汪俊峰，王星東，鄭傳海

(河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的快速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的成熟，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃、教育、娛樂、旅游等方面都取得了廣泛的應(yīng)用成果[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備建立三維虛擬空間，為使用者帶來了視覺、聽覺、觸覺等各種感觀體驗(yàn)，使其足不出戶就能身臨其境地體驗(yàn)整個(gè)三維場景[2]。

二十世紀(jì)初，“智慧地球”(smart planet)這個(gè)名詞第一次被美國提出，它具有強(qiáng)大的信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和領(lǐng)先的理念模型，在此基礎(chǔ)上三維智能數(shù)字化城市在政府的管理下取得了許多優(yōu)秀的成果[3]。2005年7月，歐盟三維智能化城市戰(zhàn)略正式全面實(shí)施[4]。在此背景下，英國和荷蘭等國家前后通過并制定了一系列比較完整的三維智能數(shù)字化城市的戰(zhàn)略體系結(jié)構(gòu)，并開始實(shí)施了一整套系統(tǒng)的解決方案[5]。一些歐洲國家比較重視三維虛擬數(shù)字化城市技術(shù)的研究與發(fā)展，為公共智能服務(wù)平臺制定了各種規(guī)劃[6]。在全球興起的“智慧風(fēng)潮”影響下，國內(nèi)一、二線城市也開始尋找適合自己的智慧社區(qū)策略[7]。2010年上海世博園的各個(gè)體系結(jié)構(gòu)完美地呈現(xiàn)了全球“智慧城市”的高新水平，一躍領(lǐng)先于國內(nèi)其他城市[8]。盡管如此，國內(nèi)三維智能數(shù)字化社區(qū)建設(shè)的研究仍然處于初始階段，還不能形成完整的體系結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐中也缺乏能夠借鑒的成功案例[9]。

1 需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

傳統(tǒng)的社區(qū)管理主要是通過人為的物業(yè)管理和工作人員在社區(qū)內(nèi)實(shí)地工作，需較多的勞動(dòng)力，并且存在工作效率低下的問題，社區(qū)工作難以有效推進(jìn)。而智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)可以使社區(qū)管理者對社區(qū)進(jìn)行合理有效的管理，讓社區(qū)管理趨向于三維智能化、可視化，與此同時(shí)也可以為社區(qū)的居民提供更智能、便捷的社區(qū)公共服務(wù)[10]。

智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)包括社區(qū)場景模型、虛擬漫游功能、社區(qū)每棟樓每一單元信息查詢、社區(qū)路燈智能管理、社區(qū)導(dǎo)航定位功能、社區(qū)語音介紹等模塊。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的三維場景模型是通過3ds Max建模軟件制作完成的。虛擬漫游通過Unity 3d引擎的第一人稱角色控制器組件來實(shí)現(xiàn)，通過鍵盤與鼠標(biāo)來控制視角，從而實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中漫游的效果。社區(qū)路燈智能管理為社區(qū)管理者提供三維可視化查詢功能，實(shí)現(xiàn)社區(qū)中所有路燈的位置定位和基本屬性信息的查詢功能。社區(qū)語音介紹功能是在社區(qū)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)語音播放功能，給用戶聽覺上的享受，從而對社區(qū)有進(jìn)一步的了解。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本流程如下：

(1)利用3ds Max軟件對社區(qū)的地物進(jìn)行建模。

(2)把模型導(dǎo)入到Unity 3d引擎中，添加環(huán)境光，設(shè)置陰影顯示，從而使整個(gè)三維場景都能有陰影的效果，增加真實(shí)感。

