基于Unity3D 的虚拟样板房体验系统的设计与实现

朱涛，杨昊伦

（北方工业大学计算机学院，北京100144）

0 引言

智能家居和样板房的诸多理论设想和人性化设计都已经硕果累累，但是其展示和体验效果却始终不尽如人意，在设计和展示之间存在较大的鸿沟，需一个传达媒介来提升体验感。本文基于Unity3D 平台，结合虚拟样板房的设计理念及概念，设计和实现了一个具备沉浸式、交互式体验感的样板房设计和智能家居的展示系统，有助于客户更真实地体验样板房和智能家居设计效果、设计师修改家装设计和建造者调整建筑方案。

1 关键技术

1.1 动画状态机技术

角色中涉及的动画主要通过Unity 中内置的动画状态机Animator 实现对动画片段的逻辑管理和统一管理。Animator 方便的图形化界面可以让角色控制更为清晰，也直接利于代码的管理和编写。通过对Animation 和逻辑状态统一管理，利用脚本就可以管理整个Animator 实现角色的一系列动作，从而实现系统中角色执行相应的漫游和展示动作。Animator 利于把抽象的逻辑关系重新组合，能大幅度增加角色的真实性和沉浸感。

1.2 AI自动寻路技术

本系统采用自动漫游整个样板房所在外部区域环境的方式，以让客户体验更为真实的居住周边环境，然后由操作的用户自行控制跟随角色在系统中自主选择想要了解的细节。在交互漫游的过程中使客户真实感受到样板间内部的状况、交通状况以及社区日常行为状况。实现系统中模拟角色在环境中自主漫游的关键技术就是AI 自动寻路。

自动寻路的关键是路径规划，分为全局路径规划和局部路径规划。本系统为了呈现整体样板房的效果，故而采用全局路径规划。即根据设定的路径信息，借助路径搜索算法，利用不同目标结点提供给客户不一样的选择，从而产生不尽相同的漫游路线，从而实现对这个系统的漫游。在Unity3D 中由NavMesh 组件完成寻路开发，其核心算法是用三角形代替传统网格，计算拐点优化寻路路径，算法实现过程如图1 所示。

1.3 协程控制技术

Unity3D 中的Coroutine 即协同程序，就像一个线程，占用少量的资源，不过并不是由系统调用，是由程序员调用，但是一经启动后除非调用stop（）方法，否则就将一直执行，利用这一特性可以实现NPC 行为，也可以在适当的时机开始特定的行为，以达到实时对应和节省系统资源的目的。结合IEnumerator 的方法在其每一条路径上用yield return 进行返回，从而实现协程的调用，其调用过程在Unity 中大致如图2 所示。

图1 NavMesh寻路过程

图2 协程调用过程

2 虚拟样板间体验系统的设计与实现

通过重点研究动画状态机，自动寻路以及协程控制技术等，为了实现兼具室内和室外动态家居环境效果的设计理念以及功能，将系统主要分为模型加载、角色控制、动画控制、自动寻路、UI 绘制和音乐及音效控制模块，通过该系统的虚拟引导漫游对样板房进行了解、修改和完善，在交互式的虚拟环境中体验家居环境，其系统模块设计如图3 所示。

图3 系统模块设计

2.1 模型加载

室外的模型主要分为建筑、道路、装饰品、各类商店、大厦和相关的模拟真实场景的模型。角色模型有虚拟角色、模拟车辆、模拟的动物和其他必要表现理念的模型。加载与样板房设计概念相关的模型可以尽可能较为全面地提供可以表达样板房设计理念，展示设计图、模型、创作手稿、模型以及有关设计理念的书面和实质材料。

室内的模型主要涉及家具、器具、家电和一系列与样板房设计相关的结构模型。尽力表达所有参与设计和建造样板房的细节，去对样板间设计理念进行诠释。

2.2 角色控制

主要角色为在室外场景的虚拟引导角色，用户在系统中通过跟随角色的行进路线，对整个室外环境漫游。角色的整体风格为卡通型玩偶，其主要作用为在室外场景中对整个系统进行引导和介绍，在每个关键点触发一定的行为来提供选择，对客户自主控制漫游进行必要的辅助。

