楊黎黎，李卓玥，吳 瑤，盧瀟瑩

（重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045）

0 引言

Unity3D（實時三維引擎）是一種包含圖形、音效、物理等功能為一體，輔助創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等內(nèi)容多平臺互動的游戲開發(fā)引擎。該技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，近年來在虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實方面嶄露頭角，未來將會在各個領(lǐng)域成為主流［1］。隨著IOS、Android 手機的大量普及和3D 網(wǎng)頁游戲的興起，Unity3D 因其強大的功能、良好的移植性，在手機和網(wǎng)頁平臺得到了廣泛的應(yīng)用和傳播［2］。開發(fā)者在編程方面無需了解復(fù)雜的技術(shù)，使用C＃、JS等進行腳本編寫，就能快速開發(fā)出性能和品質(zhì)俱佳的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品。因其較好的兼容性，可導(dǎo)入多種建模軟件建成的模型，并可發(fā)布于各種平臺，滿足不同類型用戶使用的需求。

本文以國家級大學生創(chuàng)新實踐項目“基于Unity3D引擎的建筑數(shù)字智慧博物館平臺研發(fā)”為背景，圍繞建筑模型制作課程的數(shù)字化教學改革，進行虛擬模型的信息收集、儲存、展示方式的總結(jié)梳理。對原有的模型博物館數(shù)字平臺進行優(yōu)化迭代，創(chuàng)造“智慧博物館”模式，利用Unity3D 突破第一代建筑模型數(shù)字博物館的局限性，泛化多媒體的展示效果，提供身臨其境的視覺體驗，并實現(xiàn)多數(shù)字平臺的串聯(lián)。

通過該項目，大學生自主研發(fā)實用型數(shù)字交流平臺，有效提高參研學生的綜合實踐、科研、協(xié)作等能力和創(chuàng)新意識；更好地展示專業(yè)學生的實踐成果，為在校學生提供了課外免費的參考資料激發(fā)創(chuàng)作靈感，同時創(chuàng)建了一個供學生互動交流的虛擬現(xiàn)實空間［3］。

1 建筑模型博物館現(xiàn)狀及存在的問題

21 世紀初，“數(shù)字博物館”概念進入人們的視野，通過數(shù)字技術(shù)模擬、存儲并展示博物館藏品，順應(yīng)時代與科技發(fā)展，實現(xiàn)了傳統(tǒng)博物館“人-物”二元關(guān)系由現(xiàn)實世界向網(wǎng)絡(luò)世界的延伸［4-5］，使展品在網(wǎng)絡(luò)世界實現(xiàn)藝術(shù)生命價值的再現(xiàn)。中華人民共和國文化和旅游部指出：“發(fā)展‘互聯(lián)網(wǎng)＋展陳’新模式，支持展品數(shù)字化采集、圖像呈現(xiàn)、信息共享、按需傳播、智慧服務(wù)等云展覽共性、關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用?！保?］人們更希望構(gòu)建一個具有沉浸感、能與虛擬環(huán)境交互、具備構(gòu)想創(chuàng)造性的虛擬仿真環(huán)境［7］。為逐步實現(xiàn)以人為中心，更好的資源共享，智慧博物館的新概念也應(yīng)運而生。智慧博物館強調(diào)物、人、信息間互動關(guān)系，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)，實現(xiàn)博物館交互體驗的新模式。

在信息技術(shù)時代背景下，建筑行業(yè)的傳統(tǒng)工作方式和思維邏輯從手繪草圖到計算機輔助繪圖，再到虛擬現(xiàn)實中的空間建構(gòu)［8］，設(shè)計的過程不斷變革?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)建筑主流平臺如Archdaily、谷德設(shè)計網(wǎng)等屬于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)圖片展覽形式，受限于二維信息的上傳和下載，缺少互動性和娛樂性。而以720 云、光輝城市Venus為代表的三維全景網(wǎng)站雖然能夠?qū)崿F(xiàn)查看模型的三維信息，但其技術(shù)核心還是基于靜態(tài)圖像，通過軟件在拼接縫合好的照片上面進行設(shè)置［9］。三維全景網(wǎng)站中場景能夠進行360°全景展覽，但模型本體只能通過圖片展覽，缺少多方面自由展示模型和用戶對模型信息個人整理收藏的功能。

