基于Unity3D和3DSMax的水库虚拟仿真系统设计.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER107第 40卷第 2期基于 Unity3D 和 3DSMax 的水库虚拟仿真系统设计薛宇彤1，贺泽星1，郭永刚1，苏立彬1，2（1.西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000；2.西藏土木水利电力工程技术研究中心，西藏 林芝 860000）摘要：随着技术的发展和应用范围的扩大，数字孪生技术已经被广泛应用于诸如能源、制造、交通、医疗、城市规划等领域，成为数字化转型的重要手段之一。介绍了基于 Unity3D 和 3DSMax 的水库虚拟仿真系统的设计。该系统旨在利用虚拟现实技术提供沉浸式的漫游体验。设计过程包括场景建模、材质处理和交互功能的实现。以西藏某大坝为例，通过 3DSMax软件对实际大坝建筑结构进行建模，创建了一个高度详细的三维模型并添加材质。通过准确的测量数据和参考图纸，精细地重现了大坝的各个细节。通过使用WorldComposer 地形建模插件重现了山脉、水体、道路和建筑物，通过 Unity3D 平台实现飞行、漫游等功能，使用户能够自由地在大坝周围移动和探索。通过细致的场景建模、材质处理和交互功能的实现，用户可以在虚拟环境中自由探索大坝及周围库区的壮丽景观和建筑结构，提供了一种全新的观赏和学习方式。该系统具有广泛的应用前景，可在旅游、教育和工程领域等方面发挥重要作用。关键词：Unity3D；三维场景建模；交互；碰撞检测中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0107-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.025Design of Virtual Simulation System for Reservoir Based on Unity3D and 3DSMaxXUE Yutong1,HE Zexing1,GUO Yonggang1,SU Libin1,2(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Tibet Agriculture and Animal Husbandry University,Linzhi 860000,China;2.Tibet Civil Water Resources and Hydropower Engineering Technology Research Center,Linzhi 860000,China)Abstract:With the development of technology and the expansion of its application scope,digital twin technology has been widely applied in fields such as energy,manufacturing,transportation,healthcare,urban planning,and has become one of the important means of digital transformation.This article introduces the design of a reservoir virtual simulation system based on Unity3D and 3DSMAx.The system aims to provide an immersive roaming experience using virtual reality technology.The design process includes scene modeling,material processing,and implementation of interactive functions.Taking a dam in Xizang as an example,the actual dam building structure was modeled through 3DSMAx software,and a highly detailed 3D model was created and materials were added.Through accurate measurement data and reference drawings,various details of the dam were finely reproduced.By using the WorldComposer terrain modeling plugin to recreate mountains,water bodies,roads,and buildings,flying,roaming,and other functions are achieved through the Unity3D platform,allowing users to freely move and explore around the dam.Through detailed scene modeling,material processing,and interactive functions,users can