的技巧;针对纹理贴图详细阐述了AO贴图与高真实感的PBR材质制作流程;最后论述了UGUI控件、Unity3D功能组件以及C#脚本语言在地铁轨道交通环控系统项目开发中的作用。本文的研究对于虚拟现实与仿真项目的开发具有较好的理论指导和实际操作借鉴意义。

　　关键词：虚拟现实与仿真;Polygon建模;展UV;纹理制作;Unity3D

　　随着计算机软硬件技术的快速发展，特别是5G技术即将到来之际，虚拟现实与仿真技术被广泛地应用于教育教学与培训、工业高端制造、能源安全作业仿真、建筑工程展示、虚拟博物馆、生态旅游展示等各行各业。如国家电网上海市电力公司市北供电公司进行的电力培训虚拟现实系统的开发，使受训人员佩戴虚拟现实设备完整地学习电力作业流程、操作电力设备，完成现实中需要培训的危险工作[1];西安石油大学霍爱清教授将虚拟现实与仿真技术运用于钻井工程三维动态仿真，取得良好效益[2]。深圳地铁轨道交通环控系统虚拟现实与仿真系统是深圳同立方科技公司和我校合作开发项目，运用3ds Max对地铁轨道交通环控系统进行设备对象和场景搭建，运用Unfold3D对模型进行展UV，运用Unity3D进行系统互动开发从而实现整个环控系统的仿真使用。本文主要讨论地铁轨道交通系统内部虚拟仿真模型建构、Unfold3D展UV、纹理贴图制作、AO及法线贴图烘焙以及模型在虚拟交互开发引擎中的应用等相关关键技术。

　　1 Polygon建模技术

　　一般来说主流的3D建模软件是3ds Max和Maya，3ds Max在游戏、虚拟现实、室内设计与建筑等领域运用比较广泛，本项目采用3ds Max的Polygon(多边形)建模方式，将对象转化为可编辑多边形对象，对顶点、线、面等进行编辑和修改实现建模过程。从技术来说，Polygon(多边形)建模方式容易操作和掌握，也可以通过添加线条不断细分对象，完成复杂模型的建构。根据深圳地铁轨道交通环控系统项目需求，该系统需要建立包含公共区、设备管理用房、车站隧道、区间隧道、站厅层、站台层以及相关设备和物件的虚拟仿真模型。大量的场景模型在实时的虚拟现实和仿真系统中运行必然占用计算机的运算资源，这就要求模型建构不同于一般的動画制作和室内外建筑装饰设计，必须高效简洁，符合以下模型制作规范：

　　(1) 确定模型定位标准和统一单位设置、命名规则。一般来说这个标准是CAD底图，根据CAD底图区域确定模型的位置，导入到3ds Max的CAD底图放在原点(0，0，0)的位置。统一的单位设置和命名规则，方便项目组成员互相调用、协作合作，提高开发效率。

　　(2)精简面数。在尽可能展现模型的精美程度下使用最少的面数，将场景和对象多余的面以及看不到的面删除，如车站墙体的底部和靠墙物体的背面，以便提高贴图的利用率和交互场景的运行速度。

　　(3)规范布线。优化线面，避免产生大于四边的面，模型无废点废线、布线符合结构表现需要。

　　(4)塌陷模型。在模型经过纹理贴图后遵循“一场景一物体”原则将模型塌陷，相邻之间类似的模型可以塌陷成一个物体，塌陷时注意碰撞检测空间，如果相邻物体之间有通行行为或交互活动则不可以塌陷。

　　2 展UV技术

　　展UV直接决定贴图的绘制，好的UV可以使贴图绘制更加方便和高效。地铁轨道交通环控系统场景多样，物件数量类型不同，合理安排和利用不同技术展UV有利于纹理贴图绘制和缩短项目开发周期。

　　对于车站、站厅、设备房等大型建筑类场景，由于结构比较方正，直接利用3ds Max中的UV编辑器进行编辑，过程中注意后期重复贴图的部位将UV重叠在一起，原则上遵循“一场景一贴图”，对于硬边过渡的模型，如墙体地面等使用自动展开，软边复杂模型手动指定模型接缝，使用剥皮技术摊平处理;对于虚拟场景中动画漫游角色和少数复杂形状的模型，采用Unfold3D软件技术进行展UV，将3ds Max中建好的模型导出Obj或Fbx格式，再输入Unfold3D软件进行展UV。Unfold3D提供直观、快速、可扩展、高质量的UV展开技术[3]，需注意的是模型不能出现多余的点、重叠的面等错误，可以利用3ds Max修改器中的STL Check修改器来检查模型导出时可能出现的错误，修正后再导入使用。

　　3 纹理贴图制作技术

　　地铁轨道交通环控系统虚拟现实与仿真系统最直观的体现是对真实环境的再现，通过计算机技术模拟真实场景，首先要求视觉上的高真实感。这就要求场景和物件对象的模型和实际对象高度一致。如果通过高模去表现，将会在实际运行中消耗大量计算资源，演示和交互不流畅，产生极差的用户体验，因而纹理贴图的制作极为重要。

　　3.1 运用Alpha贴图表现窗户、栏杆等模型对象

　　地铁车站、站台、设备房间等有大量窗户和围栏，如果都通过建模来实现，必将大量增加模型的数量和面数。对于这种有镂空效果的模型，我们通常运用Alpha贴图来实现。一般来说有两种方法：第一种是运用一张包含Alpha通道的PNG格式贴图，分别赋予给MAX中的漫反射和不透明度通道，进入不透明度通道，在位图参数中选择单通道输出为“Alpha”;第二种是运用两张贴图，一张是RGB颜色贴图，赋予给漫反射通道，另外一张是黑白图代替Alpha通道信息，赋予给不透明度通道，参数设置默认即可。值得注意的是第一种方法会留下少许白边，推荐使用第二种方法，将RGB颜色贴图的底色填充为镂空边缘相近的颜色，可以消除白色边缘瑕疵。

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