(3)通過第一人稱角色在智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)漫游功能。

(4)通過數(shù)據(jù)庫和編程實(shí)現(xiàn)社區(qū)中每棟樓的每一單元住戶信息查詢顯示和路燈位置定位以及基本屬性查詢功能。

(5)通過數(shù)據(jù)庫和編程實(shí)現(xiàn)社區(qū)位置的導(dǎo)航定位和社區(qū)智能語音介紹的功能。

2 三維場景構(gòu)建

三維模型是社區(qū)三維場景中較重要的一部分，三維模型利用3ds Max三維建模軟件設(shè)計(jì)，其中后期的紋理貼圖則直接影響到模型的真實(shí)度[11]。模型不能過于簡單，過于簡單的模型的面數(shù)會很少，不能展示模型的許多細(xì)節(jié)，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是模型失真；但是建筑物的面數(shù)也不能太多，因?yàn)樘嗟拿鏁又啬Ｐ弯秩矩?fù)擔(dān)。這樣到最后會有很多高精度的模型組合在一塊，用戶在客戶端進(jìn)行漫游時(shí)就會產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象，進(jìn)而影響用戶的真實(shí)體驗(yàn)效果[12]。在智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)中需要建立的模型有社區(qū)住戶單元樓棟、路燈、垃圾桶、地形以及其他社區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施的三維模型等。對于那些簡單的規(guī)則建筑物，可直接用紋理貼圖來制作完成，建立簡單的模型；而對于那些比較復(fù)雜的模型，就需要進(jìn)行比較復(fù)雜的建模，所以需要通過大量的面片來表現(xiàn)真實(shí)的建筑物。

2.1 模型制作

根據(jù)收集到的信息在3ds Max軟件中進(jìn)行模型的制作，建立社區(qū)中每棟樓的外觀。根據(jù)樓棟外觀創(chuàng)建出樣條線拉出樓層，還有社區(qū)中的一些公共設(shè)施的模型，如路燈、社區(qū)垃圾桶等。把前期處理后的照片紋理賦予模型，展示社區(qū)的完整真實(shí)面貌。

2.2 模型導(dǎo)入

不同軟件建立的模型導(dǎo)入到Unity 3d中都要求一定的格式，3ds Max軟件建立的模型要以FBX文件格式才能導(dǎo)入，模型導(dǎo)入可能會造成模型貼圖的丟失，所以將模型從3ds Max中導(dǎo)出時(shí)需要注意以下問題：

(1)嵌入的媒體：如果不選擇該項(xiàng)，3ds Max對模型的導(dǎo)出不包括貼圖資源，只有貼圖路徑的引用，不能真正地導(dǎo)出含有貼圖的模型，貼圖的資源路徑和名稱也不能是中文。

(2)單位設(shè)置：默認(rèn)情況下，3ds Max軟件導(dǎo)出的模型再導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3d中模型尺寸放大了100倍。因此可以在Unity 3d下Inspector面板中修改Scale Factor的值進(jìn)行調(diào)整。還可以在3ds Max建模時(shí)設(shè)置基本單位為厘米。

(3)軸心設(shè)置：3ds Max導(dǎo)出的模型導(dǎo)入到Unity 3d中總會出現(xiàn)軸向不符合要求的情況，要經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)。查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，模型導(dǎo)入后軸向會自動(dòng)偏轉(zhuǎn)，在Unity 3d中y軸是朝上的[13]。所以在導(dǎo)出時(shí)選擇軸轉(zhuǎn)向?yàn)閦軸向上。最重要的是在模型導(dǎo)出時(shí)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。

2.3 虛擬場景構(gòu)建

在整個(gè)智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的建立過程中，可以在制作三維模型的同時(shí)，將模型導(dǎo)入到Unity 3d軟件中，這樣做的目的是可以及時(shí)查看制作出的模型導(dǎo)入后的效果。把模型導(dǎo)入到Unity 3d引擎軟件之前，首先需要把場景中用到的所有貼圖全部導(dǎo)入到系統(tǒng)相應(yīng)的文件夾下，然后在Unity 3d的模型庫中選擇適合的模型，調(diào)整尺寸以及顏色。在智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的構(gòu)建制作過程中，可以修改調(diào)整建筑物周圍的環(huán)境屬性以及場景屬性，還可以進(jìn)一步調(diào)整光源的方向、強(qiáng)度以及陰影效果的強(qiáng)弱和抗鋸齒效果等。整個(gè)智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的設(shè)置都是為了提高校園漫游的體驗(yàn)感和用戶的真實(shí)感。

