李卓真，郎誠廉

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

由于我國目前城市化的快速發(fā)展，道路交通的壓力越來越明顯[1]。現(xiàn)代有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)公共交通制式，與傳統(tǒng)公共汽車相比，具有客運(yùn)能力大、速度高、彈性靈活、舒適新穎、綠色節(jié)能等特點[2]。隨著現(xiàn)代有軌電車的蓬勃發(fā)展，對駕駛員的培訓(xùn)日益提上議程，如何對駕駛員進(jìn)行安全高效的培訓(xùn)是未來城市交通體系中不可缺少的組成部分[3]。

在列車上，司機(jī)的主要職責(zé)是駕駛列車、到站后進(jìn)行站臺操作、監(jiān)控列車運(yùn)行狀態(tài)及保證乘客安全。司機(jī)通過安裝在列車上的監(jiān)控設(shè)備，對乘客動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，以避免發(fā)生意外事故[4]。在列車駕駛模擬器中，也需要對這些監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行模擬[4]。這其中，列車乘客的動作仿真研究顯得非常重要[5]。

三維視景仿真技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)的重要分支，是計算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息合成技術(shù)以及顯示技術(shù)等諸多高新技術(shù)的綜合運(yùn)用。我國在上個世紀(jì)80年代末90年代初將三維視景仿真技術(shù)應(yīng)用于城軌仿真中，主要是為司機(jī)培訓(xùn)提供一種模擬駕駛平臺，平臺的三維視景通過地鐵列車運(yùn)行時從司機(jī)室實景拍攝得到，通過疊加關(guān)鍵技術(shù)生成。比較有代表性的系統(tǒng)有：文獻(xiàn)[6]著重從場景模型的生成、動態(tài)場景的控制、視點變換、人物仿真等幾個方面研究了虛擬仿真技術(shù)與地鐵運(yùn)行仿真系統(tǒng)的結(jié)合；文獻(xiàn)[7]就列車模擬駕駛器視景生成技術(shù)、計算機(jī)成像（CGI）視景系統(tǒng)功能、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等作簡要闡述；文獻(xiàn)[8]從提高動態(tài)仿真效率和渲染速度的角度出發(fā)，采用基于圖形與圖像的混合建模方法和細(xì)節(jié)層次（LOD）與紋理映射技術(shù)，實現(xiàn)了列車運(yùn)行的三維動態(tài)視景仿真。本文在前人的基礎(chǔ)上，對人物進(jìn)行場景上的支持，利用Character Studio進(jìn)行人物動畫創(chuàng)建，使用AStar算法進(jìn)行場景內(nèi)的自動尋路功能，規(guī)避障礙及各種險情的發(fā)生，以實現(xiàn)對駕駛員的培訓(xùn)。

本文利用3ds MAX建模軟件構(gòu)建了三維虛擬列車模型、人物的三維模型及基本動作模型，以Unity3D為應(yīng)用平臺，以VC#2017為編譯器實現(xiàn)對三維模型的驅(qū)動控制，從而為現(xiàn)代有軌電車模擬駕駛提供場景支持。

1 三維模型的建模

本文以南京有軌電車麒麟線為模型，在此基礎(chǔ)上對車站、列車等場景進(jìn)行建模仿真。選用3ds MAX建模軟件構(gòu)建了三維虛擬列車模型、人物三維模型及基本動作模型，3ds MAX是一款三維建模與渲染的軟件，主要包含幀動畫制作、多邊形建模、曲面建模、材質(zhì)制作、模型優(yōu)化等功能。較其他建模軟件相比，3ds MAX具有操作簡單、渲染高端、三維動畫逼真、互操作性靈活等優(yōu)點。3ds MAX的模型導(dǎo)出格式很多，本文中，主要將max文件導(dǎo)出成FBX格式文件，然后導(dǎo)入到Unity3D中進(jìn)行控制[9]。

1.1 虛擬有軌電車建模

虛擬有軌電車的建模有如下幾個步驟：

（1）在3ds MAX建模軟件中使用立面和平面比照參考，通過多邊形建模方法對列車進(jìn)行精確建模；

（2）根據(jù)紋理數(shù)據(jù)和貼圖建立對應(yīng)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)球；

（3）將材質(zhì)球賦給對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，主要包括車內(nèi)客室座椅、玻璃窗、地板、立柱和扶手、照明系統(tǒng)及列車整體。

