基于Unity 的版图意识教育展厅的设计与实现

◎ 罗雅丹，罗琪斯

广西地图院，广西 南宁 530023

目前，版图意识教育的宣传素材主要以文字、图片和视频为主，表达形式比较受限，用户体验效果一般。

近年来，虚拟现实技术的研究和应用发展迅速，已经广泛应用于各行各业[1]。虚拟现实（Virtual Reality，以下简称VR）是计算机通过模拟虚拟环境给人以环境的沉浸感。通过在计算机上生成三维空间，用户借助输入设备，在计算机上360°观察或操纵物体，让用户如身临其境，从而产生沉浸感[2]。目前，应用在三维虚拟的开发技术主要有OpenGL、DriectX、Unity3D 以 及Cult3D 等，其 中，Unity3D 技术以其优越的渲染效果和更高的扩展空间受到了众多专业技术人员的青睐[3]。

广西标准地图服务平台在提供标准地图、专题地图和热点地图等服务的基础上，增设版图意识教育板块，并建设基于Unity 的版图意识教育在线展厅。平台通过3D 虚拟漫游的形式展现版图知识，为用户提供更好的沉浸式交互体验和知识信息服务。同时也丰富了版图意识教育的宣传形式，进一步强化了国家版图意识的宣传教育工作，引领社会公众在线学习版图知识，提高全民国家版图意识。

1 系统设计

系统主要以展厅场景为蓝本，实现版图意识教育在线游览，在尽可能还原展厅环境真实感的情况下，提升展厅的艺术设计感和互动感。系统采用3ds Max 搭建展厅模型，并在Unity3D 中搭建展厅场景，将模型导入到Unity3D 的场景中。以C#作为此次编程的主要脚本语言，建立虚拟环境，实现对虚拟场景的漫游功能。

1.1 系统框架

展厅的建设分为三维场景的构建和漫游交互功能的实现两大部分（见图1）。三维场景的构建包括房屋结构的搭建，房屋内部材质纹理、灯光环境、版图知识内容等设置；漫游交互功能的实现包括展厅房间之间的切换、自由视角漫游、场景放大缩小和旋转等操作，以及版图知识教育背景音乐和科普视频的播放、暂停、停止等。

图1 系统框架图

1.2 平台架构

2 技术路线

系统通过收集展厅平面数据、版图意识教育宣传文案和视频数据等资料，采用3ds Max软件制作出展厅的场景模型；在Unity3D 平台中利用C#设计交互界面，整合动画视频、版图意识教育素材，完成版图意识教育在线展厅的建设。技术线路如图2 所示。

图2 技术路线图

2.1 信息采集

研究小组根据已有的展厅CAD 平面图确定室内的布局，并整理展厅内部建筑的材质纹理、展示内容等。展厅主要由序厅、1 号展厅和2 号展厅3 个部分组成。展厅主要收集的素材有国家版图的概念，地图上中国版图的表达，中国的地理位置、疆域四至、管辖海域等，中国版图的正确表示方法以及规范使用地图的科普视频等内容。系统将所收集的素材分类进行排版，最终形成展厅文化墙的样式。

2.2 数据处理

系统将坐标信息赋予CAD 图，并对CAD图进行必要的语义信息赋予，建立拓扑结构[4]。系统以CAD 平面图作为参考在3ds Max 中制作序厅、1 号展厅和2 号展厅的构造场景，并以FBX 格式导出；将FBX 文件导入Unity3D中进行三维场景的搭建，同时将整理好的材质纹理导入3ds Max 和Unity3D 中使用。

2.3 场景模型构建

场景中的所有元素搭配和整合，均在Unity3D 编辑器中完成。研究小组利用模拟物品的外形几何特征进行初步仿真，再根据元素的特征点，对元素的材质球、颜色进行微调；采用Photoshop 制作各种纹理贴图的源文件；利用阴影、反射、光照以及天空盒等元素，增强整个展厅场景的可视化效果；采用Unity3D自带的三维渲染算法完成场景的整体渲染。

2.4 场景设置

2.4.1 灯光设置

为了使场景看起来生动逼真，需要在展厅模型内设置合适的灯光，用于烘托场景氛围。Unity3D 提 供 了4 种 光 源，即Directional Light（直线光）、Point Light（点光源）、Spot Light（聚光灯）、Area Light（区域光）。研究小组在序厅中采用聚光灯和区域光，使整个序厅呈现出明亮大气的效果；在1 号展厅和2 号展厅的天花板使用聚光灯，并在展示的墙体上方使用点光源，聚焦到每一项具体的内容。

2.4.2 材质纹理设置

研究小组根据展厅的建筑风格，选择合适的地板、墙纸以及吊顶纹理，并适当调整物体表面的光滑程度、凹凸程度和发光度等。展厅所有地板采用统一简约的木板纹理；承重墙、序厅的欢迎墙体均采用红色背景的纹理；文化墙的修饰则根据每个展厅的专题内容进行不同颜色的搭配。

播种前先用灭茬机粉碎前季作物秸秆和杂草，再用50马力以上机械开沟、覆土。播后3天内及时用乙草胺类除草剂进行芽前喷雾防杂草。在初花期和盛花期分别用咪鲜胺或多菌灵对水喷雾防治菌核病。油菜十成黄熟用联合收割机一次性收获。

