基于Sketch Up和Unity3D的校园景观虚拟展示.pdf

1 7 2 2 0 2 3年8期2 0 2 3年第4 5卷第8期基于S k e t c hU p和U n i t y 3 D的校园景观虚拟展示杜天骄收稿时间:2 0 2 3-0 6-2 8作者简介:杜天骄(2 0 0 3-),本科生,研究方向为环境设计。(苏州大学 江苏 苏州2 1 5 0 0 0)摘 要 文中从基于U n i t y 3 D的虚拟现实建筑漫游着手,选取苏州大学现有的优秀建筑景观实体结构,利用S k e t c hU p完成模型构建,使用实景照片作为材质贴图。将模型导入U n i t y 3 D重新开发,利用U n i t y 3 D实景环境模拟功能,实现了虚拟场景漫游;提升了虚拟环境中景观的真实感,希望能为建筑景观漫游动画的进一步发展提供支持。关键词:虚拟现实;U n i t y 3 D;景观设计;可视化中图法分类号 T P 3 9 1.9V i r t u a lD i s p l a yo fC a m p u sL a n d s c a p eB a s e do nS k e t c hU pa n dU n i t y 3 DDUT i a n j i a o(S o o c h o wU n i v e r s i t y,S u z h o u,J i a n g s u2 1 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e rs t a r t sw i t h t h ev i r t u a l r e a l i t ya r c h i t e c t u r a l r o a m i n gb a s e do nU n i t y 3 D,s e l e c t s t h e e x i s t i n ge x c e l l e n ta r c h i t e c t u r a l l a n d s c a p es o l i ds t r u c t u r eo fS o o c h o w U n i v e r s i t y,u s e sS k e t c hU pt oc o m p l e t et h em o d e lc o n s t r u c t i o n,a n du s e sr e a l p h o t o s a sm a t e r i a lm a p s.I m p o r t t h em o d e l i n t oU n i t y 3 Df o r r e-d e v e l o p m e n t,a n du s e t h eU n i t y 3 Dr e a l-l i f e e n v i-r o n m e n t s i m u l a t i o nf u n c t i o nt or e a l i z ev i r t u a l s c e n er o a m i n g;i m p r o v e t h er e a l i s mo f t h e l a n d s c a p e i nt h ev i r t u a l e n v i r o n-m e n t,h o p i n gt op r o v i d es u p p o r t f o r t h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to f a r c h i t e c t u r a l l a n d s c a p er o a m i n ga n i m a t i o n.K e y w o r d s V i r t u a l r e a l i t y,U n i t y 3 D,L a n d s c a p ed e s i g n,V i s u a l i z a t i o n0 引言随着元宇宙热度的增长,虚拟现实技术越来越受人们的重视。