freely explore the magnificent landscape and architectural structure of the dam and surrounding reservoir areas in a virtual environment,providing a new way of viewing and learning.This system has broad application prospects and can play an important role in tourism,education,and engineering fields.Keywords:Unity3D;3D scene modeling;interactive;collision detection收稿日期：2023-10-10基金项目：西藏自治区科技重点研发计划项目（XZ202201ZY0034G）；国家自然科学基金重点支持项目（U21A20158）作者简介：薛宇彤（1999-），女，山西吕梁人，硕士研究生，主要从事数字孪生水利工程建设方面的研究工作。通信作者：郭永刚（1966-），男，黑龙江双城人，教授，博士生导师，主要从事水利水电工程强震安全检测及数字孪生水利工程建设等研究工作。*108云南水力发电2024 年第 2 期0 引言虚拟现实（Virtual Reality，简称 VR）是一种通过计算机技术创建的模拟虚拟环境，使用户能够身临其境地感受和体验其中的场景和情境。虚拟现实技术在各个领域都有广泛的应用。在娱乐和游戏行业，虚拟现实提供了更加沉浸式和逼真的游戏体验1。在教育和培训领域，虚拟现实可以创建真实场景的模拟环境，帮助学生进行实践和体验2。在医疗领域，虚拟现实可以用于手术模拟、康复训练和心理治疗等方面3。在建筑和设计领域，虚拟现实可以帮助设计师和客户可视化建筑和室内设计方案4。虚拟现实技术正在不断发展和创新，随着硬件设备的进步和软件技术的提升，它在未来将会有更广泛的应用和更深入的影响。如今，虚拟现实技术广泛运用于旅游文化、智能制造、影视娱乐、军事演练等领域5-8。为人们提供了一种全新的体验方式，拓展了人们的感知界限，让人们能够与数字世界更加紧密地互动。为了更好地建立大坝虚拟漫游系统，利用 3DSMax 创建大坝的三维模型，然后将三维模型导入 Unity 3D，生成周围地形环境，搭建整个交互式的漫游平台，从而形成有交互功能的库区虚拟仿真系统9。1 三维虚拟库区的总体设计1.1 虚拟库区开发总体框架虚拟库区的设计总体框架如图 1 所示。如图 1 所示，首先通过查阅相关网站、论文等方式获取所建大坝的信息数据。包括大坝平面图 AutoCAD 和地理坐标等信息。使用 AutoCAD创建大坝三维线框模型；使用 3D 建模软件例如Maya、3DSMax 等专业建模软件，制作三维数字模型。该系统使用的是最为流行的 3DSMax 对大坝模型进行加工和渲染，从而得到更加真实的三维立体模型10。在 Unity3D 中利用插件生成真实地形，使用 Terrain 地形编辑工具调整地形，合理添加树木等自然元素；添加真实水面效果，包括水流速度，水面反射效果，水波纹效果等；将建好的三维大坝模型根据其地理坐标添加到 Unity3D 的地形场景中，最后进行场景融合11。设置虚拟角色，通过给其添加 C#脚本文件，实现碰撞检测功能和第一人称漫游功能。最后利用 Unity3D 的跨平台性，生成可以通过网页浏览的 Web 格式的虚拟社区。1.2 Unity3D 中虚拟场景的设计Unity3D 是一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具12。1.2.1 Unity3D 中的地形建立使用 WorldComposer 插件完成大坝周围真实地形环境的建立。World Composer 是一个强大的地形编辑工具，可以帮助开发者快速创建具有真实感的地形，并实现自然地形特征、纹理、植被等的生成和布置。在 Unity Asset Store 中搜索并下载World Composer 插件。安装完成后，将其导入到Unity 项目中。导入完成之后从“Window”菜单中找到“WorldComposer”选项，点击打开插件的工作界面。在该界面中输入大坝坐标，然后选择所需地形的经纬度范围及对应的高程和地形贴图的精度并下载，完成后可以通过“CreateTerrain”界面将地形导出至 Unity 工作场景中。1.2.2 Unity3d中真实水面效果的建立1）水面模型的导入。使用水资源包（Water Asset Packages）：Unity Asset Store 提供了各种水资源包，这些资源包提供了预先制作好的水效果。可以在 Asset Store 中搜索并下载适合系统需求的水资源包。安装和导入资源包后，可以将其添加到场景中，调整参数和效果来实现水的外观和动效。这些资源包通常提供了各种选项，如水的颜色、透明度、波浪、反射和折射等效果，可以根据需图 1 虚拟大坝总体设计流程图薛宇彤，贺泽星，郭永刚，苏立彬 基于Unity3D和3DSMax的水库虚拟仿真系统设计109求进行调整。为了增加水面的真实感，可以使用反射和折射效果。通过将水面材质的着色器设置为支持反射和折射，可以在水面上反射和扭曲周围环境的场景。这可以通过使用反射和折射贴图以及相关的着色器设置实现。2）水面波浪效果的实现。水面作为库区地形最主要的元素，其呈现出的视觉效果应当尽可能接近真实环境。