周信文, 俎曉芳,2, 羅 津,2,3, 李 鑫, 蘭美玲, 許雋晗, 鐘愛平

1(江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院,南昌 330022)

2(鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室,南昌 330022)

3(流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室,南昌 330022)

1 引言

虛擬漫游在建筑、旅游、游戲、航空航天、醫(yī)學(xué)等多種行業(yè)發(fā)展很快. 其中虛擬建筑場景漫游是虛擬漫游的一個代表性方面,它是虛擬建筑場景建立技術(shù)和虛擬漫游技術(shù)的結(jié)合,前者是基礎(chǔ),后者是系統(tǒng)運行方法. 與傳統(tǒng)漫游手段相比,虛擬漫游更具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性. 傳統(tǒng)的文字介紹已經(jīng)無法滿足人們對新事物認知的需要,能夠身臨其境地去體驗事物已經(jīng)成為一種使用習(xí)慣. 通過虛擬漫游技術(shù)可以異地隨時漫游新建筑,真實三維體驗感,操作的交互性實現(xiàn)了人機關(guān)系的跨越,使漫游體驗更有趣味[1]. 國內(nèi)有諸多學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于火車站、地鐵站等復(fù)雜建筑的三維仿真,并進一步開展相關(guān)研究工作. 如王淑嬙利用虛擬建筑場景建立技術(shù),構(gòu)建了地鐵車站三維模型,為地鐵信息管理提供三維信息平臺[2]. 杜霄利用三維視景仿真技術(shù)描述了列車動態(tài)運行過程[3]. 結(jié)合虛擬漫游技術(shù),翁武文以車站建筑三維模型為載體,基于Unity3D虛擬現(xiàn)實平臺,設(shè)計并實現(xiàn)虛擬車站漫游系統(tǒng),達到了展示車站內(nèi)外環(huán)境的目的[4].

本文以南昌地鐵一號線為例,設(shè)計了地鐵車站的地上地下一體化三維虛擬漫游系統(tǒng),將傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)與當下實用的全景技術(shù)結(jié)合,可以方便地為本地乘客導(dǎo)乘,也可幫助外地游客了解地鐵沿線站點的主要景觀.

2 總體設(shè)計思路與技術(shù)路線

按常規(guī)的地下實體三維建模方式,構(gòu)建地鐵站點地上地下一體化三維模型,需要采集沿線40公里的地下站點幾何拓撲結(jié)構(gòu)和地面景觀的龐大數(shù)據(jù),工作量巨大. 考慮到地下站點構(gòu)造大體相似性和地面出入口的差異性. 本文提出一種新的技術(shù)實現(xiàn)思路： 地下通過3DMax實現(xiàn)精細化的三維地下建模,地面采用360度全景技術(shù)展示出入口周邊主要街道和建筑景觀; 兩者基于Unity3D實現(xiàn)聯(lián)動和漫游,并在線發(fā)布,以滿足大眾化的導(dǎo)乘需求. 相比于專業(yè)建模的技術(shù)要求和較高的人工成本,本文的建模過程相對輕松,而且實現(xiàn)效果不亞于精細化建模的導(dǎo)乘作用. 因此,南昌地鐵一號線的虛擬漫游設(shè)計需要解決的問題包括：

(1) 地鐵地下三維模型構(gòu)建的主體內(nèi)容;

(2) 地鐵地面站口全景圖像的制作與呈現(xiàn);

(3) 三維模型與全景圖像如何集成化管理漫游.

上述設(shè)計思路可以按如下技術(shù)路線和步驟實現(xiàn)：

(1) 構(gòu)建地鐵站點地下三維模型. 通過現(xiàn)場考察拍照,獲得需要的南昌地鐵內(nèi)部實景圖像,然后利用Photoshop對地鐵內(nèi)部圖片進行裁剪與編輯,轉(zhuǎn)換成3DMax最終需要的三維模型紋理貼圖,同時還需要地鐵各站點精確的平面圖層數(shù)據(jù),才開始三維模型的構(gòu)建. 經(jīng)過渲染烘焙后,將建成的模型導(dǎo)入Unity3D平臺,實現(xiàn)地鐵三維場景的簡單漫游.

(2) 制作地面站口的360度全景圖. 首先通過專業(yè)相機拍攝南昌地鐵一號線沿線站點出入口周邊街道和建筑景觀的照片,然后將其制作成方便用戶瀏覽的全景圖.

(3) 地面全景的展示. 利用百度地圖API生成地鐵線路、站點、出入口的布局圖,將百度地圖上的地鐵站點出入口與開始制作好的全景圖對應(yīng)關(guān)聯(lián),并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)生成URL.

(4) 用戶交互界面設(shè)計. 模型導(dǎo)入Unity3D實現(xiàn)簡單地下漫游的同時,還可以利用其按鈕交互功能訪問地面站點全景的URL,最后生成可執(zhí)行文件形成完整的虛擬漫游系統(tǒng).

