◎ 羅雅丹，羅琪斯

廣西地圖院，廣西 南寧 530023

目前，版圖意識教育的宣傳素材主要以文字、圖片和視頻為主，表達形式比較受限，用戶體驗效果一般。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，以下簡稱VR）是計算機通過模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境的沉浸感。通過在計算機上生成三維空間，用戶借助輸入設(shè)備，在計算機上360°觀察或操縱物體，讓用戶如身臨其境，從而產(chǎn)生沉浸感[2]。目前，應(yīng)用在三維虛擬的開發(fā)技術(shù)主要有OpenGL、DriectX、Unity3D 以 及Cult3D 等，其 中，Unity3D 技術(shù)以其優(yōu)越的渲染效果和更高的擴展空間受到了眾多專業(yè)技術(shù)人員的青睞[3]。

廣西標準地圖服務(wù)平臺在提供標準地圖、專題地圖和熱點地圖等服務(wù)的基礎(chǔ)上，增設(shè)版圖意識教育板塊，并建設(shè)基于Unity 的版圖意識教育在線展廳。平臺通過3D 虛擬漫游的形式展現(xiàn)版圖知識，為用戶提供更好的沉浸式交互體驗和知識信息服務(wù)。同時也豐富了版圖意識教育的宣傳形式，進一步強化了國家版圖意識的宣傳教育工作，引領(lǐng)社會公眾在線學(xué)習版圖知識，提高全民國家版圖意識。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要以展廳場景為藍本，實現(xiàn)版圖意識教育在線游覽，在盡可能還原展廳環(huán)境真實感的情況下，提升展廳的藝術(shù)設(shè)計感和互動感。系統(tǒng)采用3ds Max 搭建展廳模型，并在Unity3D 中搭建展廳場景，將模型導(dǎo)入到Unity3D 的場景中。以C#作為此次編程的主要腳本語言，建立虛擬環(huán)境，實現(xiàn)對虛擬場景的漫游功能。

1.1 系統(tǒng)框架

展廳的建設(shè)分為三維場景的構(gòu)建和漫游交互功能的實現(xiàn)兩大部分（見圖1）。三維場景的構(gòu)建包括房屋結(jié)構(gòu)的搭建，房屋內(nèi)部材質(zhì)紋理、燈光環(huán)境、版圖知識內(nèi)容等設(shè)置；漫游交互功能的實現(xiàn)包括展廳房間之間的切換、自由視角漫游、場景放大縮小和旋轉(zhuǎn)等操作，以及版圖知識教育背景音樂和科普視頻的播放、暫停、停止等。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 平臺架構(gòu)

2 技術(shù)路線

系統(tǒng)通過收集展廳平面數(shù)據(jù)、版圖意識教育宣傳文案和視頻數(shù)據(jù)等資料，采用3ds Max軟件制作出展廳的場景模型；在Unity3D 平臺中利用C#設(shè)計交互界面，整合動畫視頻、版圖意識教育素材，完成版圖意識教育在線展廳的建設(shè)。技術(shù)線路如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2.1 信息采集

研究小組根據(jù)已有的展廳CAD 平面圖確定室內(nèi)的布局，并整理展廳內(nèi)部建筑的材質(zhì)紋理、展示內(nèi)容等。展廳主要由序廳、1 號展廳和2 號展廳3 個部分組成。展廳主要收集的素材有國家版圖的概念，地圖上中國版圖的表達，中國的地理位置、疆域四至、管轄海域等，中國版圖的正確表示方法以及規(guī)范使用地圖的科普視頻等內(nèi)容。系統(tǒng)將所收集的素材分類進行排版，最終形成展廳文化墻的樣式。

2.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)將坐標信息賦予CAD 圖，并對CAD圖進行必要的語義信息賦予，建立拓撲結(jié)構(gòu)[4]。系統(tǒng)以CAD 平面圖作為參考在3ds Max 中制作序廳、1 號展廳和2 號展廳的構(gòu)造場景，并以FBX 格式導(dǎo)出；將FBX 文件導(dǎo)入Unity3D中進行三維場景的搭建，同時將整理好的材質(zhì)紋理導(dǎo)入3ds Max 和Unity3D 中使用。

2.3 場景模型構(gòu)建

場景中的所有元素搭配和整合，均在Unity3D 編輯器中完成。研究小組利用模擬物品的外形幾何特征進行初步仿真，再根據(jù)元素的特征點，對元素的材質(zhì)球、顏色進行微調(diào)；采用Photoshop 制作各種紋理貼圖的源文件；利用陰影、反射、光照以及天空盒等元素，增強整個展廳場景的可視化效果；采用Unity3D自帶的三維渲染算法完成場景的整體渲染。

