韓蕾

摘要：為了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將樓盤(pán)銷(xiāo)售從傳統(tǒng)的圖紙宣傳方式變成三維空間漫游方式，該文重點(diǎn)對(duì)虛擬三維空間漫游常用的漫游技術(shù)和碰撞檢測(cè)方法進(jìn)行研究，并對(duì)漫游和碰撞檢測(cè)在Unity3d平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了介紹。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；場(chǎng)景漫游；自動(dòng)尋路；碰撞檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0194-02

Research of the Virtual Community Cruise and Collision Detection Based on Unity3d

HAN Lei

（Qingdao Harbor Vocational and Technical College， Qingdao 266400， China）

Abstract： In order to use virtual reality technology to real estate sales from the traditional way into cruise mode based on three-dimension， this article studied the roaming technology and collision detection methods based on the virtual three-dimensional space ， and the collision detection and roaming platform in Unity3d the implementation process is introduced.

key words： virtual reality； cruise； automatic pathfinding； collision detection

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展給房地產(chǎn)銷(xiāo)售方式帶來(lái)革命性的變化，樓盤(pán)營(yíng)銷(xiāo)手段從平面圖紙宣傳轉(zhuǎn)換成了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬樓盤(pán)漫游，極大的增強(qiáng)了客戶(hù)對(duì)樓盤(pán)認(rèn)知的真實(shí)感，從而增強(qiáng)了客戶(hù)進(jìn)一步關(guān)注樓盤(pán)的愿望，虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)得到廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。虛擬漫游技術(shù)主要包括場(chǎng)景建模、場(chǎng)景漫游、碰撞檢測(cè)三大技術(shù)，本文就基于Unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)所需要的場(chǎng)景漫游技術(shù)和碰撞檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及Unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合集成計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的一種高技術(shù)模擬系統(tǒng)。它生成一種讓人從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多方面感到“真實(shí)”的三維虛擬環(huán)境，支持人通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)、動(dòng)作等多種與真實(shí)情況一致的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，給人一種身臨其境的感覺(jué)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)真實(shí)環(huán)境的強(qiáng)大的虛擬功能和其給用戶(hù)帶來(lái)的強(qiáng)烈的沉浸感和自然真實(shí)的交互性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、游戲、建筑設(shè)計(jì)、房產(chǎn)開(kāi)發(fā)、航空航天、工業(yè)仿真、應(yīng)急演練等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

Unity3d是一款三維游戲開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Unity3d用戶(hù)可以輕松的完成三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等三維虛擬環(huán)境的交互內(nèi)容。Unity3d編輯器在Windows 和Mac OS X下運(yùn)行，并支持Windows、iphone、Android等多種發(fā)布平臺(tái)。由于其可視化的開(kāi)發(fā)界面、多發(fā)布平臺(tái)、多開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及支持大家熟悉的C#語(yǔ)言作為腳本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Unity3d被廣泛的應(yīng)用于三維虛擬漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

2 虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)及在Unity3d中的實(shí)現(xiàn)

一個(gè)樓盤(pán)虛擬漫游功能至少要提供用戶(hù)進(jìn)行自主“游覽”的交互漫游功能和可以為用戶(hù)進(jìn)行全方位導(dǎo)航的自動(dòng)漫游功能，這樣的樓盤(pán)漫游系統(tǒng)才可以滿(mǎn)足用戶(hù)的基本需要。

2.1 交互漫游技術(shù)及在Unity3d中的實(shí)現(xiàn)

虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)中交互漫游功能提供用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)以及觸摸方式控制漫游角色按照操作者的意志進(jìn)行瀏覽的功能，Unity3d中提供第一人稱(chēng)角色漫游和第三人稱(chēng)角色漫游兩種漫游方式。對(duì)于虛擬樓盤(pán)漫游，我們通常采用第一人稱(chēng)漫游，以增強(qiáng)用戶(hù)的沉浸感、真實(shí)感。

