王剛

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430070）

基于Unity3d的碼頭三維可視化安卓應(yīng)用

王剛

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430070）

三維可視化是在三維設(shè)計(jì)中常用的設(shè)計(jì)技術(shù)，移動(dòng)通信是工作生活中最方便快捷的技術(shù)。將三維可視化和移動(dòng)通訊應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，在方案展示，協(xié)同設(shè)計(jì)，施工模擬等方面具有創(chuàng)新的意義。文章基于Unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Revit作為三維模型設(shè)計(jì)工具，C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，完成了碼頭三維可視化系統(tǒng)在安卓上的開(kāi)發(fā)研究。在實(shí)際研究過(guò)程中提出了基于移動(dòng)平臺(tái)的三維可視化流程與方法。

碼頭;三維設(shè)計(jì);Android;Unity3d

目前市場(chǎng)上的主要工程設(shè)計(jì)工具都具有內(nèi)置或在線的可視化功能，以便在設(shè)計(jì)流程中快速實(shí)現(xiàn)三維可視化及信息交流。也可以使用專(zhuān)業(yè)可視化工具（如3dMax軟件）來(lái)制作高度逼真的效果及特殊動(dòng)畫(huà)效果，來(lái)實(shí)現(xiàn)三維可視化，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與展示的需要。

隨著移動(dòng)端應(yīng)用在工作生活中的廣泛應(yīng)用,如手機(jī)導(dǎo)航，手機(jī)銀行，掌上辦公等各行各業(yè)的應(yīng)用迅速發(fā)展，成為未來(lái)發(fā)展潮流。移動(dòng)設(shè)備性能不斷提升，三維可視化移動(dòng)應(yīng)用成為可能，已率先應(yīng)用在房地產(chǎn)等發(fā)展較快的領(lǐng)域，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有深遠(yuǎn)影響。因此港口碼頭移動(dòng)可視化研究非常必要。

本文基于Unity3d開(kāi)發(fā)了一個(gè)碼頭的三維可視化系統(tǒng)，并運(yùn)行在移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)成果的交互式漫游。本方法不僅能夠展現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，滿(mǎn)足移動(dòng)便攜需求，而且可以實(shí)時(shí)互動(dòng)，使三維可視化更加靈活，為港口碼頭三維可視化探索了新的技術(shù)路線，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 技術(shù)流程

1.1 平臺(tái)選擇

實(shí)現(xiàn)三維可視化在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用，選擇合適的平臺(tái)及開(kāi)發(fā)技術(shù)是快速實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的前提。

目前市場(chǎng)上的能夠滿(mǎn)足三維可視化需求的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)主要有，Unity3d，UnrealEngine4,CryEngine3, Quest3d等。對(duì)這些三維可視化工具的功能進(jìn)行研究比較，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇Unity3d作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）跨平臺(tái)：支持Windows,Mac,IOS,Android等系統(tǒng)平臺(tái)；（2）模型支持：支持FBX直接導(dǎo)入，自動(dòng)分割網(wǎng)格面；（3)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：支持JS，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，周期短，效率高；（4）程序發(fā)布：軟件自帶打包工具，可以直接打包成PC、IOS、Android應(yīng)用程序。

除此之外Unity3d平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)技術(shù)，模型和代碼相對(duì)獨(dú)立，程序移植擴(kuò)展方便，可以縮短開(kāi)發(fā)周期，另外學(xué)習(xí)資源豐富，新開(kāi)發(fā)人員也能快速掌握，方便技術(shù)推廣。

1.2 需求及框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)目標(biāo)是在移動(dòng)平臺(tái)上展示三維碼頭，并實(shí)現(xiàn)三維交互式漫游。主要需求包括三維展示，交互漫游，支持安卓三個(gè)方面。這三方面是系統(tǒng)功能需求，必須滿(mǎn)足和實(shí)現(xiàn)。除此之外還有非功能需求，其主要包括模型精度和美觀程度，場(chǎng)景設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面，擴(kuò)展性等，這些功能不作詳細(xì)要求，開(kāi)發(fā)者自由發(fā)揮。