U n i t y 3 D作为时下热门的实景模拟引擎,不仅能还原真实场景,还能与各类人群实现友好互动。开发者对场景的搭建会直接影响人们的漫游观感,只有将现实场景还原到位,才能唤起人们对空间的群体记忆,给观者留下正确、深刻的识别印象。本文以苏州大学美术馆虚拟现实项目为切入点,分析、探讨了场景的设计思路与方法。G o o g l eS k e t c hU p是一套直接面向设计方案创作流程的设计工具,其独特的推拉功能可以使设计师的创作流程变得简单、直观,也可用于既有建筑或场景的复刻,是一款优秀的三维建筑模型制作工具。U n i t y 3 D是由U n i t yT e c h-n o l o g i e s开发的一款可用于制作动画、二次元或3 D游戏、场景漫游等的跨平台综合游戏开发工具,其内置资源丰富,自带植物、水体、天空盒子、粒子特效等,可以帮助开发者制作出色的景观场景。1 研究内容和思路对S k e t c hU p场景制作和U n i t y 3 D引擎技术进行应用学习和设计实现,首先需要创建和完善建筑模型,再将标准化的模型导入U 3 D,为其布置场景,添加场景特效,随后编写人机交互程序,最后进行发布与测试。具体的调研设计思路如图1所示。图1 基于U n i t y 3 D的景观设计漫游思路2 建立建筑模型在进行3 D建模前,应尽可能精确地测量和收集建筑数2 0 2 3年8期1 7 3 据,如柱宽、平面和立面的C A D图纸资料等。将绘制处理好的C A D图纸导入S U软件,手动或使用插件将C A D线稿进行封面,然后利用推拉工具,选择地面的平面,将实测地面的厚度数值输入其中,点击回车确定,就可以使模型具有一定的厚度,这表明场馆地面建模完毕。如果精细地绘制好C A D平面和立面图,就可以以毫米为单位,构造出场馆柱网、墙体、楼板、楼梯、门窗等建筑构件的模型,在分门别类建好群组后,合理应用捕捉工具的点、线、面吸附功能,将模型各部件拼在一起,最终搭建一个立体的场馆模型。3 模型标准化处理3.1 U VW及贴图U VW在模型软件中对应X,Y,Z轴,不正确的贴图方向会导致建筑模型信息产生误差。因此,在贴材质之前,需要预先对模型各表面的U VW进行调整。S k e t c hU p中的贴图类型主要为图片贴图,即给模型表面贴上一张处理好的图片1。图片贴图法对画面的精确度要求较高,画面具有很强的可重复性,可以在单独的平面上呈现规整的砖纹和贴图。这种方法简单且常用,但如果贴图材料的表面积较大,就会发现明显的排列痕迹,即“足球场效应”,这时就可以利用插件,通过不同角度旋转其中部分单位的画面,以缓解这种现象。3.2 模型优化模型优化可以针对拥有极多多边形数的大型场景,也可以面向贴图丰富且精细的模型。由于模型需要在C P U和G P U的联合协作中进行实时计算,从而统计光线信息、计算阴影等,过多的多面形会增加系统资源的消耗,造成意外情况,如画面卡顿、反应变慢和闪退等。因此,模型优化主要在于合理删减多边形数,如可以考虑对下列情况的多边形进行删减:(1)模型交接处的多边形;(2)画面中不会出现的多边形;(3)太精细的多边形等2。另外,某些不必要的材质素材图像过大,也会导致渲染卡顿,因此在赋予材质时,需要留意贴图的质量,可以在P S中修改图像大小或使用贴图插件,以提高效率。3.3 模型导出在所有的模型建造完成后,可以将相同材质的模型进行组合。模型中的多面体可以根据需要柔化边线,使其看起来更为流畅。一个建筑本体的所有组成部分都可以被安置在一个群组(G r o u p)中。删去场景中的多余部分,统一命名材质、贴图、对象等为m_(材质名称)、t_(贴图名称)、s m_(对象名称)等。整理好后,在文件选项下导出三维模型,将F B X模型导出至U n i t y 3 D项目的A s s e t s中。在导出选项栏上勾选“导出纹理映射”“Y Z坐标切换(Y轴朝上)”等选项。至此,模型部分已经处理完成。4 场景交互4.1 场景设置可以通过灯光烘焙、利用粒子效果、构造地形等方式来营造场景气氛,烘托艺术氛围。