2.4 場景設(shè)置

2.4.1 燈光設(shè)置

為了使場景看起來生動逼真，需要在展廳模型內(nèi)設(shè)置合適的燈光，用于烘托場景氛圍。Unity3D 提 供 了4 種 光 源，即Directional Light（直線光）、Point Light（點光源）、Spot Light（聚光燈）、Area Light（區(qū)域光）。研究小組在序廳中采用聚光燈和區(qū)域光，使整個序廳呈現(xiàn)出明亮大氣的效果；在1 號展廳和2 號展廳的天花板使用聚光燈，并在展示的墻體上方使用點光源，聚焦到每一項具體的內(nèi)容。

2.4.2 材質(zhì)紋理設(shè)置

研究小組根據(jù)展廳的建筑風格，選擇合適的地板、墻紙以及吊頂紋理，并適當調(diào)整物體表面的光滑程度、凹凸程度和發(fā)光度等。展廳所有地板采用統(tǒng)一簡約的木板紋理；承重墻、序廳的歡迎墻體均采用紅色背景的紋理；文化墻的修飾則根據(jù)每個展廳的專題內(nèi)容進行不同顏色的搭配。

播種前先用滅茬機粉碎前季作物秸稈和雜草，再用50馬力以上機械開溝、覆土。播后3天內(nèi)及時用乙草胺類除草劑進行芽前噴霧防雜草。在初花期和盛花期分別用咪鮮胺或多菌靈對水噴霧防治菌核病。油菜十成黃熟用聯(lián)合收割機一次性收獲。

2.4.3 版圖素材設(shè)置

按照前期整理好的版圖知識內(nèi)容素材，研究小組根據(jù)不同的分類將不同的展示內(nèi)容導(dǎo)入到不同的展區(qū)。序廳的表現(xiàn)形式主要是文字，設(shè)置醒目的展廳標題，在其兩側(cè)分別放置版圖小故事和規(guī)范使用地圖的科普視頻，注重氣氛渲染，使參觀者快速進入游覽狀態(tài)；1 號展廳放置國家版圖、中國版圖等概念性的內(nèi)容；2 號展廳是關(guān)于中國版圖的正確表示方法、維護國家版圖尊嚴等方面的內(nèi)容介紹。

2.5 編寫腳本

2.5.1 碰撞檢測

在Unity3D 建模過程中，為了模擬真實環(huán)境中遇到障礙物時物體的本能反應(yīng)，需要做一些碰撞事件的處理，例如物體不能穿墻而過等[5]。其原理可以理解為在一個立方體或球體中存在著會產(chǎn)生碰撞的物體，程序通過讀取移動物體與立方體或球體之間的距離、位置等信息來判斷是否發(fā)生碰撞。

系統(tǒng)將展廳內(nèi)部的墻體添加剛體組件（Rigidbody），給墻體添加檢測碰撞的腳本組件CubeCollision，并在腳本文件中添加監(jiān)聽函數(shù)，當物體與墻體發(fā)生碰撞時，OnCollisionEnter 便會被觸發(fā)調(diào)用，在整個碰撞過程中會持續(xù)調(diào)用OnCollisionStay 方法，直到碰撞接觸被解除時，OnCollisionExit 被觸發(fā)，從而實現(xiàn)限制物體穿墻而過。通過碰撞檢測處理，讓用戶任意瀏覽時獲得更好的體驗。

2.5.2 漫游交互

Unity3D 平臺中采用localPosition 屬性代表當前模型的局部位置，采用position 屬性代表當前模型的世界坐標，使用worldToLocalMatrix便于把世界坐標轉(zhuǎn)變?yōu)榫植孔鴺?，使用translate可以實現(xiàn)相對坐標系移動或者相對其他物體移動操作，使用rotate 可以實現(xiàn)繞坐標軸或者某個向量旋轉(zhuǎn)操作[6]。

