關鍵詞:VR技術;Unity3D;3DSMax;技術培訓;虛擬現實

　　摘要:為了更好地提升幕墻建造人員技術實力，常常利用虛擬現實(VR)技術來對幕墻建造人員進行虛擬式培訓。在此背景下，本文針對VR在幕墻工程培訓的應用過程中涉及到的關鍵技術，完成模型的建立與導入、腳本的編寫及組件的設置、碰撞范圍檢測、材質的渲染等進行研究和應用，并以Unity3D和3DSMax為背景，對其中的關鍵操作步驟進行說明，最終實現模擬仿真培訓效果。該模塊的研究與實現，解決了傳統建筑工程培訓中的場地限制、場景限制并且降低了安全事故的發生，創造出了不被干擾的教學環境，同時也提高了技術人員安全意識以及技術實力。

　　《建筑裝飾材料世界》是由北京市建筑材料科學研究院主辦的期刊。

　　1. 引言

　　虛擬現實技術(簡稱VR)在近年來是一種比較常用的技術，它包含多種技術如：計算機圖形學、多媒體、人工智能等。虛擬現實技術可以產生一種沉浸式逼真的虛擬環境，與用戶產生交互，帶給用戶更多的沉浸感、體驗感 [1]。鑒于虛擬現實技術可以帶給用戶更加逼真的虛擬環境，所以往往用于教育培訓、展示等多種場景。并且近年來虛擬現實技術與應用取得了很好的進展。因此在本文中，將虛擬現實與幕墻行業結合起來更加有現實意義。

　　幕墻工程屬于建筑行業的范疇，建筑施工行業存在施工人員多、施工現場多等情況，而且幕墻的安裝有別于傳統的建筑建造行業，所以需要對工人進行安全及技術相關的培訓。采用VR虛擬現實技術，提高了工人的技術實力同時也解決掉了一些安全隱患。基于此，本文開展了VR技術在幕墻工程培訓中的應用研究工作。相關技術的研究與開發主要借重于Unity與3DSMax建模軟件 [2]。

　　Unity是利用交互的圖形化開發環境為首要方式的軟件，是一款用于創建三維視頻交互、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺綜合型三維開發工具。在場景交互、AI、動畫、UI制作、粒子效果、VR開發等方面提供了簡單易用的功能接口，可使用C#語言進行腳本編輯實現自定義功能開發 [3]。3DSMax是一款基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，其通用性很強，對PC的性能要求不高，其具有強大的角色動畫制作功能，在3DSMax中可以采用堆疊式的建模步驟，使得模型的制作具有非常強大的彈性 [4]。

　　在現實生活中人員是沒有辦法穿透物體的。同樣在虛擬場景中，如果場景和人員都沒有加入碰撞檢測，那么人員就可以隨便穿透墻體等虛擬建筑物，很明顯不符合自然規律。因此有必要在虛擬模型中添加碰撞檢測范圍 [5]。

　　另外，為了最終效果的真實與美觀，需要利用Unity中的組件對模型材質進行渲染。

　　對于VR培訓相關模塊開發步驟如圖1所示。

　　2. 虛擬建筑模型的建立

　　為了讓用戶有更加真實的沉浸式體驗效果，所以搭建一個逼真的虛擬場景就顯得十分重要。故需要

　　Figure 1. Flow chart of VR training module development steps圖1. VR培訓模塊開發步驟流程圖建立虛擬幕墻模型。本文采用Unity作為開發工具，但不能創建比較復雜的模型，所以選取3DSMax作為建模軟件。

　　本文使用多邊形建模的方法進行3D幕墻模型的制作 [6] [7]，這個方法是先由一個正方形開始，利用添加線段和面數的方法完成模型的創建。首先在3DSMax中進行基礎模型的創建：在3DSMax中使用命令創建一個正方體，在正方體的屬性面板中調整正方體的長、寬、高尺寸以符合實際圖紙的要求，之后對建立的基礎多邊形模型進行編輯，以圖2為例，在3DSMax中首先選擇bevel命令給正方體添加一個內邊，再使用extrude命令就可以得到一個長方形外框;之后通過復制和修改長方形外框的比例就可以粗略制作完成模型的框架。得到基本框架之后，通過創建標準物體面片命令就可以得到一個面片，然后把面片放置在所需位置就可以得到需要的模型 [8]。