2.4.3 版图素材设置

按照前期整理好的版图知识内容素材，研究小组根据不同的分类将不同的展示内容导入到不同的展区。序厅的表现形式主要是文字，设置醒目的展厅标题，在其两侧分别放置版图小故事和规范使用地图的科普视频，注重气氛渲染，使参观者快速进入游览状态；1 号展厅放置国家版图、中国版图等概念性的内容；2 号展厅是关于中国版图的正确表示方法、维护国家版图尊严等方面的内容介绍。

2.5 编写脚本

2.5.1 碰撞检测

在Unity3D 建模过程中，为了模拟真实环境中遇到障碍物时物体的本能反应，需要做一些碰撞事件的处理，例如物体不能穿墙而过等[5]。其原理可以理解为在一个立方体或球体中存在着会产生碰撞的物体，程序通过读取移动物体与立方体或球体之间的距离、位置等信息来判断是否发生碰撞。

系统将展厅内部的墙体添加刚体组件（Rigidbody），给墙体添加检测碰撞的脚本组件CubeCollision，并在脚本文件中添加监听函数，当物体与墙体发生碰撞时，OnCollisionEnter 便会被触发调用，在整个碰撞过程中会持续调用OnCollisionStay 方法，直到碰撞接触被解除时，OnCollisionExit 被触发，从而实现限制物体穿墙而过。通过碰撞检测处理，让用户任意浏览时获得更好的体验。

2.5.2 漫游交互

Unity3D 平台中采用localPosition 属性代表当前模型的局部位置，采用position 属性代表当前模型的世界坐标，使用worldToLocalMatrix便于把世界坐标转变为局部坐标，使用translate可以实现相对坐标系移动或者相对其他物体移动操作，使用rotate 可以实现绕坐标轴或者某个向量旋转操作[6]。

研究小组使用Unity3D 标准资源包中的Characters资源，在场景中拖入FirstPersonController 预制体，它提供了完整的角色控制功能，通过控制摄像机的动作完成第一视角的控制。研究小组分别建立控制、旋转2 个脚本，实现摄像机的移动、旋转功能。其中控制脚本可以控制鼠标在场景内移动过程中视角上下左右运动的视角范围和灵敏度；旋转脚本根据鼠标移动的快慢生成视角可左右旋转的角度大小。根据用户使用习惯，算法对鼠标单次移动或者旋转的最大视角做了极值控制，降低用户在场景中使用第一人称视角进行全景浏览时可能会引起的不适应感。同时，提供键盘控制，在脚本中分别写入W、A、S、D 键位控制相机前后左右移动的功能，用户可通过鼠标和键盘控制视角的高度和浏览的角度，浏览场景内任意范围所及的内容。

2.5.3 视频配置

为了丰富展厅的表达内容，系统在展厅入口的明显位置添加规范使用地图的科普视频。Unity3D 引擎中自带视频播放器（VideoPlayer）组件，使用视频播放器组件可将视频文件附加到游戏对象上，在运行时通过游戏对象的纹理组件播放视频内容。系统在场景中建立原始图像RawImage，设定与视频相同分辨率的大小，以及视频浏览所需的播放、暂停、停止等按键button；在RawImage 中添加VideoPlayer 组件和AudioSource 组件，导入视频源；在RawImage 中添加视频控制脚本，针对不同的函数选定对应的button，实现对视频的播放、暂停、停止等功能。

2.5.4 发 布

系统完成碰撞检测、漫游交互和视频配置等脚本编写后，选择WebGL 进行发布。

3 平台运行及展望

3.1 平台运行情况

为了更好地融入广西标准地图服务平台，研究小组将在线展厅发布成具有较高耦合性的WebGL 网页版。平台的运行环境为：处理器Intel（R）Core（TM）i7—9700，主频3.0 GHz，内存64.0 GB，显卡NVIDIA Quadro P1000，硬盘3 T。在线展厅设计使用Unity 2020.3.11f1c1技术平台，建模软件使用3ds Max2016，图3为展厅的序厅，图4 为科普视频播放展示，虚拟场景的渲染效果良好。系统运行的平均帧数在50 FPS 以上，具有较好的显示效果和真实沉浸感，用户体验效果较好。在线展厅还可以发布成PC 端和移动端，能够在多种软硬件平台下运行，具有较好的移植性。

图3 展厅序厅图

图4 科普视频播放展示图

3.2 不足与展望

平台主要完成了版图知识教育在线展厅的三维建模、展厅设计与系统架构、展厅的交互等工作，实现了虚拟漫游、碰撞检测和多媒体播放等功能。不足之处在于该展厅的图文内容和视频内容无法自动更新。下一步，研究小组将研究如何结合C#脚本语言，在不修改模型和工程源文件的情况下，通过将素材放到指定的文件目录中，便能快速完成展示的图文和视频自动更新的功能；目前展厅内版图知识互动较少，阅读类的图文素材较多，在如何丰富展厅的互动内容方面需要进行更为深入的研究，在人机交互上进一步挖掘和扩展，使系统展示的版图知识内容更为丰富多彩，版图意识教育的宣传工作效果更为明显。

4 结 语

研究小组基于3ds Max 和Unity3D 技术，将国家版图意识教育丰富的知识信息收集整理并建立虚拟展厅，为用户提供沉浸式虚拟漫游体验。版图知识教育在线展厅是互联网+版图意识教育的有效尝试，以全新的方式服务于版图意识教育工作，为社会公众进一步了解版图知识开辟了新途径。目前该展厅已于广西标准地图服务平台上线使用，丰富了版图意识教育宣传的形式，有助于营造全民普及国家版图知识教育的良好环境，提高社会公众的国家版图意识。