針對(duì)需求進(jìn)行分析歸納，系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

每個(gè)模塊負(fù)責(zé)的角色有：（1）數(shù)據(jù)支撐：系統(tǒng)的最基本底層支持，展現(xiàn)給用戶(hù)的最終要素，本項(xiàng)目中是油碼頭模型及周?chē)h(huán)境因素；（2）技術(shù)支持∶系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成管理，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，是系統(tǒng)運(yùn)行的核心，本項(xiàng)目主要實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景展示，交互漫游等功能；（3）硬件支撐：系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺(tái)，本項(xiàng)目采用手機(jī)作為硬件設(shè)備；（4）應(yīng)用層：項(xiàng)目的終端運(yùn)行，最終成果，本項(xiàng)目為安卓系統(tǒng)上的應(yīng)用程序。

1.3 開(kāi)發(fā)流程

三維可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程是本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容，針對(duì)項(xiàng)目的整體構(gòu)架，程序?qū)崿F(xiàn)流如圖2所示。

項(xiàng)目流程主要包括，模型準(zhǔn)備、場(chǎng)景制作、程序編寫(xiě)、調(diào)試發(fā)布四個(gè)階段：（1）模型制作，通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)建模工具，建立碼頭模型；（2）場(chǎng)景設(shè)計(jì)，模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d進(jìn)行場(chǎng)景制作，添加環(huán)境，景觀因素；（3）程序編寫(xiě)，根據(jù)需求編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)交互以及移動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；（4）調(diào)試發(fā)布，制作最終成果，形成安卓應(yīng)用程序。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1System architecture

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2System flow chart

圖3 模型組成Fig.3Model of the project

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 模型準(zhǔn)備

本項(xiàng)目是油碼頭，主要內(nèi)容包括碼頭部分和管廊部分。碼頭部分主要包括沉箱、墩臺(tái)、橋臺(tái)、鋼橋和操作平臺(tái)。模型的模型結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

模型是通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)的三維模型，文章主要介紹模型后期三維可視化流程，模型設(shè)計(jì)制作不做詳細(xì)論述。根據(jù)三維可視化制作流程，將項(xiàng)目各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行整合，從Revit里將整個(gè)模型導(dǎo)出，格式為FBX。

將模型導(dǎo)入3DMAX，主要對(duì)材質(zhì)進(jìn)行檢查修改，要讓項(xiàng)目的可視化效果更好，材質(zhì)更真實(shí)準(zhǔn)確，本項(xiàng)目對(duì)所有模型的材質(zhì)進(jìn)行重新賦值，按照建模標(biāo)準(zhǔn)，賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，并進(jìn)行渲染測(cè)試，直至渲染效果滿(mǎn)意為止。本環(huán)節(jié)是可視化的主要環(huán)節(jié)，材質(zhì)的處理情況直接影響可視化最終效果。

2.2 場(chǎng)景搭建

將3DMAX處理好的模型導(dǎo)出，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d進(jìn)行場(chǎng)景搭建。主要需添加海洋和天氣系統(tǒng)等環(huán)境要素，并對(duì)碼頭模型進(jìn)行檢查，對(duì)模型有誤或材質(zhì)不當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行修改編輯或者替換。

添加海水。在Unity3d中系統(tǒng)自帶海水模型，但效果較差，為了讓整個(gè)項(xiàng)目展示效果得到提高，本項(xiàng)目采用插件Tasharen Water。將插件包導(dǎo)入到項(xiàng)目中，調(diào)整位置和大小比例，調(diào)整到碼頭適合水位高程，調(diào)節(jié)海水材質(zhì)顏色，反射折射等。

添加天空盒。調(diào)整太陽(yáng)高度和角度，設(shè)置光線顏色以及亮度等參數(shù)。反復(fù)調(diào)試直至場(chǎng)景內(nèi)的各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)清晰，材質(zhì)逼真，光線角度美觀合理，并接近真實(shí)。系統(tǒng)整合如圖4所示。

2.3 第三人

實(shí)現(xiàn)交互漫游，主要有第一人視角，第三人視角，以及上帝視角。在本項(xiàng)目中采用第三人視角。主要原因有兩點(diǎn)：

（1）應(yīng)用廣，效果好，常見(jiàn)的三維游戲以及虛擬現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常采用。