通過結(jié)合建筑三維模型和智慧博物館，能有效滿足當今社會建筑學者及建筑愛好者對建筑三維模型的觀覽需求，同時改善本科生設(shè)計作業(yè)重二維圖紙表現(xiàn)輕三維空間模擬的現(xiàn)狀［10］。虛擬場景在沉浸感、交互性與實時性方面的綜合效果優(yōu)勢是傳統(tǒng)二維效果圖和三維動畫技術(shù)無法比擬的［11］。

本項目同時創(chuàng)建了一個集模型資源上傳、下載、展示和交互功能為一體的數(shù)字在線社區(qū)平臺，實現(xiàn)用戶之間學習交流互動，增強用戶沉浸式的建筑空間體驗與評價［12］。

2 建筑模型智慧博物館系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 社會需求調(diào)研分析

本項目圍繞“現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站的評價與期望”進行了問卷調(diào)查，重點在于調(diào)研使用者對以三維實景來記錄案例的看法和對于虛擬交互模式的態(tài)度。為全面了解社會對于該主題的認知，重點收集建筑行業(yè)工作者或?qū)W習者等專業(yè)人士問卷的同時，也面向非專業(yè)人士（包括建筑愛好者和較少關(guān)注該領(lǐng)域的群眾）開展調(diào)研。

調(diào)研回收問卷107 份，其中有效問卷105 份，分析數(shù)據(jù)見表1、2?？梢园l(fā)現(xiàn)專業(yè)人士對建筑案例網(wǎng)站的依賴度較高，并認為現(xiàn)有案例網(wǎng)站并不能完全滿足其需求。表1 指出在建筑案例網(wǎng)站提供的現(xiàn)有信息中，以照片、渲染圖和三維實景為主要呈現(xiàn)形式的鳥瞰效果圖、內(nèi)部空間、細節(jié)設(shè)計等信息需求度較高；表2 顯示使用者期待案例網(wǎng)站能提供三維實景模型類案例的需求占到調(diào)研人數(shù)的76%，明確案例分類以及建立更全面的案例庫的需求也較為突出。

表1 現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站主要信息需求 %

表2 現(xiàn)有建筑案例網(wǎng)站增加信息需求 %

本問卷對平臺交互模式也進行了相關(guān)調(diào)研。使用者對案例網(wǎng)站的意義定位依次為方便學習、推廣、交流和記錄。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，社會普遍對數(shù)字故宮等博物館形式興趣較高，建筑行業(yè)從業(yè)者和學習者對分享案例、瀏覽其他用戶的收藏夾、參觀專題展覽等形式較感興趣，同時對案例的準確分類有較高的要求，故本項目擬借鑒博物館形式搭建智慧博物館平臺，關(guān)注其合理劃分展品位置的優(yōu)點來設(shè)計界面［13］，設(shè)計采用個人博物館、虛擬社區(qū)等形式完善交互模式。

專業(yè)人士與非專業(yè)人士的關(guān)注重點略有差異，前者在意平臺提供的專業(yè)信息，更加期待交流與共享；后者更在意案例的推廣度、熱度等輔助信息，對流行的智慧博物館感興趣程度較高。對于交互模式的細節(jié)設(shè)計，具有重要的參考價值。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)前期需求調(diào)查分析，系統(tǒng)設(shè)計建模、漫游、交互3 類模塊，如圖1 所示。建模模塊提供用戶漫游場所及模型展示空間，建模內(nèi)容包含智慧博物館主展廳、次展廳、用于展示建筑模型以及相關(guān)環(huán)境場景等；漫游模塊以用戶為第三視角，漫游內(nèi)容包含第三人稱漫游位移控制、第三人稱漫游視角控制、碰撞檢測和不同展廳之間、展廳與模型之間的場景傳送；交互模塊從實現(xiàn)人與建筑和場景的互動出發(fā)，內(nèi)容包含界面切換、主界面模型交互等功能。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

針對上文的功能模塊本系統(tǒng)采用3 層軟件架構(gòu)體系進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，包含操作層、場景層和功能層3個部分系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖，如圖2 所示［14］。其中操作層位于系統(tǒng)最外層，操作層有界面展示、人機交互以及傳達數(shù)據(jù)等功能，主要使用了Figma、Spline 軟件輔助界面設(shè)計，通過C＃代碼實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互；場景層是模型進行展示的基礎(chǔ)環(huán)境，包括場景搭建、燈光渲染和材質(zhì)表現(xiàn)，主要使用Sketchup、3DS Max 軟件進行建模、貼圖和渲染；功能層作為系統(tǒng)的核心，通過C＃腳本以及相應(yīng)組件的掛載完成調(diào)度算法的執(zhí)行過程，實現(xiàn)角色移動、視角變換和碰撞檢測等功能。