所建模的列車共5節(jié)車廂，其三維模型如圖1所示。

1.2 人物建模

圖1 虛擬電車三維模型圖

在3ds MAX 中利用Character Studio創(chuàng)建角色動畫。對骨骼加載設(shè)定好的基本動作，然后將骨骼和人物模型綁定，可看到骨骼驅(qū)動3ds MAX模型的運(yùn)動，這樣就可以創(chuàng)建一個有設(shè)定動作的人物模型。

1.2.1 創(chuàng)建人物動作

正常情況下，人物在列車內(nèi)產(chǎn)生的行為基本可以分為：行走（walk）、站立（stand）、坐下（sit down）、起立（stand up）等[10]。本文使用3ds MAX中的關(guān)鍵幀動畫功能創(chuàng)建了這幾個基本動作，并將這幾個動作加載到虛擬人物模型，從而可以實現(xiàn)人物的運(yùn)動。

所謂的關(guān)鍵幀動畫，就是按照自己所想達(dá)到的動畫效果，選擇不同位置的幀，設(shè)置不同動作的式樣，在短時間內(nèi)設(shè)置盡量多的幀，然后連續(xù)播放。通過采用特殊的計算方法算得這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，由此達(dá)到非常順暢的動畫情景。

1.2.2 人物文件的導(dǎo)出

本文選擇文件導(dǎo)出類型為Unity3D所支持的FBX格式。FBX主要有ASCII和二進(jìn)制兩種編碼格式，ASCII編碼優(yōu)點是可通過代碼調(diào)整數(shù)據(jù)，缺點是文件所占內(nèi)存較大，影響3D引擎渲染模型的速率，在場景模型數(shù)目過多的情況下，渲染速率過慢會嚴(yán)重影響運(yùn)行的幀數(shù)，視覺效果不好；二進(jìn)制編碼的模型文件雖然不易修改，但是文件所占內(nèi)存較小。因此在本文中導(dǎo)入的模型為二進(jìn)制編碼的FBX格式文件。圖2為導(dǎo)入的人物各個狀態(tài)。

圖2 各狀態(tài)的人物模型

2 人物動作的仿真

在仿真過程中，使用了導(dǎo)航網(wǎng)格（NavMesh）來實現(xiàn)乘客的自動尋路過程。

2.1 AStar算法原理

在NavMesh方法中采用了AStar算法，其自動尋路的思路是將尋路區(qū)域劃分成小方塊用以存放在二維數(shù)組中。通常將起點所代表的方塊記為A，終點所代表的方塊記為B，障礙物則用陰影表示。計算并比較從起點A到終點B的成本便可找到一條最優(yōu)的路徑，AStar算法流程如圖3所示。其具體方法如下：

圖3 ASrar算法流程圖

（1）從起點A開始，把它作為待處理的方格存入一個“開啟列表”，開啟列表就是一個等待檢查方格的列表。

（2）尋找起點A周圍可以到達(dá)的8塊方格, 將它們放入“開啟列表”，設(shè)置它們的“父方格”為 A。

（3）從“開啟列表”中刪除起點 A, 并將起點 A加入“關(guān)閉列表”，“關(guān)閉列表”中存放的都是不需要再次檢查的方格。

在開啟列表中計算每個方格到達(dá)終點B的通過成本，計算公式為：

在公式（1）中，G表示當(dāng)前方格到起始方格的估量代價，H表示當(dāng)前方格到終點的代價（H有很多計算方法，這里設(shè)定為上下左右移動）。

（4）從“開啟列表”中選擇F值最低的方格設(shè)為C，將其作為新的起點，并將C放入“關(guān)閉列表”。

（5）檢查方格C相鄰的方格，但不包括障礙物和“開啟列表”中的方格。判斷“開啟列表”中是否存在這些方格，若不存在，則將其加入至“開啟列表”，同時計算每個方格的F、G的值（H值始終為定值，不用計算），并將C設(shè)置為其“父方格”。

（6）若某個相鄰方格D已經(jīng)存在于“開啟列表”中，則計算經(jīng)過C到達(dá)D的路徑的G值，若新的G值小于舊的G值，將D的“父方格”改為方格C，然后重新計算F、G的值，反之不用對方格D進(jìn)行任何操作。