研究小組使用Unity3D 標準資源包中的Characters資源，在場景中拖入FirstPersonController 預(yù)制體，它提供了完整的角色控制功能，通過控制攝像機的動作完成第一視角的控制。研究小組分別建立控制、旋轉(zhuǎn)2 個腳本，實現(xiàn)攝像機的移動、旋轉(zhuǎn)功能。其中控制腳本可以控制鼠標在場景內(nèi)移動過程中視角上下左右運動的視角范圍和靈敏度；旋轉(zhuǎn)腳本根據(jù)鼠標移動的快慢生成視角可左右旋轉(zhuǎn)的角度大小。根據(jù)用戶使用習慣，算法對鼠標單次移動或者旋轉(zhuǎn)的最大視角做了極值控制，降低用戶在場景中使用第一人稱視角進行全景瀏覽時可能會引起的不適應(yīng)感。同時，提供鍵盤控制，在腳本中分別寫入W、A、S、D 鍵位控制相機前后左右移動的功能，用戶可通過鼠標和鍵盤控制視角的高度和瀏覽的角度，瀏覽場景內(nèi)任意范圍所及的內(nèi)容。

2.5.3 視頻配置

為了豐富展廳的表達內(nèi)容，系統(tǒng)在展廳入口的明顯位置添加規(guī)范使用地圖的科普視頻。Unity3D 引擎中自帶視頻播放器（VideoPlayer）組件，使用視頻播放器組件可將視頻文件附加到游戲?qū)ο笊?，在運行時通過游戲?qū)ο蟮募y理組件播放視頻內(nèi)容。系統(tǒng)在場景中建立原始圖像RawImage，設(shè)定與視頻相同分辨率的大小，以及視頻瀏覽所需的播放、暫停、停止等按鍵button；在RawImage 中添加VideoPlayer 組件和AudioSource 組件，導(dǎo)入視頻源；在RawImage 中添加視頻控制腳本，針對不同的函數(shù)選定對應(yīng)的button，實現(xiàn)對視頻的播放、暫停、停止等功能。

2.5.4 發(fā) 布

系統(tǒng)完成碰撞檢測、漫游交互和視頻配置等腳本編寫后，選擇WebGL 進行發(fā)布。

3 平臺運行及展望

3.1 平臺運行情況

為了更好地融入廣西標準地圖服務(wù)平臺，研究小組將在線展廳發(fā)布成具有較高耦合性的WebGL 網(wǎng)頁版。平臺的運行環(huán)境為：處理器Intel（R）Core（TM）i7—9700，主頻3.0 GHz，內(nèi)存64.0 GB，顯卡NVIDIA Quadro P1000，硬盤3 T。在線展廳設(shè)計使用Unity 2020.3.11f1c1技術(shù)平臺，建模軟件使用3ds Max2016，圖3為展廳的序廳，圖4 為科普視頻播放展示，虛擬場景的渲染效果良好。系統(tǒng)運行的平均幀數(shù)在50 FPS 以上，具有較好的顯示效果和真實沉浸感，用戶體驗效果較好。在線展廳還可以發(fā)布成PC 端和移動端，能夠在多種軟硬件平臺下運行，具有較好的移植性。

圖3 展廳序廳圖

圖4 科普視頻播放展示圖

3.2 不足與展望

平臺主要完成了版圖知識教育在線展廳的三維建模、展廳設(shè)計與系統(tǒng)架構(gòu)、展廳的交互等工作，實現(xiàn)了虛擬漫游、碰撞檢測和多媒體播放等功能。不足之處在于該展廳的圖文內(nèi)容和視頻內(nèi)容無法自動更新。下一步，研究小組將研究如何結(jié)合C#腳本語言，在不修改模型和工程源文件的情況下，通過將素材放到指定的文件目錄中，便能快速完成展示的圖文和視頻自動更新的功能；目前展廳內(nèi)版圖知識互動較少，閱讀類的圖文素材較多，在如何豐富展廳的互動內(nèi)容方面需要進行更為深入的研究，在人機交互上進一步挖掘和擴展，使系統(tǒng)展示的版圖知識內(nèi)容更為豐富多彩，版圖意識教育的宣傳工作效果更為明顯。

4 結(jié) 語

研究小組基于3ds Max 和Unity3D 技術(shù)，將國家版圖意識教育豐富的知識信息收集整理并建立虛擬展廳，為用戶提供沉浸式虛擬漫游體驗。版圖知識教育在線展廳是互聯(lián)網(wǎng)+版圖意識教育的有效嘗試，以全新的方式服務(wù)于版圖意識教育工作，為社會公眾進一步了解版圖知識開辟了新途徑。目前該展廳已于廣西標準地圖服務(wù)平臺上線使用，豐富了版圖意識教育宣傳的形式，有助于營造全民普及國家版圖知識教育的良好環(huán)境，提高社會公眾的國家版圖意識。