導(dǎo)入角色資源包，把第一人稱角色控制器(Rigid body FPS Controller)組件拖入到網(wǎng)格層次面板中，調(diào)整角色的位置和視角，以便場景進(jìn)入到角色的視角中。主要用到的組件有Transform、Rigid body、Capsule Collider、Rigid body First Person Controller，在這些組件中修改前進(jìn)的速度、爬坡的高度等參數(shù)，使角色能夠在場景中漫游。Capsule Collider是碰撞器，可以設(shè)置碰撞器的半徑和寬度，要想模型在場景中發(fā)生碰撞，在導(dǎo)入其他三維模型時(shí)選中模型，在檢視面板中的Generate Collider打鉤，并選擇Apply，這樣在角色控制器碰到其他物體時(shí)無法穿過。另外，角色控制器組件默認(rèn)情況下移動(dòng)鼠標(biāo)會旋轉(zhuǎn)視角，這在某種情況下會帶來很多的困擾，所以要修改Mouse Look腳本，實(shí)現(xiàn)檢測到鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)才旋轉(zhuǎn)視角，在Look Rotation()方法中當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵為真時(shí)執(zhí)行函數(shù)，其添加第一人稱控制器及其碰撞。

主要功能代碼如下：

float yRot=CrossPlatformInputManager.GetAxis("Mouse X")* XSensitivity;

float xRot=CrossPlatformInputManager.GetAxis("Mouse Y")* YSensitivity;

m_CharacterTargetRot*=Quaternion.Euler(0f,yRot,0f);

m_CameraTargetRot*=Quaternion.Euler(-xRot,0f,0f);

if(clampVerticalRotation)

m_CameraTargetRot=ClampRotationAroundXAxis(m_CameraTargetRot);

if(smooth)

{

character.localRotation=Quaternion.Slerp(character.localRotation,m_CharacterTargetRot,

smoothTime* Time.deltaTime);

camera.localRotation=Quaternion.Slerp (camera.localRotation,m_CameraTargetRot,

smoothTime* Time.deltaTime);

}

else

{

character.localRotation=m_CharacterTargetRot;

camera.localRotation=m_CameraTargetRot;

}

在三維智能社區(qū)中，存在著如垃圾桶、路燈、水電表、水龍頭等一系列的社區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施。隨著公共基礎(chǔ)設(shè)施的日益增多，傳統(tǒng)的社區(qū)管理方式會暴露出效率低下、浪費(fèi)大量勞動(dòng)力資源等問題[14]。這些方式不能對設(shè)備進(jìn)行智能有效的管理，人工釆集的數(shù)據(jù)會存在誤差，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一管理[15]。在此背景下，三維虛擬社區(qū)應(yīng)運(yùn)而生，它集合社區(qū)的規(guī)劃、智能化管理以及居民的生活狀況為一體[16]。三維虛擬社區(qū)是數(shù)字化社區(qū)的重要內(nèi)容，它突破了現(xiàn)實(shí)空間的局限性，能夠直觀形象地展示三維社區(qū)場景。該系統(tǒng)以社區(qū)中的樓棟單元、垃圾桶、路燈作為管理基礎(chǔ)，并且能夠查詢和展示每個(gè)單元的住戶信息以及路燈基本屬性信息，從而實(shí)現(xiàn)社區(qū)設(shè)施的智能化管理。另外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了社區(qū)的導(dǎo)航功能，可節(jié)約住戶時(shí)間。

3 系統(tǒng)功能展示

3.1 路燈導(dǎo)航定位及屬性查詢功能

3.1.1 路燈導(dǎo)航定位功能

該系統(tǒng)是通過手動(dòng)輸入社區(qū)路燈具體編號來實(shí)現(xiàn)查詢的功能，圖2是查詢系統(tǒng)的初始化界面。根據(jù)社區(qū)物業(yè)給路燈的不同編號，手動(dòng)輸入路燈編號后，系統(tǒng)會自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至該對應(yīng)路燈下，實(shí)現(xiàn)路燈的定位功能。

圖2 進(jìn)入查詢系統(tǒng)界面

主要功能代碼如下：

GameObject.Find("RigiBodyFPSController").transform.position=GameObject.Find("deng/"+inputfield.text).transform.position;

3.1.2 路燈屬性查詢功能

路燈基本屬性功能查詢的實(shí)現(xiàn)，首先屬性信息的顯示是通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建Streelight表(見圖3)，輸入NO(路燈編號)、Power(路燈功率)、Lifelength(路燈使用壽命)、Changeovertime(路燈更換時(shí)間)等屬性信息。再通過Query腳本實(shí)現(xiàn)路燈基本屬性查詢的功能。