（2）視角靈活，方便控制，模型相對(duì)位置清晰，適合小場(chǎng)景。

第三人是本系統(tǒng)的核心部分，漫游與鏡頭都圍繞第三人實(shí)現(xiàn)。Unity3d自帶第三人的模塊，在軟件項(xiàng)目瀏覽器目錄STAND ASSETS里面，將第三人拖到碼頭平臺(tái)，放在合適的位置，調(diào)整比例及方向，運(yùn)行測(cè)試查看是否正常。在測(cè)試運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)人物往下墜落，原因是默認(rèn)人物有重力，而平臺(tái)沒(méi)有支撐。需要給平臺(tái)添加碰撞。Unity3d內(nèi)置動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，可以模擬靜態(tài)動(dòng)態(tài)等受力以及碰撞，可以做出接近實(shí)際的運(yùn)動(dòng)效果。

給平臺(tái)添加網(wǎng)格碰撞，這樣人物在重力和支撐力的作用下平衡，可以平臺(tái)上行走，而不會(huì)掉到海里。在Unity3d中，有很多碰撞形式，盒子碰撞，地形碰撞，網(wǎng)格碰撞等，網(wǎng)格碰撞可以直接使用所選的網(wǎng)格作為碰撞，適用于導(dǎo)入的模型。這里就分別選中平臺(tái)欄桿等可能碰撞的物體添加網(wǎng)格碰撞，然后進(jìn)行測(cè)試，給碼頭上所有可能涉及到的模型都添加碰撞，在此模型準(zhǔn)備已經(jīng)基本完成。

圖4 Unity場(chǎng)景Fig.4Scene in Unity3d

2.4 界面設(shè)計(jì)

界面是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的布局。主要遵循簡(jiǎn)潔、實(shí)用、滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。界面包括程序主界面布置，程序LOGO，加載畫(huà)面，以及移動(dòng)和鏡頭控制按鈕，本項(xiàng)目通過(guò)Photoshop分別制作移動(dòng)控制和鏡頭控制按鈕，然后添加到Unity3d中。

Unity3d界面設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)不同，Unity3d界面就是鏡頭所看到的范圍的投影。將移動(dòng)按鈕和鏡頭按鈕放置在鏡頭范圍的左下和右下。設(shè)置坐標(biāo)參數(shù)，運(yùn)行測(cè)試，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，直到測(cè)試位置滿(mǎn)意為止。

2.5 程序編碼

程序編碼是本系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)如何控制碼頭的漫游。在PC上實(shí)現(xiàn)交互漫游比較簡(jiǎn)單。但在移動(dòng)客戶(hù)端通過(guò)觸屏來(lái)控制，不僅需要在Unity3d中編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)漫游交互，還需要調(diào)用安卓系統(tǒng)API，通過(guò)觸屏事件來(lái)對(duì)模型進(jìn)行操作。為了快速實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目采用觸摸功能插件easyTouch。

（1）移動(dòng)控制。采用第三人的形式對(duì)模型進(jìn)行漫游瀏覽。將插件載入到項(xiàng)目環(huán)境中，將移動(dòng)虛擬手柄拖進(jìn)項(xiàng)目瀏覽器，調(diào)整屬性和參數(shù)。然后將插件的移動(dòng)觸摸按鈕添加關(guān)聯(lián)到場(chǎng)景中的第三人。設(shè)置屏幕中的位置，然后設(shè)置移動(dòng)控制插件的移動(dòng)速度，旋轉(zhuǎn)速度，以及鏡頭角度和高度變換的速度，設(shè)置完成后進(jìn)行調(diào)試，反復(fù)修正參數(shù)，然后對(duì)編輯代碼，并根據(jù)調(diào)試的槍口進(jìn)行修改，直至滿(mǎn)足要求。

（2）鏡頭控制。鏡頭的角度，距離實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的環(huán)視，放大，縮小等查看。移動(dòng)相機(jī)虛擬手柄拖到項(xiàng)目中，設(shè)置參數(shù)關(guān)聯(lián)目標(biāo)當(dāng)前場(chǎng)景中的主鏡頭，調(diào)整對(duì)齊方式和位置參數(shù)，調(diào)節(jié)鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試，反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整參數(shù)到合適的數(shù)值，也可以編輯代碼，做相應(yīng)修改，以達(dá)到滿(mǎn)意的視覺(jué)效果和使用功能。