圖2 系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

3 建筑模型智慧博物館創(chuàng)作與實踐

3.1 設(shè)計開發(fā)建模模塊

（1）場館設(shè)計概念。設(shè)計圍繞“虛擬、未來、科技”等關(guān)鍵詞，以宇宙星體為主題概念。展廳以行星的球體形態(tài)為基礎(chǔ)造型，以中心行星為主展廳，8 個次展廳圍繞主展廳，模擬周圍的衛(wèi)星。使用建模軟件SketchUp進行模型搭建。

（2）場館外部造型。場館外部著重參考星球的球狀主體和星云環(huán)繞帶狀兩個特征元素，進行外部造型推敲。球狀主體，以透性較高的材質(zhì)模擬球體表皮，附著線形實體突出骨架，在線形的形態(tài)和變化規(guī)律進行不同的嘗試和推敲，最后進行比較和選擇如圖3 所示。因造型不受結(jié)構(gòu)限制，故模擬超現(xiàn)實形態(tài)強調(diào)設(shè)計美感。

圖3 外部造型比選

帶狀星云抽象為環(huán)繞球體的底座，與球殼同樣采用半透明材質(zhì)。設(shè)置連接外部進入展廳的路徑。入口道路寬為6.4 m，外部空間為空曠的宇宙背景，以大尺度場景增加科技感。

（3）場館內(nèi)部造型。內(nèi)部同樣進行不同形態(tài)的探索，比較后選取的方案，分為圓盤路徑和裝飾光柱。將行走范圍固定在中部的圓盤，并對圓盤挖洞以劃分行進路徑。裝飾光柱將球體像素化分解為形態(tài)不一的立方體，在總體保持球狀的基礎(chǔ)上圍繞行進路徑進行刪減和調(diào)整，并降低不透明度，使其視覺上不顯得雜亂，同時營造科技、虛擬的場景氛圍。

（4）場館路徑設(shè)計。場館路徑設(shè)計分為主展廳和次展廳，以功能點串聯(lián)為組織流線的依據(jù)，以曲線造型契合設(shè)計概念。主展廳的展示流線串聯(lián)了“入口—主場館標志—電子搜索屏—8 個次展廳”傳送點，實現(xiàn)路徑1.0 版本。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，路徑過于復(fù)雜不便操作、路徑尺度不合適，導(dǎo)致人物行走時驟降等狀況。通過簡化流線，將傳送點沿流線布置；調(diào)整道路寬度，最窄處為3.2 m，平均寬度為4 m，增加高度為1.5 m的防掉落護欄，優(yōu)化路徑形成了路徑2.0 版本（見圖4）。

圖4 主展廳路徑優(yōu)化設(shè)計

次展廳的展示流線為“入口—場館專題搜索屏—代表性模型展覽”，風格保持與主展廳一致，參考主展廳的道路寬度進行設(shè)計，以確保行走尺度適宜。代表性模型展覽采用展廊形式，每個展覽模型的設(shè)計圖紙沿參觀道路懸浮在空中，用戶可根據(jù)路徑引導(dǎo)標識漫游，按照設(shè)計流線完成參觀（見圖5）。

圖5 主次展廳路徑效果（帶護欄）

（5）傳送門、搜索屏、展示圖等設(shè)施設(shè)置。場景切換的傳送點形態(tài)參考科技感較強的游戲畫面，采用橢圓狀傳送門，懸浮空中。為方便用戶操作進入傳送門，附帶設(shè)置了3 級臺階，作為道路與傳送門間的過渡和引導(dǎo)，同樣增加護欄防止掉落，最大程度減低用戶的操作難度。另外，主展廳設(shè)置搜索屏，用可對8 個次展廳的模型內(nèi)容進行搜索和定位，查找到相應(yīng)次展廳后可通過其對應(yīng)傳送門前往該次展廳。

次展廳設(shè)置模型展示圖展廊，展示圖根據(jù)人體尺度放置于最佳視角范圍內(nèi)。展示圖的內(nèi)容包括經(jīng)典建筑模型和最新建筑模型，可根據(jù)模型庫的更新進行更換。同時，次展廳設(shè)置搜索屏，懸浮于展廳的中心位置，同時也是從入口進入后道路的必經(jīng)節(jié)點，可達性極強，方便用戶使用。次展廳的搜索屏可在該展廳的范圍內(nèi)進行模型搜索（見圖6）。