主要功能代碼如下：

public Text text1;

圖3 Streelight屬性表

public Text text2;

public Text text3;

public Text text4;

public InputField inputfield;

public Imageaaaa;

private GameObject Roadlight;

public GameObject person;

private Vector3 offset;

static string path="Data Source="+"C:/Users/用戶名/Documents/New Unity Project/Assets/mydatabase2.sqlite";

SqliteConnection connection = new SqliteConnection(path);

private bool IsFind=false;

void Start()

{

offset=new Vector3(0,50,30);

}

public void Load()

{

GameObject.Find("RigidBodyFPSController").transform.position=GameObject.Find("deng/"+inputfield.text).transform.position;

//建立一個(gè)連接

connection.Open(); //打開連接

SqliteCommand command=new SqliteCommand(connection);//建立一個(gè)對連接的管理

stringstr="select ID,No,Power,Lifelength,Changeovertime from Streetlight";//

command.CommandText=str;

SqliteDataReader reader=command.ExecuteReader();

while(reader.Read())

{

if(inputfield.text==reader[1].ToString())

{

text1.text=reader[1].ToString();

text2.text=reader[2].ToString();

text3.text=reader[3].ToString();

text4.text=reader[4].ToString();

aaaa.gameObject.SetActive(true);

break;

}

}

connection.Close();

}

3.2 社區(qū)單元住戶信息查詢

該系統(tǒng)的社區(qū)樓棟屬性查詢是直接通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊社區(qū)樓棟社區(qū)中的每棟單元樓，系統(tǒng)會直接查詢該樓棟單元的，例如該樓棟單元ID、業(yè)主名字、老人數(shù)量、小孩數(shù)量以及租戶數(shù)量等。其中住戶信息的顯示是通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的，再通過QueryClass腳本實(shí)現(xiàn)樓棟基本屬性查詢的功能。

主要功能代碼如下：

public staticQueryClass instance;

public UILabel labID;

public UILabel labzhuhu;

public UILabel lablaoren;

public UILabel labxiaohai;

public UILabel labzuhu;

static string path1="Data Source="+"G:/論文/mydatabase3.sqlite";

SqliteConnection connection1=new SqliteConnection(path1);

private bool IsFind=false;

void Start()

{

instance=this;

}

public void Load(string tag )

{

//建立一個(gè)連接

connection1.Open();//打開連接

SqliteCommand command=new SqliteCommand(connection1);//建立一個(gè)對連接的管理

stringstr="select NO,zhuhu,laoren,xiaohai,zuhu from shuxing";//

command.CommandText=str;

SqliteDataReader reader=command.ExecuteReader();

while(reader.Read())

{

if(ta ==reader[0].ToString())

{

labID.text=reader[0].ToString();

labzhuhu.text=reader[1].ToString();

lablaoren.text=reader[2].ToString();

labxiaohai.text=reader[3].ToString();

labzuhu.text=reader[4].ToString();

break;

}

}

connection1.Close();

}

}

3.3 社區(qū)單元導(dǎo)航定位功能

社區(qū)內(nèi)導(dǎo)航定位功能使用戶能夠準(zhǔn)確地定位社區(qū)每個(gè)單元的位置。該系統(tǒng)的位置導(dǎo)航功能有兩種：一種是通過下拉框的形式，準(zhǔn)確定位社區(qū)中每棟單元樓的位置，以第一人稱的視角帶領(lǐng)用戶沿著最近路線走到單元樓下；另一種是通過鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊目的地，系統(tǒng)會直接導(dǎo)航到終點(diǎn)位置；最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

主要功能代碼如下：

private UnityEngine.AI.NavMeshAgent agent;

public UILabel pop;

private string lab;

public GameObject pos1;

public GameObject pos2;

public GameObject pos3;

void Start () {

agent=GetComponent();

}

void Update () {

if(Input .GetMouseButtonDown(1) )

{

Ray ray=new Ray();

Ray=Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

if(Physics.Raycast(ray, out hit))

{

Vector3 pos=hit.point;

pos.y=transform.position.y;

agent.destination=pos;

}

}

if(pop.text=="fiveth")