虛擬場(chǎng)景漫游的實(shí)現(xiàn)原理是仿照真實(shí)環(huán)境中攝像機(jī)的作用和操作方式，相當(dāng)于給在虛擬環(huán)境中的瀏覽者加上了一架攝像機(jī)，瀏覽者通過(guò)攝像機(jī)瀏覽環(huán)境。因此在虛擬漫游在系統(tǒng)中首先要架設(shè)攝像機(jī)（系統(tǒng)組件）在合適的位置，接下來(lái)通過(guò)交互設(shè)備（大多數(shù)情況下用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)）和腳本程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的上下左右、遠(yuǎn)近視點(diǎn)位置的控制功能，配合三維場(chǎng)景畫(huà)面的動(dòng)態(tài)切換載入模擬出在觀察者在真實(shí)環(huán)境中隨位置、方向、視線變化所看到的場(chǎng)景的變化，從而實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下漫游的功能。三維場(chǎng)景模型制作完成后，在Unity3d中可以輕松的實(shí)現(xiàn)交互漫游。Unity3d中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

將建好的場(chǎng)景模型分類(lèi)導(dǎo)入到Unity3d中，做相應(yīng)三維場(chǎng)景效果參數(shù)設(shè)置。接著創(chuàng)建一個(gè)第一人稱(chēng)控制器First Person Controller，調(diào)整First Person Controller的位置和高度，這一步相當(dāng)于把一個(gè)第一視角的攝像機(jī)架設(shè)在一個(gè)透明的膠囊體漫游角色上，系統(tǒng)中出現(xiàn)了一個(gè)漫游者——系統(tǒng)操作者。接下來(lái)要做的是對(duì)該控制器的Character Controller組件設(shè)置屬性值、添加、改寫(xiě)漫游腳本。通過(guò)屬性值設(shè)置使漫游者在漫游過(guò)程應(yīng)具備現(xiàn)實(shí)用人在環(huán)境中游覽的特點(diǎn)，如，爬坡能力、過(guò)間隙的能力等等。編寫(xiě)腳本控制漫游角色相應(yīng)操作者的指使進(jìn)行漫游，腳本中通過(guò)Update函數(shù)響應(yīng)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的移動(dòng)輸入信號(hào)；通過(guò)Move函數(shù)控制第一人稱(chēng)控制器的移動(dòng)。同時(shí)，在移動(dòng)過(guò)程中要進(jìn)行碰撞檢測(cè)，一旦檢測(cè)到碰撞立即做出碰撞響應(yīng)——停止漫游，消息提示，等待調(diào)整漫游方向。漫游方向調(diào)整通過(guò)編寫(xiě)腳本由鍵盤(pán)的W、A、S、D按鍵來(lái)控制攝像機(jī)的移動(dòng)，通過(guò)鼠標(biāo)控制視角和朝向。

2.2 自動(dòng)尋路漫游技術(shù)及在Unity3d中的實(shí)現(xiàn)

對(duì)購(gòu)房者來(lái)說(shuō)，樓盤(pán)本身以及周邊的環(huán)境是購(gòu)房者所關(guān)注的，因此對(duì)于一個(gè)良好的虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)，能滿(mǎn)足用戶(hù)充分了解樓盤(pán)和樓盤(pán)周邊環(huán)境的功能。一個(gè)陌生的樓盤(pán)讓用戶(hù)通過(guò)交互漫游，往往會(huì)給人一種“不識(shí)廬山真面目”的感覺(jué)，因此虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)在提供交互漫游選項(xiàng)的同時(shí)也支持自動(dòng)尋路漫游，允許用戶(hù)輸入起點(diǎn)、目的地，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的起始點(diǎn)和目的地自動(dòng)尋找一條可行的路徑引領(lǐng)用戶(hù)漫游，使用戶(hù)輕輕松松漫游樓盤(pán)及周邊環(huán)境。