美术馆内部是一种在人工光照下的室内空间,光线主要来自于展品周围及吊挂在天花板上的筒灯、射灯等点状光源。对于吊顶灯光而言,可以通过在场景中加入S p o tL i g h t灯光,调整方向、光源半径和辐射范围,达到基础照明和局部聚光强调的作用。针对展品的细节光照,可在S p o tL i g h t照射的基础上,在物体的背光面用P o i n t l i g h t辅助照明,使展品通透明亮,减少单一光源造成的光影割裂和细节湮没现象,获得更为细腻、丰富的视觉效果。另外,为节省系统的计算资源,可以将部分光照的模式修改为B a k e d,然后将光照的颜色和亮度信息输入光照贴图中。当丰富室外场景时,自然环境方面可以利用D i-r e c t i o nL i g h t模拟太阳光照射,用S k yB o x e s绘制天空细节,用C r e a t eT e r r a i n创建并编辑场地地形。周边建筑可以在U 3 D中导入标准化、处理好的各种建筑的F B X格式文件,设置模型的材质贴图,并调整各项渲染参数。同时在各种刚体上加入碰撞组件,避免在漫游过程中出现穿模现象。4.2 系统交互设计人机交互技术指通过计算机输入、输出设备,实现人与计算机之间有效对话的技术。这套系统的人机交互方式主要表现为,用户可以通过A,D,W,S键来控制漫游方向的左、右、前、后。GU I界面交互设计。点击S t a r t时,场景跳转,进入场景,实现漫游。点击Q u i t时,自动退出节目。碰撞检测技术。碰撞检测指在模拟现实中遇到障碍物时,人或物的本能反应。当漫游角色碰到天空、地面、墙壁等物体时,为了保证漫游的真实感,会无法继续前进。U 3 D支持碰撞检测,其有两种方式,一种是用碰撞器,一种是用触发器。利用碰撞器检测时,类似物理中的动量守恒定律,在U 3 D中模拟两个刚体发生碰撞时,会产生回弹或停顿现象。部分情况只需要检测物体之间是否有接触即可,并不需要产生碰撞效果,用触发器接触就可以检测到这种情况。5 场景真实感的实现5.1 材质贴图处理基于物理属性的渲染引擎,可以更真实地还原现实场景,而更加精细的贴图处理则主要在U 3 D的着色器(S h a-d e r)中进行。将基础图案纹理导入主贴图(M a i nM a p)的反照率(A l b e d o)参数栏,然后根据不同材质的属性,调整金属度(M e t a l l i c),指 定 法 线 贴 图(N o r m a l M a p)、高 度 贴 图(H e i g h tM a p)。调节环境光遮蔽(O c c l u s i o n)、自发光(E-m i s s i o n)、纹理贴图的缩放(T i l i n g)、偏移(O f f s e t),使视觉效果更加真实、美观。5.2 场景细节处理U 3 D自带的T r e e,W a t e r(B a s i c),W a t e r(P r oO n l y)能创造出高质量的虚拟环境。例如,若想还原场景中一棵有特征的树,可以在植物系统(T r e e)中自定义树干形状与数量、树枝分叉方式及叶片形态,并添加风场,让树随风摇摆,增加场景的趣味性和真实感。移动信息1 7 4 2 0 2 3年8期5.3 光线处理光线处理是体现场景真实性的重要一环。画面效果主要通过U n i t y 3 D引擎模拟的自然环境光照和材质物理属性渲染来实现,因此在调整光照色温和光线角度时,务必要考虑真实世界。例如,建筑所处区域的经纬度、现场云量和雾气、一天中不同时刻阳光的不同颜色等。校园场景在U n i-t y 3 D中的效果展示如图2所示。图2 校园场景在U n i t y 3 D中的效果展示5.4 色彩处理建筑漫游动画在还原现有景观色彩的真实性之上,还要进行特定的色彩情绪氛围渲染。可以根据主观审美对画面色调进行统一,以实现更加美观、更具情感的漫游场景,让游客沉浸其中。不同季节给人的色彩感觉也不尽相同,可以从这一点出发,完善场景色彩的感受性。5.5 摄像头运动U n i t y 3 D通过编写代码改变镜头运动的速度和节奏,来丰富、增 强 空 间 的 立 体 感 和 纵 深 感,增 强 影 片 的 表 现力3。