　　Figure 2. Three dimensional basic model rendering圖2. 三維基礎模型效果圖3. 碰撞檢測

　　在虛擬建筑場景中，有規則和不規則的物體，規則或者比較規則的模型可以用規則的物體替代，不規則的模型可以用規則的物體替代，從而形成碰撞效果。只要進入碰撞檢測范圍內，就會發生碰撞檢測效果 [9]。

　　三維模型制作好之后在3DSMax中選擇導出，文件格式選擇Obj類型文件;導出之后將Obj模型拖拽到Unity中，形成Unity預設文件。形成預設文件的好處在于若后續模型制作過程中會出現需要修改源文件的可能性，修改一個源文件之后所有根據此源文件復制的文件都可以一并修改，然后修改文件命名給文件進行分組、命名。完成文件的準備工作之后，在三維模型中選擇相應的位置，選擇“add component”功能，添加碰撞范圍(Box Collider)組件。添加碰撞范圍之后，此效果可以利用腳本文件實現，最終達到動態的效果。效果對比如圖3(a)和圖3(b)所示。

　　(a) Unity中的預設文件

　　(b) 最終效果

　　Figure 3. Comparison of adding collision effects圖3. 添加碰撞效果對比圖3.1. 球體碰撞檢測

　　在大多數的碰撞檢測中，球體碰撞檢測是一個基本的球體形狀的碰撞檢測器，也是最簡單的一種。如果知道兩個球體的半徑和兩個球之間的距離就可以檢測判斷了 [2]，而且計算量非常小。如果兩個球體相切或者相交，那么兩個球體開始發生碰撞;如果既不相切也不相交，那就不發生碰撞。

　　Figure 4. Sphere collision detection圖4. 球體碰撞檢測球體碰撞檢測原理如圖4所示，根據兩個球體球心的坐標、球的半徑求出球體之間的距離，然后和兩個球體半徑的和進行比較，從而判斷兩個球體是否發生了碰撞。如果兩個球體半徑和小于球體之間距離，則兩個球體發生了碰撞;如果兩個球體半徑和大于球體之間距離，則兩個球體沒有發生碰撞。假設球C1、C2的半徑分別為R1、R2，d為兩個球體之間的距離。當 R 1 + R 2 ≤ d 時，兩個球體相切或者相交，也就是發生了碰撞;當 R 1 + R 2 > d 時，兩個球體沒有發生相切或者相交，也就是未發生碰撞。

　　3.2. AABB包圍盒碰撞檢測

　　球體的碰撞檢測對于規則的物體可以有效的檢測到，然而對于不規則的物體，球體碰撞檢測顯然無法滿足要求，采用AABB包圍盒碰撞檢測算法可以檢測到物體包圍的邊界碰撞 [10]。

　　為了簡化物體之間的碰撞檢測運算，通常會對物體創建一個規則的幾何外形將其包圍。如果物體外形發生變化，包圍的幾何圖形也發生變化，導致碰撞的邊界檢測也會發生改變。三維場景中包圍盒表現為六面體，并且每個面都平行于一個坐標平面，如圖5所示。在程序中計算效率較高，但是碰撞檢測效果并不是很理想，它的主要優勢就在于性能。

　　Figure 5. Bounding box hexahedron (picture source: Baidu)圖5. 包圍盒六面體(圖片來源百度)三維場景中物體的AABB包圍盒是一個六面體，所以實際上在三維場景中物體的AABB碰撞檢測可以采用四個點信息的判定來實現。三維物體的AABB包圍盒的八個頂點可以用兩個頂點來標識，如圖6所示。得到圖中兩個紅色頂點信息，也就得到了這個物體所對應的八個頂點信息 [11]。

　　Figure 6. Max min vertex (picture source: Baidu)圖6. 最大最小頂點(圖片來源百度)所以，在做三維物體的AABB碰撞檢測時，只需驗證物體A與物體B是否滿足如下條件：