（7）由于方格C相鄰且可到達(dá)的方格除了障礙物之外都在“開啟列表”中，因此可以選擇方格D作為新的起點并將其設(shè)置為父方格，此種情況默認(rèn)不允許斜向走至障礙物相鄰的方格。

如此循環(huán)，直至“開啟列表”中出現(xiàn)了終點方格B后，結(jié)束循環(huán)。連接所有“父方格”即為從起點A到達(dá)終點B的最低成本路徑，如圖4所示。

圖4 最優(yōu)路徑模型

2.2 實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)可以讓人物在場景里智能地移動、繞過障礙等，本文使用NavMesh來解析環(huán)境。

2.2.1 設(shè)置NavMesh

在Insprector窗口中點擊Static下拉菜單，勾選靜態(tài)導(dǎo)航（Navigation Static），在Navigation Area下拉框里選擇可行走（walkable），即設(shè)置地面為可走區(qū)域。同時，乘客在尋路過程中要避免碰撞到柱子、閘機(jī)、墻、座椅、樓梯等障礙物，所以在Navigation窗口中依次選擇這些障礙物，勾選Navigation Static，設(shè)置為不可行走（Not Walkable）。

當(dāng)車廂內(nèi)物體類型設(shè)置完畢后，需要對場景進(jìn)行烘焙。烘焙的目的是保存當(dāng)前的導(dǎo)航網(wǎng)格設(shè)置，并且保存可行走區(qū)域和障礙物的信息。烘焙分為2種，動態(tài)烘焙和靜態(tài)烘焙。其中動態(tài)烘焙會根據(jù)當(dāng)前場景的變化而實時更新導(dǎo)航網(wǎng)格，這種方式適用于障礙物需要移動的場景，比如模擬戰(zhàn)爭游戲等；靜態(tài)烘焙是在場景編輯狀態(tài)下設(shè)置好導(dǎo)航網(wǎng)格，在場景運(yùn)行狀態(tài)下不再更新，這種方式適用于障礙物以及可行走區(qū)域位置和大小不變等場景，比如室內(nèi)探險、捉迷藏等游戲。因此相對于動態(tài)烘焙，靜態(tài)烘焙消耗的資源更少，場景運(yùn)行的幀數(shù)會更高。由于在場景運(yùn)行時地鐵車站里的柱子、閘機(jī)、座椅、樓梯等障礙物的位置和大小不會發(fā)生變化，所以本文采用靜態(tài)烘焙方式，烘焙之前需要根據(jù)乘客的大小來調(diào)整烘焙的參數(shù)。

在開發(fā)過程中，乘客模型身高設(shè)計為1.5 m～1.9 m，調(diào)整合適的烘焙參數(shù)，在Windows中打開Navigation窗口，將導(dǎo)航代理半徑（Agent Radius）參數(shù)設(shè)置為0.1，單位為m，因為車廂寬度為1 m，如若導(dǎo)航代理半徑設(shè)置的數(shù)值太大，為躲避各種障礙物則幾乎無可行走區(qū)域。最后點擊烘焙即可完成導(dǎo)航網(wǎng)格設(shè)置，烘焙結(jié)果如圖5所示，地面藍(lán)色為可行走區(qū)域。

2.2.2 設(shè)置導(dǎo)航代理

導(dǎo)航代理可以理解為去尋路的主體，設(shè)置方法為：在人物模型上為其添加NavMeshAgent組件，并通過相應(yīng)的腳本進(jìn)行驅(qū)動。

2.3 設(shè)置人物狀態(tài)動畫機(jī)

圖5 導(dǎo)航網(wǎng)格模型

對于動畫的控制可以選擇Animation或Animator，由于Animation只能單一地控制一個動畫的播放，而Animator可以在不同動畫之間進(jìn)行切換，設(shè)置動畫狀態(tài)機(jī)，包括從腳本控制的狀態(tài)機(jī)、混合樹和事件來進(jìn)行設(shè)置。所以本文采用Animator組件，乘客的動畫狀態(tài)機(jī)主要包含walk、stand兩個動畫，動畫之間為雙向箭頭，且參數(shù)列表設(shè)置了walk的bool值，方便程序?qū)赢嫚顟B(tài)機(jī)的控制。