下面是程序的部分控制代碼：

控制移動(dòng)的部分代碼。代碼主要實(shí)現(xiàn)手指觸摸屏幕來(lái)改變鏡頭的方向和角度，控制第三人移動(dòng)的視角，展示視角內(nèi)的三維模型。

控制觸摸的部分代碼。通過(guò)獲取屏幕觸摸的方向和快慢來(lái)控制鏡頭的高低和遠(yuǎn)近，包括環(huán)視，放大縮小等功能。

3 系統(tǒng)發(fā)布

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

首先在Unity3d里對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，主要包括對(duì)場(chǎng)景第三人的控制，鏡頭的拖拉移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，然后在安卓模擬器上測(cè)試程序是否能在安卓正確運(yùn)行，并且功能符合需求，如有錯(cuò)誤或功能不符，應(yīng)進(jìn)行修改。

對(duì)項(xiàng)目在Unity3d進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，包括代碼以及場(chǎng)景，場(chǎng)景主要是模型，環(huán)境。編碼主要是第三人的控制，包括移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，鏡頭的拖拉、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。運(yùn)行程序測(cè)試鏡頭和移動(dòng)的運(yùn)行效果，反復(fù)調(diào)試直至滿(mǎn)意為止。

安卓模擬器能在電腦上模擬安卓手機(jī)系統(tǒng)，模擬安裝、使用、卸載等所有安卓系統(tǒng)功能，在電腦上就可以實(shí)現(xiàn)操作安卓系統(tǒng)的全過(guò)程。因此通過(guò)它來(lái)調(diào)試程序，能夠節(jié)省時(shí)間，加快效率，方便修改。調(diào)試完成后再打包安裝到真機(jī)上。

3.2 程序發(fā)布

在可視化系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作及主要編碼工作都已經(jīng)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)布，形成最終的安卓應(yīng)用程序。

保證程序調(diào)試完整，模擬器上運(yùn)行正確無(wú)誤。然后通過(guò)Unity3d的打包工具制作安裝包。在制作安裝包的過(guò)程中要注意有以下幾點(diǎn)：（1）安卓運(yùn)行環(huán)境配置正確，Unity3d需要通過(guò)安卓環(huán)境，生成安卓應(yīng)用程序；（2）在發(fā)布需要注意設(shè)置安卓運(yùn)行參數(shù)，包括程序名稱(chēng)、橫豎屏、版本等；（3）設(shè)置程序歡迎界面，LOGO等。最后就可通過(guò)Unity3d一鍵打包生成APK格式的安卓應(yīng)用程序安裝包，可以拷貝到任何安卓系統(tǒng)的設(shè)備上安裝運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究主要目的是探索Unity3d在三維設(shè)計(jì)可視化中的可行性和應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)本課題的研究，通過(guò)研究總結(jié)得出移動(dòng)可視化是三維設(shè)計(jì)可視化新的應(yīng)用方案，在方案設(shè)計(jì)，施工管理，運(yùn)營(yíng)維護(hù)等領(lǐng)域有指導(dǎo)意義。還可以基于Unity3d進(jìn)行擴(kuò)展，如通過(guò)交互動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)工藝流程，結(jié)合二維碼進(jìn)行施工運(yùn)維，結(jié)合GPS定位進(jìn)行船隊(duì)調(diào)度等。運(yùn)用Unity3d進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)將給工程設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)巨大變化，提高企業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)行業(yè)信息化進(jìn)程。

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Android application of 3D visualization based on Unity3d in dock

WANG Gang
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430070,China）

3D visualization,as a usual designing technology,together with the mobile communication technolo?gy as a convenient and efficient technology,enjoys a broad marketing share in scheme presentation,collaborative design,and construction simulation.Based on Unity3d development platform,a development research on terminal 3D visualization system in Android system was presented in this paper,with REVIT designing tool,C#as develop?ing language.After research,the 3D visualization presentation technology on mobile platform was proposed.

dock;3D design;Android;Unity3d

P 204

A

1005-8443（2015）05-0456-05

2015-02-10；

2015-03-24

王剛(1982-)，男，陜西省人，工程師，主要從事三維技術(shù)、BIM設(shè)計(jì)技術(shù)方面工作。

Biography：WANG Gang（1982-），male,engineer.