　　1) 物體A的X軸方向最小值大于等于物體B的X軸方向最小值且小于等于物體B的X軸方向最大值或者物體B的X軸方向最小值大于等于物體A的X軸方向最小值且小于等于物體A的X軸方向最大值;

　　2) 物體A的Y軸方向最小值大于等于物體B的Y軸方向最小值且小于等于物體B的Y軸方向最大值或者物體B的Y軸方向最小值大于等于物體A的Y軸方向最小值且小于等于物體A的Y軸方向最大值;

　　3) 物體A的Z軸方向最小值大于等于物體B的Z軸方向最小值且小于等于物體B的Z軸方向最大值或者物體B的Z軸方向最小值大于等于物體A的Z軸方向最小值且小于等于物體A的Z軸方向最大值。

　　若滿足上述條件，則證明物體A與物體B發生碰撞，反之，則證明物體A與物體B未發生碰撞。

　　4. 培訓模塊的設計應用

　　本文主要解決幕墻安裝與故障排除以及相關安全意識的培訓。主要為了提高幕墻安裝工人的技術實力，以及相關幕墻安裝的故障排除，另外就是為了提高工人的安全意識，降低事故發生率。主要分為三個階段：

　　第一：準備工作，結構設計工作，收集材料;

　　第二：在Unity3D中進行場景的搭建;

　　第三：相關功能的實現。

　　下圖7為幕墻培訓模塊開發流程圖。

　　Figure 7. Flow chart of curtain wall training module圖7. 幕墻培訓模塊流程圖以張家口機場窗戶為例，展示窗戶的開關等教學工作的實現。主要是腳本的編寫和組件的設置。

　　因為窗戶的開啟和推拉門略有區別，需要將窗戶的把手旋轉到一定角度才能開啟窗戶;并且當窗戶把手旋轉相反的角度以后可以將窗戶鎖上，所以需要對“Circular Drive”組件的代碼進行一定的修改，以達到預期效果。

　　修改的基本思路就是當把手旋轉到一定的角度后開啟或者關閉碰撞核組件就可以達到鎖/解鎖窗戶的效果。

　　首先找到“Circular Drive”組件，右鍵點擊組件-選擇編輯腳本命令，在腳本中找到“startingGrabType”函數，將其狀態從“GetGrabStarting”改為“GetGrabStay”(部分代碼如圖8所示)。這樣就可以在用戶使用VR手柄抓住門把手的時候更改被抓物體的屬性，為之后碰撞核的開關打下基礎。

　　Figure 8. Window VR component code of Zhangjiakou Airport圖8. 張家口機場窗戶VR組件代碼然后在“Circular Drive”組件里找到“旋轉限制”(Limited Rotation)選項，點擊“+”按鈕，在彈出的對話框中找到碰撞核開啟/關閉選項，并把需要更改碰撞核的物體拖入，這里需要修改碰撞核的是窗戶的把手(如圖9所示)。

　　6. 結束語

　　本文以幕墻工程安裝培訓為背景，研究闡述了VR虛擬現實技術在此背景下的應用。對VR技術在培訓領域具體實現過程中實現方法和操作過程進行了解釋。但略顯粗糙，還有很多不足之處。主要有以下幾點：

　　1) 幕墻模型多種多樣，另外，不同的施工現場、不同的施工建筑主體多種多樣，也就增加了建模的難度和工作時長，導致工作效率不高。如果能夠直接導入建筑模型或許使建模這一工作能夠更加便捷。

　　2) 在此系統之上還可以豐富功能，比如增加安全培訓在里面的比重，增加普通工人對幕墻的保養維護培訓。

　　3) 考慮到相應場景增加情景對話或者語音講解，豐富培訓教學的形式。使被培訓人員有更加完美的體驗。

　　4) 在碰撞檢測中，考慮到兩個物體之間的碰撞檢測，多個物體之間碰撞檢測算法還未考慮。

　　針對以上不足，希望通過后續工作繼續改進。