圖6 主次展廳完成效果

3.2 編程創(chuàng)建漫游模塊

（1）使用3DS MAX 為漫游人物制作動畫。使用3DS MAX軟件為下載的素材人物添加靜止和行走動畫，如圖7 所示。為符合智慧博物館的宇宙主體，人物選擇宇航員的形象。將宇航員的obj 模型導(dǎo)入3DS MAX中，使用Biped 功能創(chuàng)建骨骼。調(diào)節(jié)骨骼大小、比例以適配obj 模型，并通過平移，縮放，旋轉(zhuǎn)等方式對其進行調(diào)整，將身體各部位的骨骼與模型基本重合。使用蒙皮修改器功能，選擇全部骨骼關(guān)節(jié)。點擊編輯封套，勾上頂點，對點進行選擇和分配權(quán)重，完成骨骼和模型的綁定。制作動畫時暫時隱藏模型，僅顯示骨骼，在時間滑塊上設(shè)置各個關(guān)鍵幀，制作靜止和行走動畫。將行走動畫的時長制作比實用需要略長，后期導(dǎo)入正式文件，經(jīng)測試可流暢體驗后，再進行截取。將obj模型及動畫導(dǎo)出成fbx格式備用。

（2）將素材導(dǎo)入Unity 3D進行功能實現(xiàn)。以主廳為例，在Unity3D中新建一個3D 模板工程文件，將制作好的模型及動畫均導(dǎo)入該工程文件夾。打開工程，新建場景，命名為“Scene＿main”，新建的場景會自帶一個主攝像機和一個自然光，將人物設(shè)置成預(yù)制件，然后將建好的主廳模型和人物預(yù)制件拖曳至制作窗口，放入場景內(nèi)。

使用動畫制作器（Animator）將人物動畫化，如圖8所示。在工程里點開靜止和行走動畫文件。先設(shè)置好Rig選項卡（操縱）中的相關(guān)選項，使其與骨骼文件關(guān)聯(lián)，再分別設(shè)置好循環(huán)時間（Loop Time）和根變換旋轉(zhuǎn)（Root transform Rotation）的相關(guān)選項，一邊調(diào)整選項，一邊截取動畫長度，使其呈現(xiàn)效果更為流暢。在文件夾中新建一個Animator Controller。打開在Parameters界面新建一個Bool 參數(shù)，命名為“IsWalking”，用于之后判斷角色是否在行走。將做好的靜止和行走動畫拖入操作界面，并設(shè)置兩者的過渡條件，將該Animator Controller分配給人物預(yù)制件。

圖8 使用動畫制作器創(chuàng)作動畫

為人物及場景設(shè)置物理屬性。為人物添加組件剛體（Rigidbody），使其可以受各種力的影響，勾選使用重力，并約束人物繞x和z軸轉(zhuǎn)動的運動，因為人物要能轉(zhuǎn)向，所以保留繞y軸的運動。添加一個膠囊碰撞體（Capsule Col lider）組件，使人物能夠碰撞場景中的其他對象以及被撞；調(diào)整膠囊大小，將膠囊中心調(diào)整至人物中心以覆蓋整個人物模型，如圖9 所示。

圖9 為人物模型添加膠囊碰撞體

為所有場景模型均設(shè)置Mesh Collider 組件，使其能根據(jù)自身形狀具有相應(yīng)的碰撞屬性。

設(shè)計代碼實現(xiàn)位移、轉(zhuǎn)向及跳躍控制功能。通過代碼編程設(shè)置向各方向行走、轉(zhuǎn)向、跳躍等功能，保證在移動時調(diào)用之前做好的行走動畫。為優(yōu)化使用體驗，設(shè)置轉(zhuǎn)向速度和跳躍高度，人物可無限次跳躍，模擬漂浮效果，保證用戶可以從上空俯瞰全景。

運動代碼控制流程及關(guān)鍵代碼如圖10 所示。

圖10 運動代碼控制流程

控制實現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換功能，使用“Cinemachine”軌道插件生成虛擬相機，設(shè)置虛擬相機跟隨人物角色。之后通過代碼設(shè)置，保證視點跟隨鼠標移動，增強用戶體驗。

視角代碼控制流程及關(guān)鍵代碼如圖11 所示。

圖11 視角代碼控制流程

3.3 綜合處理交互模塊

界面設(shè)計以簡潔、直觀、操作便捷為目的，著重考慮色彩搭配、字體風格以及頁面布局等設(shè)計要素［15］。交互界面圍繞“宇宙星體”的核心概念進行設(shè)計，利用Unity3D引擎內(nèi)自帶的UGUI系統(tǒng)創(chuàng)建用戶界面，借助C＃腳本實現(xiàn)動態(tài)互動，改善用戶體驗。