利用角色动画表现这样一种引领式的交互方式将设计理念中重要的部分呈现出来，当进入到室内环境中，角色的任务也就此完成，从而让用户成为唯一的角色。

2.3 动画控制

户外的环境需要通过动画来表现，与样板房产生关系的有周围的交通环境、商铺的类型极其分布情况、社区的人流量、周边的绿化环境等。另一部分动画用于表现样板房各部分灯光进行智能的调控，对室内的窗帘进行控制，以提供合适的遮阳效果；展示防盗、报警、监控、电锁、门禁、对讲等安全措施；动画控制模拟相应的展示效果可以真实地展现智能家居和样板房设计的相关概念，从而全方面展现样板房的设计理念。

2.4 自动寻路

虚拟角色的引领和指导即是展示系统自动寻路的过程。设计相关的展示点作为目标点，将需要展示出来的一系列概念和模型按照设计由虚拟角色自动引导，同时提供给客户自主选择的空间，保证展示的多样性的同时又让客户的个性化需求得到满足，也作为一种反馈成为设计师的修改灵感。自动寻路的体验流程即是系统自动展示样板房的相关细节，真正意义上实现虚拟环境漫游历程。利用虚拟的客户角色置身环境中，通过自动化行进给用户提供动态的体验感，不再是基于纯粹的设想和猜测，从而模拟出环境中的真实感和沉浸感。

2.5 UI绘制

整个系统的UI 设计主要包括两方面，一是整个系统的外部引导UI，包括一些系统的基本配置和相关的参数调整、加载过度页面、暂停页面、保存页面等。另一个则是系统中提供给客户的介绍和提示消息，和提供个性化选择的相关调整页面，包括对家具的位置、配色、风格进行调整等页面。

2.6 音乐音效控制

外部场景以一个滨海城市，室内场景则由众多不同类型的样板房组成。将样板房所在区域的周围环境模拟还原，总体上呈现一个虚拟的外在空间。

系统中涉及的音效主要包括UI 音效、概念介绍语音以及必要的配乐以进行引导和介绍。在室内环境中，辅以必要的音效模拟在室内产生的家电噪音对影音系统的影响、模拟室外环境的声音在卧室中会有什么样的效果、推荐系统的语音模拟效果以及安防系统的报警等都需要依靠音效来增加样板房的体验效果。

3 实验结果分析

图4（a）为室外环境俯视图；图4（b）为样板饭周围建筑及其社区环境，即虚拟角色漫游的主要场景；图4（c）样板房外部街景，通过一系列实物模型展现设计效果；图4（d）为模拟车辆在道路行驶；图4（e）为室内客厅设计效果，动态展示智能家居的相关设计理念以及家居设备的运行效果；图4（f）为智能家居卧室效果，包括相关动画表现的智能家居设备工作的状态及其细节。

图4 样板房展示效果图

室外环境的效果相对客观，角色的引导任务也主要是给用户的控制一个指引方向，环境的模拟也主要体现在交通状况的模拟，还有很多细节的动态信息可以在系统中展现出来，例如极端天气、交通拥堵、周边施工等状况更能真实体现一些特别的效果。

室内的体验效果比模型和图纸的真实感和沉浸感更为强烈，不过其弊端是不能像在真实样板房中感受各种材质的质感。可以通过提升渲染的质量来弥补虚拟环境中造成的色差。

总体而言虚拟展示系统的优势体现在可以修改不适合的部分，所能看到的方案也是多样化的，这对于设计师进一步完善有极大的帮助，通过用户的体验反馈也利于建筑的调整。

4 结语

样板房虽然是一个手段，但其终极目的应该是提供一种合理且切合实际的生活方式，为了实现这个目的，理应寻求更加优异的表达方式和大众进行沟通，用设计和技术去弥补专业性的空缺，用更为真实和全面的体验方案去充实想象和猜测。技术最好的归宿或许不是成为一个服务者，而是成为一个创造的引导者。通过展示的系统，让设计师、建造者和客户对尚未确定的样板房做出新的思考和理解，从而引导一种新的理念、新的设计或者新的解决方案诞生。