{

Ray ray=new Ray();

ray=Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

if(Physics.Raycast(ray, out hit))

{

agent.destination=pos2.transform.position;

}

}

if(pop.text=="ninth")

{

Ray ray=new Ray();

ray=Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

RaycastHit hit;

if(Physics.Raycast(ray,out hit))

{

agent.destination=pos3.transform.position;

}

}

}

}

3.4 社區(qū)語音智能介紹

在Unity 3d平臺上，通過播放一段關(guān)于金城灣社區(qū)的背景語音說明，從而能夠更加具體地了解該小區(qū)，并且能夠給人們一種聽覺上的享受(手動(dòng)按鍵盤“B”鍵為語音的播放鍵，“P”鍵為語音的播放暫停鍵)。

主要功能代碼如下：

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.B))

{

Sound.instace.PlayBG("ef2");

}

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.N))

{

Sound.instace.PlayBG("bg2");

}

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.KeypadPlus))

{

Sound.instace.BGVolume+=0.1f;

}

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.KeypadMinus))

{

Sound.instace.BGVolume-=0.1f;

}

if(Input.GetKeyDown(KeyCode.P))

{

Sound.instace.BGMute();}

3.5 功能實(shí)現(xiàn)與概述

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了社區(qū)每個(gè)單元和路燈的智能導(dǎo)航及屬性信息的顯示、智能語音介紹等功能，在Unity中做好發(fā)布的準(zhǔn)備后點(diǎn)擊Build按鈕，選擇發(fā)布的位置，Unity會在相應(yīng)的文件夾下生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件夾和一個(gè).exe可執(zhí)行的文件。點(diǎn)擊.exe文件運(yùn)行生成金城灣社區(qū)智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)，系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行，而且操作界面友好。

以下是智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)的相關(guān)功能展示。

(1)路燈位置查詢功能。

輸入要查詢的路燈ID，系統(tǒng)即可自動(dòng)定位到目標(biāo)的路燈位置。例如，路燈004的位置定位效果，如圖4所示。

(2)路燈屬性信息查詢功能。

在找到的目標(biāo)路燈上，右鍵點(diǎn)擊路燈，即可查詢路燈的編號、功率、生命周期和上次更換的時(shí)間等相關(guān)信息。例如，路燈005的屬性信息查詢，如圖5所示。

圖4 路燈004的位置查詢

圖5 路燈005屬性查詢

(3)社區(qū)單元住戶信息查詢功能。

在需要查詢的單元住戶信息的單元上，直接通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊社區(qū)樓棟社區(qū)中的單元樓，即可查詢該樓棟單元的單元ID、業(yè)主名字、老人數(shù)量、小孩數(shù)量以及租戶數(shù)量等。圖6所示為9號單元樓的住戶信息。

圖6 9號單元樓的住戶信息

(4)社區(qū)單元導(dǎo)航定位功能。

一種通過下拉框的形式，準(zhǔn)確定位社區(qū)中每棟單元樓的位置，以第一人稱的視角帶領(lǐng)用戶沿著最近路線走到單元樓下；另一種通過鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊目的地，系統(tǒng)會直接導(dǎo)航到終點(diǎn)位置；最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。

(5)智能社區(qū)語音介紹功能。

運(yùn)行系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動(dòng)播放金城灣社區(qū)的語音介紹背景音樂，增加系統(tǒng)的趣味性。

4 結(jié)束語

通過使用Photoshop圖片處理軟件處理紋理貼圖，3ds Max三維建模軟件制作社區(qū)建筑物、地形、樹木等社區(qū)的三維模型，Unity 3d三維引擎軟件對整個(gè)場景進(jìn)行后期編輯、導(dǎo)航定位、屬性查詢功能開發(fā)，構(gòu)建智能社區(qū)三維展示系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可以讓用戶在計(jì)算機(jī)上通過地面瀏覽進(jìn)行漫游，還可以實(shí)現(xiàn)對社區(qū)樓棟每個(gè)單元住戶的信息顯示和路燈位置屬性信息的查詢及顯示，使用戶在虛擬漫游系統(tǒng)中有很強(qiáng)的真實(shí)感。該系統(tǒng)一定程度上減輕了管理人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率，但仍需對系統(tǒng)的界面和功能進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。