自動(dòng)尋路漫游的關(guān)鍵是路徑規(guī)劃。虛擬場(chǎng)景的路徑規(guī)劃來(lái)源于機(jī)器人學(xué)的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃又分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃，即在漫游前知道漫游場(chǎng)景的所有信息，根據(jù)已知的信息，借助路徑搜索算法，找出起點(diǎn)到終點(diǎn)的路線，開(kāi)始漫游。局部路徑規(guī)劃，即對(duì)場(chǎng)景的信息局部或完全未知，在漫游過(guò)程中需要借助某些特殊設(shè)備探知場(chǎng)景的信息，根據(jù)探知的信息確定漫游的方向、路徑[2]。對(duì)于虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)，整個(gè)樓盤(pán)的場(chǎng)景建模在漫游前已完成，可供漫游的路徑信息已知，因此，虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)的自動(dòng)尋路采用全局路徑規(guī)劃。

Unity3d支持靜態(tài)尋路和動(dòng)態(tài)尋路兩種尋路方式，靜態(tài)尋路要求漫游路徑在漫游前規(guī)劃完成，漫游過(guò)程沿著規(guī)劃的路線進(jìn)行；動(dòng)態(tài)尋路在漫游過(guò)程中一旦遇到障礙，需要從停止點(diǎn)到目標(biāo)之間重新進(jìn)行路徑規(guī)劃，選擇最佳路徑。虛擬樓盤(pán)漫游場(chǎng)景中的障礙物是固定的，可選路徑固定，因此對(duì)于樓盤(pán)漫游系統(tǒng)的選擇靜態(tài)尋路簡(jiǎn)單實(shí)用。在Unity3d中由NavMesh組件完成尋路開(kāi)發(fā)。NavMesh的尋路算法的核心是用三角形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的尋路算法中的網(wǎng)格，用計(jì)算拐點(diǎn)優(yōu)化尋路路徑。NavMesh尋路算法實(shí)現(xiàn)分為以下幾步：

第一步：建立MESH三角形網(wǎng)格：

首先，畫(huà)出一個(gè)范圍可行走范圍。再在可行走范圍中去不可行走的范圍。第三步用多個(gè)多邊形Polygon代替以上的范圍，然后再由這些多邊形的各個(gè)頂點(diǎn)來(lái)生成三角形網(wǎng)格，三角形網(wǎng)格的生成算法如下：

Step 1：用可行走Polygon的任意一條邊作為起點(diǎn)，將其推入堆棧列表。到Step2.

Step 2：從堆棧中推出一條邊，在所有三角形中計(jì)算出邊的DT點(diǎn)，構(gòu)成約束Delaunay三角形，到Step3。如果沒(méi)有DT點(diǎn)就重復(fù)做Step2，直到堆棧為空就結(jié)束整個(gè)程序。

Step 3：將所構(gòu)成的三角形，另兩邊做如下處理：檢查堆棧中是否已存在，如果存在就刪除該邊，如果不存在就加入到堆棧中。

第二步：用NavMesh算法尋路

首先計(jì)算起點(diǎn)到各鄰接三角形中心的距離，選取F值（距離賦值）最小的三角形，計(jì)算G（起點(diǎn)到個(gè)鄰接三角形中心的距離）值，如果比以前的G值小則更新父三角及G值，最終得到一條三角形連接線路。

對(duì)于虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)的建筑物，由于目標(biāo)范圍太大，導(dǎo)致路徑規(guī)劃復(fù)雜，處理的方法是在每個(gè)作為尋路目標(biāo)的建筑物入口處設(shè)置一個(gè)較小的替代目標(biāo)。

3 三維碰撞檢測(cè)技術(shù)及在Unity3d中的實(shí)現(xiàn)

虛擬樓盤(pán)場(chǎng)景有假山、樓體、樹(shù)木、花壇等，那么在交互漫游過(guò)程中，漫游角色在與這些物體發(fā)生碰撞時(shí)，系統(tǒng)必須能及時(shí)檢測(cè)到碰撞并立即做出處理響應(yīng)，這樣才能避免出現(xiàn)“穿墻”現(xiàn)象，給用戶(hù)一個(gè)逼真的漫游體驗(yàn)。碰撞檢測(cè)是虛擬樓盤(pán)漫游中影響漫游“真實(shí)感”的重要因素。