（1）主界面設(shè)計及調(diào)整。主界面設(shè)計以設(shè)計工具“Figma”作為輔助軟件進行初期界面設(shè)計，利用宇航員、星云、星球等元素詮釋設(shè)計概念，概念草圖設(shè)計完成后，通過Unity3D引擎UGUI系統(tǒng)設(shè)置用戶界面面板和按鈕。打開工程，新建主界面所需場景，命名為“Scene＿start”，新建畫布（canvas），輸入主界面畫布大小，創(chuàng)建初始界面。

創(chuàng)建界面后實現(xiàn)場景切換。通過右鍵選擇Unity3D引擎中圖層（Hierarchy）面板UI下Text選項，在Canvas上設(shè)置主界面各項功能的相關(guān)文字。同時點擊Hierarchy面板UI 下的Button 選項，對各項功能按鈕進行設(shè)置，以主界面進入主展廳按鈕為例，通過對按鈕屬性的設(shè)置，可得到按下按鈕顏色變深的效果，在該按鈕上掛載C＃腳本，實現(xiàn)按鈕對應(yīng)的場景切換功能。

場景跳轉(zhuǎn)控制流程及關(guān)鍵代碼如圖12 所示。

圖12 場景跳轉(zhuǎn)控制流程

將與“宇宙星體”概念相關(guān)的素材作為意向圖（Source Image）導(dǎo)入進Image組件，放置初期界面并進行移動、縮放等布置操作以調(diào)整設(shè)計，得到初期界面草稿。經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改，調(diào)整主界面文字、按鈕、圖像位置和形態(tài)，最終確定正式的主界面設(shè)計。

（2）主界面實現(xiàn)交互。主界面的交互目的，要求用戶能夠通過按住鼠標左鍵并移動鼠標對其展示的3D模型進行旋轉(zhuǎn)交互。需要進行3D 互動模型設(shè)計與制作。該模型以超大太空服頭盔中的宇航員形象作為展示主體。借助三維建模軟件“Spline”進行主體的外殼建模、賦材質(zhì)、調(diào)試透明度效果等，建成模型后導(dǎo)出，存為“gltf”格式，便于Unity3D后期編輯。

在Unity3D中打開場景（Scene＿start），通過程序包管理器（PackageManager）加載“GLTFUtility”插件，引入命名空間，并將插件著色器添加到BI 列表“Always Included Shaders”。設(shè)置完成后導(dǎo)入gltf 模型。在導(dǎo)入過程中，存在材質(zhì)丟失的情況，需要針對丟失部分進行再附材質(zhì)操作，修復(fù)后達到了模型在Unity3D 與在Spline軟件相近的材質(zhì)顯示效果。

為提升展示效果，使用渲染紋理（Renderer Texture）處理器渲染攝像機畫面。在主界面相應(yīng)位置設(shè)置UI圖片組件“RawImage”，在場景“Scene＿start”中添加相機用于跟蹤拍攝模型，新建RenderTexture 給上述組件和相機賦值，相機視野中物體即可與主界面互動展示畫面同步，掛載C＃腳本使用戶能操作鼠標控制相機圍繞模型旋轉(zhuǎn)，相機視野跟隨用戶操作控制，對應(yīng)的RawImage也隨之變化，達到主界面中3D 模型互動旋轉(zhuǎn)效果，如圖13 所示。

圖13 互動模型與主界面展示

4 結(jié)語

本項目基于Unity3D的數(shù)字建筑模型智慧博物館平臺系統(tǒng)開發(fā)，借助SketchUp、Figma、Spline、3ds MAX建模技術(shù)輔助構(gòu)建而成。用戶可通過簡單的界面操作獲取建筑模型博物館場景中相關(guān)的多媒體信息，同時實現(xiàn)在建筑模型博物館內(nèi)漫游，與建筑模型沉浸式互動等體驗。本次項目成果“建筑模型智慧博物館”實現(xiàn)了模型資源展示、臨時存儲和用戶交互等多重目標，通過虛擬化技術(shù)手段，還原了建筑模型實踐教學真實的體驗場景，具有良好的使用價值。同時本次研究型綜合實踐對學生綜合知識的運用，解決問題能力的提高，自主研發(fā)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)起到了積極作用。