王瑜晨

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）具有很好的沉浸感、交互性和自由性，該文以安徽省宣城市宛溪河大橋?yàn)槔?，提出一種基于Unity 3D并使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的VR仿真設(shè)計(jì)模式，該模式基于三維建模、模型優(yōu)化、模型及場(chǎng)景加載、人機(jī)交互和運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該方法可以有效提高工程前期施工方案決策效率，同時(shí)對(duì)橋梁施工過(guò)程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有一定的輔助作用。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;Unity 3D;虛擬漫游;實(shí)時(shí)渲染

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）在航空航天、機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)、文化旅游等行業(yè)迅猛發(fā)展，其中虛擬漫游是VR的一個(gè)重要應(yīng)用方向，其實(shí)現(xiàn)了三維景觀(guān)的數(shù)字化和虛擬化，并將真實(shí)的場(chǎng)景顯示在屏幕上。與傳統(tǒng)的視頻動(dòng)畫(huà)不同，虛擬漫游更具有沉浸感、交互性和自由性。

該文以宣城市宛溪河矮塔斜拉橋?yàn)槔?，設(shè)計(jì)了包括橋梁主體以及周?chē)鞘小⑺蚓坝^(guān)一體化的三維VR仿真場(chǎng)景，將橋梁工程與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，打破了橋梁施工在方案比選方面的諸多限制，最終實(shí)現(xiàn)橋梁施工方案的高效比選。

1 橋梁主體及周?chē)坝^(guān)建模和優(yōu)化處理

該文研究的是基于Unity 3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)的VR仿真系統(tǒng)，Unity 3D在模型構(gòu)建方面僅具備基礎(chǔ)的建模功能，無(wú)法構(gòu)造橋梁等復(fù)雜模型，無(wú)法反映橋梁內(nèi)部真實(shí)構(gòu)造情況，因此運(yùn)用工業(yè)建模軟件Maya進(jìn)行模型制作，但由于其文件格式與Unity 3D引擎不兼容，因此須再使用工程級(jí)建模軟件3Ds Max對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)渲染，提高模型真實(shí)性，并將模型文件轉(zhuǎn)化為.FBX格式，以供Unity 3D環(huán)境使用，具體流程如圖1所示。

為實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真設(shè)計(jì)在Unity 3D環(huán)境下，能夠最真實(shí)地反映橋梁建成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及其與周?chē)鞘小⑺蚓坝^(guān)融合狀態(tài)，該設(shè)計(jì)根據(jù)《宣城市宛溪河矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)》里的斜拉橋真實(shí)施工尺寸及實(shí)際施工節(jié)段進(jìn)行三維建模，模型主要有宛溪河大橋主體結(jié)構(gòu)、周?chē)鞘兴蚓坝^(guān)2個(gè)部分，各部分模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了呈現(xiàn)最真實(shí)的場(chǎng)景效果、提高建模的精細(xì)度、減少模型材質(zhì)之間的干擾，要將橋梁主體結(jié)構(gòu)與周?chē)h(huán)境景觀(guān)分開(kāi)建模，同時(shí)為了保證橋梁各部分結(jié)構(gòu)尺寸的精確，采用Auto CAD構(gòu)建橋梁各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸，輔助3Ds Max優(yōu)化模型。

2 模型及場(chǎng)景加載

將前期制作的大橋和景觀(guān)2個(gè)部分模型在3Ds Max中導(dǎo)出.FBX格式，并將該文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，將導(dǎo)入模型的坐標(biāo)與Unity 3D環(huán)境坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成模型加載。為了使場(chǎng)景更具有真實(shí)感，需要添加光源，使物體出現(xiàn)陰影、反射等真實(shí)現(xiàn)象。該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用平行光源，并對(duì)主攝像機(jī)添置天空盒子，宛溪河大橋場(chǎng)景效果如圖3所示。

3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

人機(jī)交互設(shè)計(jì)以及虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。Unity 3D支持使用C#、Java和Boo這3種語(yǔ)言的編程，均是基于.NET平臺(tái)開(kāi)發(fā)運(yùn)行。該文采用C#語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并使用引擎自帶的MonoDevelop進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，人機(jī)交互界面采用Unity 3D自帶的插件NGUI開(kāi)發(fā)。為保證虛擬漫游的順利進(jìn)行，使用C#語(yǔ)言進(jìn)行漫游動(dòng)作程序編寫(xiě)。為更好地構(gòu)建漫游橋梁各部分結(jié)構(gòu)，使用鼠標(biāo)確定攝像機(jī)位置。

start_qua = transform.rotation;start_pos= transform.position? //記錄攝像機(jī)初始位置

mousePos2 = Input.mousePosition //記錄鼠標(biāo)實(shí)時(shí)移動(dòng)的位置

if （Mathf.Abs（offset.x） > Mathf.Abs（offset.y）） //比較坐標(biāo)值，區(qū)分上下與左右位置

transform.RotateAround? //調(diào)節(jié)攝像機(jī)漫游角度

為保證第一視角漫游時(shí)的真實(shí)體驗(yàn)感，橋體結(jié)構(gòu)模型添加了碰撞檢測(cè)功能。加載過(guò)模型后將全部模型建立Mesh，并將單個(gè)模型單元賦予Mesh Collider，調(diào)節(jié)碰撞參數(shù)。當(dāng)依靠鼠標(biāo)移動(dòng)第一視角時(shí)，攝像機(jī)達(dá)到橋體結(jié)構(gòu)表面時(shí)即會(huì)觸發(fā)碰撞機(jī)制，令其無(wú)法向模型內(nèi)部移動(dòng)。

4 運(yùn)動(dòng)仿真

為了實(shí)現(xiàn)虛擬景觀(guān)中水流的運(yùn)動(dòng)仿真，采用C#語(yǔ)言對(duì)河道模型進(jìn)行了材質(zhì)調(diào)節(jié)，使河道具有真實(shí)的流動(dòng)以及反光效果。如圖4所示是宛溪河河道模型材質(zhì)處理參數(shù)。運(yùn)用C#編寫(xiě)4個(gè)部分程序代碼：水流材質(zhì)、水面光影、鏡像反光、水波變化。對(duì)上述四部分程序進(jìn)行參數(shù)適配，最終獲得最接近真實(shí)水面反應(yīng)的河道水流效果。

為真實(shí)仿真外界光線(xiàn)變化，對(duì)添加的平行光影編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)程序，保證在適當(dāng)?shù)穆芜^(guò)程能較完整的體驗(yàn)光照變換的景觀(guān)效果，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試最終確定設(shè)置3 min為一個(gè)光影換周期。

5 結(jié)語(yǔ)

該文主要對(duì)宣城市宛溪河大橋進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究設(shè)計(jì)，在Maya中進(jìn)行三維建模，在3Ds Max中進(jìn)行模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了基于Unity 3D引擎、使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，可以在不同畫(huà)面層次獲得很好的臨場(chǎng)感。

通常情況下，橋梁施工不僅周期長(zhǎng)而且還極其復(fù)雜，其中施工方案一般還需要作多次展示和修改，總體上缺乏臨場(chǎng)感，該文提供的方法可以很好地解決這個(gè)難題。因此，該文提供的方法對(duì)橋梁工程前期方案比選以及橋梁施工過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控有著重要的研究意義。

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