视觉舒适且惊艳的镜头转场也是优秀漫游动画设计的一部分,可以巧妙切换场景,加深游览者对展馆的记忆。6 结语本文简要阐述了在U n i t y 3 D引擎中搭建虚拟现实场景的流程,讨论了将S k e t c hU p创建的建筑模型导入U n i t y 3 D场景的方法、人机交互和场景真实感的实现方式、营造艺术感的方法等内容。在未来的项目发展中,还可以应用U n i t y 3 D自带的功能实现酷炫的展示效果,实现元宇宙美术馆的营建。U n i-t y 3 D的功能强大,使用便捷。基于U n i t y 3 D的虚拟现实项目通过人机交互界面,可以控制人物在场景中漫游,同时融入真实感和巧妙的艺术性构思,以达到虚实相生的美好意境。参考文献1王银.基于U n i t y 3 D的V R艺术馆的设计与实现J.信息与电脑(理论版),2 0 1 9,3 1(1 7):5 4-5 6.2刘霞,李晓华.基于U n i t y 3 D的虚拟校园漫游系统J.科技视界,2 0 2 0(6):2 3 1-2 3 2.3张慧.建 筑 景 观 漫 游 动 画 设 计 研 究 D.青 岛:青 岛 大 学,2 0 1 8.(上接第1 6 8页)3 结语本文搭建了C NN与S VM相结合的深度学习模型,以进行技术融合趋势预测。在实验的4个阶段中,都得到了超过8 7%的精确度,较之现有研究成果有所提高。本文根据模型预测出的融合趋势关系,针对政府、企业和科研机构分别提出了相关的建议,以促进A T R技术和相关产业的进一步发展。(1)面向政府部门的相关政策建议制定针对相关产业的发展政策,并将具体领域的融合发展研究纳入政府部门资助的科研项目中,以吸引更多的研发资源投入前景融合领域的探索中。积极促进A T R技术“产学研用”一体化协同创新平台的构建,及时共享技术发展和市场需求等信息,为大众提供一个优质的集创意设计、研究开发和成果转化于一身的平台。积极参与并组织A T R技术相关企业和研究机构展开的潜在融合方向的探索活动,形成稳定且有效的产学研合作关系,实现各组织机构的协同发展与进步。(2)面向相关企业的发展建议调整研究重点和资源布局。结合自身专利技术的持有情况,对产生技术融合概率较高的医学影像辅助判读、交通辅助设备等方向进行探索。高效收集己在预测领域具有一定研究成果或具有雄厚研究背景的组织机构的信息,与其形成战略合作伙伴关系,共同展开前景融合领域的相关研究,积极参与到A T R技术的融合创新网络中。采取许可、转让等手段,影响潜在融合领域发展的专利或其他形式的技术,完善企业的技术创新战略布局,或收购在预测融合领域具有一定成绩的企业,在其基础上进行进一步的研究。(3)面向A T R技术相关研究机构的建议调整研究重心,聚焦于可解释性更强的A T R技术。目前,A T R技术融合多发生在同一领域内的技术之间,需要突破当前的技术瓶颈,进一步提高应用能力,着眼于领域内技术融合态势,更好地集中研究资源,将领域知识更好地嵌入推理过程,发展解释性更强、泛化性更好、鲁棒性更高A T R模型和技术。同时,可以积极寻求与其他互补研究机构的合作,因为机构的精力和知识范围总是有限的,而融合发展往往涉及多个技术领域,积极与相关研究领域中的能者建立合作关系,会大大提高成功率。另外,还可以与A T R技术企业建立合作关系,积极参与到产学研合作网络的构建过程之中。参考文献1苗红,李男,吴菲菲,等.基于机器学习的医学影像人工智能领域技术融合预测J.情报杂志,2 0 2 2,4 1(6):1 2 6-1 3 4.2刘 桂 锋.I n n o g r a p h y专 利 分 析 平 台 E B/O L.h t t p s:b l o g.s c i e n c e n e t.c n/b l o g-3 9 7 2 3-5 1 5 8 0 0.h t m l,2 0 1 1-1 2-7.3李树刚,刘颖,郑玲玲.基于专利挖掘的感知人工智能技术融合趋势分析J.科技进步与对策,2 0 1 9,3 6(2 3):2 8-3 5.移动信息