3 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

3.1 地鐵站點地下場景的三維建模

如前文所述,構(gòu)建地鐵地下站點的三維模型時,需要利用3DMax軟件對南昌地鐵一號線站點場景進行建模,貼圖及模型烘焙,然后將地鐵三維模型轉(zhuǎn)換為.fbx格式,導(dǎo)入Unity3D中為下一步工作做準備.

整個地鐵運行系統(tǒng)包含多個場景,地鐵場景的三維建模也包含了大量的內(nèi)容. 根據(jù)地鐵空間的層次結(jié)構(gòu),可以大致劃分出整個地鐵三維場景的模型,主要分為地鐵入口、站廳臺、站層臺、隧道. 地鐵模型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 地鐵三維場景模型結(jié)構(gòu)

為了提高建模效率、減少互相牽制和干擾因素,將地鐵候車空間和隧道場景分開建模. 同時對于整個地鐵場景的三維建模,需要盡可能掌握地鐵場景中各實體的空間信息. 通過 AutoCAD 圖形構(gòu)建獲取地鐵候車層,隧道、軌道的結(jié)構(gòu)尺寸,為3DMax三維建模提供準確的輪廓數(shù)據(jù). 同時,為彌補南昌地鐵場景AutoCAD二維圖形數(shù)據(jù)難以表述建筑、設(shè)備外觀上具有表象性的局部特征信息的局限性,采取實景照片加以輔助來建立三維模型. 人工拍攝的地鐵站點內(nèi)部場景實景照片,經(jīng)過Photoshop軟件對亮度、色調(diào)、飽和度處理之后,通過貼圖紋理應(yīng)用到建好的模型中,不僅能表現(xiàn)地鐵場景中各實體的具體位置關(guān)系信息,還能制作出在3DMax中用于表現(xiàn)虛擬模型外觀的顏色,更加貼近現(xiàn)實場景的真實感. 例如,地鐵站內(nèi)部的廣告牌無需進行建模,只需將處理好的廣告牌實景貼圖放置于模型墻體表面,同樣能夠達到真實的漫游效果. 地鐵站廳層與站臺層的漫游效果如圖2和圖3所示.

圖2 站廳層場景漫游效果圖

圖3 站臺層場景漫游效果圖

3.2 沿線站點全景發(fā)布與VR漫游

全景圖(panorama)是一種具有固定視點和大范圍視角的廣角場景圖像,包括360度水平視角視和160度以上的垂直視角[5]. 南昌地鐵出入站口全景圖的獲取,需要使用數(shù)碼相機實地拍攝連續(xù)的圖像序列,然后通過軟件拼接得單個站點一個出入口的完整全景圖.

為了方便用戶結(jié)合百度地圖使用導(dǎo)乘功能,各個站點和出入口之間需要實現(xiàn)靈活的場景切換,即需要將單個站點的全景圖與百度地圖中對應(yīng)的地鐵沿線站點進行關(guān)聯(lián),并針對單個站點不同出入口提供關(guān)聯(lián)跳轉(zhuǎn)功能. 為此,本文設(shè)計了南昌地鐵一號線24個站點對應(yīng)的24個全景網(wǎng)頁,其中首頁面如圖4所示： 每個頁面包含當前站點的多個出入口跳轉(zhuǎn)鏈接、前一站點和后一站點的跳轉(zhuǎn)鏈接,以及頁面縮放和方向控制等功能.

如圖5所示,奧體中心站C口全景效果. 圖中箭頭指示前后站點的跳轉(zhuǎn)鏈接,鼠標點擊全景圖中預(yù)設(shè)的熱點,觸發(fā)同站點內(nèi)各出入口間跳轉(zhuǎn)的操作[6]. 頁面底部控制面板亦可實現(xiàn)前后站點和不同出入口跳轉(zhuǎn),相應(yīng)功能支持鍵盤控制,用戶還可以通過點擊VR按鈕切換VR狀況,達到更好的場景漫游體驗.

圖4 南昌地鐵一號線地面站點全景首頁

圖5 南昌地鐵一號線地面站點全景網(wǎng)頁

4 地下站點場景與地面全景的交互

Unity3D內(nèi)置的組件將物理引擎、聲音引擎、碰撞檢測、動畫組件、場景管理等模塊封裝得非常易用,可視化的編輯器,可以幫助開發(fā)者實時預(yù)覽場景效果,其界面交互技術(shù)也正是實現(xiàn)三維模型與全景圖像集成化管理漫游的關(guān)鍵.

程序主界面主要通過Unity3D的NGUI插件搭建,包含功能控制按鈕,及小地圖顯示區(qū)域.