目前，常用的碰撞檢測(cè)方法主要有層次包圍盒法和空間分割法。空間分割法是把三維虛擬空間分割成大小相等的單元格，然后對(duì)占有同一個(gè)單元或者相鄰單元格的對(duì)象進(jìn)行相交檢測(cè)。在環(huán)境物體分布稀疏的場(chǎng)景中，空間分割法可以快速的找出相交單元格，進(jìn)行碰撞檢測(cè)。但是復(fù)雜的場(chǎng)景中，空間分割法由于不容易準(zhǔn)確確定分割尺寸，經(jīng)常造成存儲(chǔ)空間浪費(fèi)過(guò)大，檢測(cè)效率低。所以空間分割法較少使用。層次包圍盒法通過(guò)規(guī)則的立體幾何圖形將虛擬場(chǎng)景的對(duì)象包圍起來(lái)，使規(guī)則幾何體的特性與虛擬對(duì)象的特性接近一致，當(dāng)判斷兩個(gè)被層次包圍盒包圍的虛擬對(duì)象是否碰撞時(shí)，首先從包圍盒相交檢測(cè)開(kāi)始，如果包圍盒未相交，說(shuō)明兩個(gè)虛擬對(duì)象沒(méi)有發(fā)生碰撞，不需要進(jìn)行兩個(gè)虛擬對(duì)象的相交測(cè)試，因此層次包圍盒法效率較空間分割法要高的多，再加上其檢測(cè)方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，層次包圍盒法是三維虛擬場(chǎng)景漫游中應(yīng)用廣泛的碰撞檢測(cè)算法。根據(jù)包圍盒的幾何體不同，層次包圍盒碰撞檢測(cè)算法又分為：包圍球法、AABB包圍盒法、OBB包圍盒法[4]。

Unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)內(nèi)置了基于層次包圍盒的碰撞檢測(cè)算法，為了減輕開(kāi)發(fā)人員的工作負(fù)擔(dān)，Unity3d開(kāi)發(fā)平臺(tái)中基于層次包圍盒的各種碰撞檢測(cè)算法開(kāi)發(fā)完成了多種碰撞器，開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中直接添加相應(yīng)的碰撞器完成碰撞檢測(cè)，而不需要編寫(xiě)碰撞檢測(cè)算法，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。Unity3d提供的碰撞器主要包括Box Collider（盒子碰撞器）、Sphere Collider（球形碰撞器）、Capsule Collider（膠囊碰撞器）、Wheel Collider（輪子碰撞器）、Mesh Collider（網(wǎng)格碰撞器）、Terrain Collider（地形碰撞器）等?；赨nity3d做樓盤(pán)漫游系統(tǒng)，其碰撞檢測(cè)主要用于漫游角色與墻體、樹(shù)木、花壇、草地之間的碰撞，以不出現(xiàn)“穿墻”現(xiàn)象和及時(shí)做出碰撞響應(yīng)為目的，因此該漫游系統(tǒng)碰撞器應(yīng)以盒子、球形、膠囊等原型碰撞器為主，復(fù)雜物體的碰撞器用原型碰撞器進(jìn)行組合，比如，樹(shù)可以給樹(shù)頭和樹(shù)干分別用盒形碰撞器，讓他們組合起來(lái)作為單個(gè)碰撞器使用。

樓盤(pán)漫游系統(tǒng)中，對(duì)樓體、樹(shù)木、假山這些靜止不動(dòng)的環(huán)境模型添加Static Collider 靜態(tài)碰撞器。對(duì)漫游角色添加Rigidbody Collider 剛體碰撞器，碰撞信息處理由腳本組件通過(guò)OnCollisionEnter（當(dāng)進(jìn)入碰撞器）、 OnCollisionExit（當(dāng)退出碰撞器）、OnCollisionStay（當(dāng)逗留碰撞器）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是路徑規(guī)劃和碰撞檢測(cè)方法，本文首先對(duì)基于Unity3d進(jìn)行虛擬樓盤(pán)漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中用到的交互漫游和自動(dòng)尋路漫游的路徑規(guī)劃、以及漫游過(guò)程中的碰撞檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。接下來(lái)對(duì)漫游和碰撞檢測(cè)在Unity3d平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹。

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