使用NavMesh結(jié)合動畫系統(tǒng)可使人物在車廂內(nèi)實現(xiàn)角色的移動。創(chuàng)建空物體可以給指定人物設(shè)定target，通過調(diào)用agent.destination函數(shù)給人物設(shè)定目標(biāo)位置，使人物進(jìn)行尋路。當(dāng)距離終點0.1 m時會更新終點的坐標(biāo)，以維持行走的狀態(tài)。

3 實現(xiàn)人物上下車

3.1 車門控制

為了實現(xiàn)車門開關(guān)的功能，需要對車門模型進(jìn)行平滑移動，這里選擇一種簡單輕量的插件iTween來實現(xiàn)。iTween的核心原理是根據(jù)不同的需求，通過多種插值方法來自動生成起始點與終點之間的中間值，實現(xiàn)不同的效果。iTween中的大部分方法除了簡單的輸入?yún)?shù)外，都會重載一個輸入?yún)?shù)為哈希表（Hashtable）型變量的方法，通過哈希表可以對方法進(jìn)行更加詳細(xì)的控制。

在此處我們需要使車門進(jìn)行平滑移動，可以利用iTween的MoveTo方法來實現(xiàn)。MoveTo方法可以在指定的時間內(nèi)不斷改變物體的位置，直到達(dá)到目標(biāo)位置，定義如下：

MoveTo（GameObject target，Vector3 position，float time）

MoveTo（GameObject target，Hashtable args）

其中，target為需要移動的物體，position為目標(biāo)位置，time為經(jīng)過的時間。為了使車門能勻速移動，我們通過之前提到的哈希表來將物體的移動方式設(shè)定為線性。程序中調(diào)用MoveTo方法的一段代碼如下：

iTween.MoveTo (this.gameObject, iTween.Hash("x", 1.0f, "z", 0, "time", 3, "islocal", true, "easetype",iTween.EaseType.linear))；

其中，this.gameObject是所掛在的組件，iTween.Hash是iTween中方便用戶創(chuàng)建哈希表的方法。x表示目標(biāo)位置的x坐標(biāo)，z表示目標(biāo)位置的z坐標(biāo)，time表示在多久后移動到目標(biāo)位置，islocal為采用世界坐標(biāo)還是與父物體有關(guān)本地坐標(biāo)，easetype表示物體移動的類型，這里選擇iTween內(nèi)置的線性方式，即為勻速運(yùn)動。車門移動如圖6所示。

圖6 模擬車門關(guān)閉及開啟

3.2 乘客上下車模擬

乘客分為動態(tài)乘客和靜態(tài)乘客。靜態(tài)乘客主要集中在列車上，不參與尋路過程。為了模擬乘客上下車，這里采用一種簡單的方式。以每個車廂模型為父物體在車門外創(chuàng)建若干空的子物體，在開始時將乘客模型生成在車廂內(nèi)，需要下車時就讓乘客走向這些子物體。當(dāng)列車未進(jìn)站時，動態(tài)乘客在路面的導(dǎo)航網(wǎng)格內(nèi)不斷地進(jìn)行尋路，當(dāng)列車進(jìn)站時，會選擇最近的車門上車，并跟隨列車一起移動[11]。

本文中使用的乘客模型是已經(jīng)綁定骨骼以及動畫的預(yù)制體（Prefab）。Prefab是Unity中的一種資源類型，存儲在項目資源中的一種可重復(fù)使用的對象，當(dāng)預(yù)制體被添加到場景中，就創(chuàng)建了他的一個實例。將需要頻繁創(chuàng)建的物體設(shè)置為預(yù)制體可以節(jié)省內(nèi)存，乘客模型很適合被設(shè)置為預(yù)制體。

車廂門有左右的區(qū)別，乘客也根據(jù)左右分為2組控制，定義2個方法用于將模型預(yù)制體生成為實例并置于車廂內(nèi)。

通過為人物進(jìn)行腳本編輯來實現(xiàn)人物的上下車。

4 結(jié)束語

本文以南京有軌電車麒麟線為模型，通過3ds MAX 建模軟件完成對虛擬列車場景及人物三維模型的建立，虛擬了 2個基本動作（walk、stand）。在此基礎(chǔ)上，使用NavMesh與人物動畫狀態(tài)機(jī)的結(jié)合，完成了人物在車廂內(nèi)的移動，實現(xiàn)了乘客動作的三維動作仿真。同時為有軌電車模擬駕駛系統(tǒng)提供了部分車站乘客上下車的場景，具有一定的實用價值。