(1) 小地圖的實現(xiàn)方式,即創(chuàng)建一個小地圖相機跟隨第一人稱主相機一起移動,其實就是讓小地圖相機和主相機的相對位置不變即可. 這里需要使用代碼來控制兩個對象之間的相對位置,使其保持不變. 在Unity3D中,用transform 組件來獲取一個物體的位置,將小地圖相機與第一人稱主相機關(guān)聯(lián),那么只要主相機進行運動,其transform屬性的值就會傳遞到至小地圖相機上,小地圖相機的位置就等于主相機位置+運動偏移量,關(guān)鍵代碼如下：

(2) 地下站點場景漫游,Unity3D中自帶第一人稱視角控制相關(guān)代碼,手動漫游按鈕的代碼可以直接調(diào)用,用戶通過鼠標和WASD鍵盤按鍵在第一人稱視角下進行三維漫游,還可通過界面右上角小地圖觀察在地鐵站中所處相對位置.

(3) 地下場景至地面全景跳轉(zhuǎn),首先需要通過NGUI菜單創(chuàng)建響應(yīng)全景網(wǎng)頁跳轉(zhuǎn)事件的按鈕,目的是通過點擊按鈕實現(xiàn)C/S端至B/S端的網(wǎng)頁跳轉(zhuǎn),網(wǎng)站鏈接的設(shè)置需要按鈕子集下的標簽來完成. 其過程大致可以簡述為：

1) 在按鈕中添加Lable;

2) 在Lable的Inspector中設(shè)置全景跳轉(zhuǎn)的網(wǎng)頁鏈接.

(4) 運行系統(tǒng)時,點擊全景跳轉(zhuǎn)按鈕即可自動彈出相應(yīng)網(wǎng)頁進行地面全景漫游功能體驗. 地面全景漫游功能設(shè)計主要是能夠在由拍攝的全景圖像所構(gòu)建的南昌地鐵各個站點的全景空間里進行場景切換,達到瀏覽各個不同出入口場景的目的,方便乘客進出站點. 具體設(shè)計實現(xiàn)過程如下：

1) 將處理好的全景圖用全景處理軟件制作成可以自動旋轉(zhuǎn),和具有放大縮小,控制旋轉(zhuǎn)方向的全景圖格式文件.

2) 通過百度地圖API創(chuàng)建地圖,初始化地圖元素,加載地圖操作基本控件,同樣利用百度地圖API在地圖中全景圖對應(yīng)點添加控制按鈕.

3) 將之前制作好的全景圖文件嵌入加載好的百度地圖網(wǎng)頁中,通過使用JavaScript語言對應(yīng)設(shè)置地鐵各站點及出入口的控制按鈕,顯示每個地鐵站的ABCD出入口,然后通過鼠標點擊即可查看對應(yīng)站點出入口的全景圖.

5 結(jié)語

本文通過南昌地鐵一號線站點地下場景的三維建模及站點地面出入口的全景圖,基于Unity3D+百度地圖平臺,實現(xiàn)了南昌地鐵一號線地下地面一體化三維虛擬漫游,為地圖導(dǎo)乘和沿線站點景觀漫游提供了一種簡單易行的解決方案. 相比于地下地上真三維建模,在技術(shù)層面,節(jié)省了大量的研發(fā)時間和人工成本,在表現(xiàn)形式上達到了預(yù)期效果,希望對同行研究具有一定的參考意義. 隨著南昌地鐵其他線路的陸續(xù)開通,未來還可以擴展成南昌市軌道(地鐵)交通網(wǎng)絡(luò)三維虛擬仿真平臺,則會具有更大的實用價值.

6 致謝

本文研究得到江西省人力資源與社會保障廳博士后擇優(yōu)資助項目,國家自然科學(xué)基金(No. 41461083),國家科技支撐項目(2015BAH50F02,2015BAH50F03),江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心項目(JXSEW-00),鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室主任基金(ZK2014002),流域生態(tài)與地理環(huán)境國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助.

1黃穎. 基于Unity3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的岳麓書院3D漫游設(shè)計[碩士學(xué)位論文]. 長沙： 湖南大學(xué),2016.

2王淑嬙,王乾坤,何辰琛. 地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)的構(gòu)建. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版),2012,34(3)： 289-292,321.

3杜霄,唐濤. 地鐵列車運行仿真系統(tǒng)中三維視景建模和簡化. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(6)： 1724-1728.

4翁武文. 基于Unity 3D的虛擬車站的設(shè)計與實現(xiàn)[碩士學(xué)位論文]. 廈門： 廈門大學(xué),2016.

5Oettermann S. The panorama： history of a mass medium. New York,NY,USA： Zone Books,1997.

6王磊,高玨,金野,等. 基于Web3D無插件的三維模型展示的研究. 計算機技術(shù)與發(fā)展,2015,25(4)： 217-220.