在目前已经完成建设的数字孪生模型中，大多数模型中的水面元素均采用 Unity 平台上点提供的第三方资源，这些模型具备水面基础的折射和反射功能，但波浪粒子效果的缺失导致所呈现出的效果远远无法达到真实环境的视觉要求。文章使用 Unity 内置粒子 Shader 中的软粒子系统，在第三方水面模型中添加了波浪算法，使其更接近真实环境的视觉效果。波浪算法的核心是深度比较，其基本原理是比较水面的深度和已写入缓存的陆地的深度，计算其深度差，可得水面和陆地部分交接的深度差是 0，水越深的地方深度差越大，深度比较原理如图 2 所示。展开，可以在纹理图像上创建和编辑纹理，并将其应用于三维模型，使模型表面呈现出所需的外观。UV 展开的流程为模型准备 UV 坐标分配 UV 展开优化和调整。模型准备：在进行UV展开之前，需要对三维模型进行准备。这包括确保模型的拓扑结构正确、没有重叠的面和边，以及没有非连续的面；UV 坐标分配：在 UV 展开过程中，需要将纹理坐标（UV 坐标）分配给模型的每个顶点13。通常，UV 坐标是二维平面上的浮点数，用于确定纹理图像中的位置。根据模型的形状和需求，可以手动分配 UV 坐标，也可以使用自动 UV 映射工具；UV 展开：UV 展开是将模型的 UV 坐标展开到二维平面上的过程。这可以通过将三维模型的表面拆开、展平并映射到平面上来实现。在展开过程中，需要确保不同部分之间的 UV 坐标不重叠，并尽量保持纹理图像的比例和无扭曲；优化和调整：在完成基本的 UV 展开后，可能需要对 UV 布局进行优化和调整。这包括解决 UV 坐标的重叠、拉伸和扭曲等问题，以获得更好的纹理贴图结果。选取与大坝材质尽可能相仿的材质贴图，将贴好此材质的材质球赋予到大坝模型上。但由于大坝模型的面几乎都属于不规则形状，所以需要使用 3DSMax 软件中的 UV 展开修改器，对需要修改贴图纹理的面逐个进行调整，就可以得到接近真实的大坝三维模型，如图 5 所示。1.4 Unity3D中三维模型的导入Unity3D 平台仅能读取并打开.fbx 格式的三维?图 2 深度比较原理图将添加波浪算法的水面模型导入环境后，再根据周边地形及天空盒的颜色对水面的折射率和反射率、波浪在 X、Y 方向的流动速度等参数进行调整，使其更接近真实环境。图 3 为添加波浪算法前后的水面边缘效果比较，图 4 为参数调整后导入环境的最终水面效果。1.3 3DSMax 中的 UV 展开UV 展开（UV Unwrapping）是计算机图形学中的一个过程，用于将三维模型表面的纹理坐标（UV 坐标）展开成二维平面上的纹理图像。在三维渲染中，纹理贴图是给模型表面上的每个点赋予颜色、纹理和细节的关键元素之一。通过进行 UV（a）添加波浪算法前的水面边缘（b）添加波浪算法后的水面边缘图 3 添加波浪算法前后水面边缘效果比较图图 4 最终水面效果图110云南水力发电2024 年第 2 期滚轮缩放视角。编写 C#脚本添加到摄像机上控制相机在虚拟场景中漫游。其中核心代码如下：public float m_speed=3f;void CameraKeyMove（）/键 盘 移 动 if（Input.GetKey（Key Code.W）|Input.GetKey（KeyCode.UpArrow）camTrans.Translate（Vector3.forward*Time.deltaTime*m_speed）;if（Input.GetKey（KeyCode.S）|Input.GetKey（KeyCode.DownArrow）camTrans.Translate（Vector3.back*Time.deltaTime*m_speed）;if（Input.GetKey（KeyCode.A）|Input.GetKey（KeyCode.LeftArrow）camTrans.Translate（Vector3.left*Time.deltaTime*m_speed）;if（Input.GetKey（KeyCode.D）|Input.GetKey（KeyCode.RightArrow）camTrans.Translate（Vector3.right*Time.deltaTime*m_speed）;2.2 碰撞检测碰撞检测（Collision Detection）是在 3D 虚拟场景中确定物体是否相互接触或重叠的过程。在漫游中，碰撞检测是关键的技术，用于确保角色或相机在虚拟环境中与物体进行交互时的正确行为。碰撞检测在 3D 虚拟场景漫游中是非常重要的，它确保了物体之间的正确交互，使用户在虚拟环境中的移动和互动更加真实和可信。碰撞体可以是简单的几何形状，如球体、盒子、胶囊体等，也可以是复杂的碰撞网格或碰撞体组合。碰撞体应该尽可能准确地反映物体的形状和边界。在Unity3D 中，碰撞器（Collider）是用于实现碰撞检测和物理交互的组件。Unity 提供了多种类型的碰撞器，适用于不同的碰撞检测需求，见表 1。图 5 3DSMax 工作区及大坝三维模型图模型，因此，在导入模型前需要先在 3DSMax 软件中将模型文件导出为.fbx 类型，然后在 Unity3D 中的“Asset”菜单中选择“Import”功能或直接将.fbx文件拖入工作区，Unity3D 可以自动读取显示该模型文件，并将其 Materials 的位置改为使用外部材质并应用，此时场景中才可以正常显示大坝及其模型贴图。图 6 为大坝模型导入 Unity3D 效果图。图 6 大坝模型效果图2 虚拟系统的实现2.1 漫游技术的实现虚拟场景漫游是一种通过计算机生成的三维环境中自由移动和探索的技术。用户可以使用键盘、鼠标、游戏手柄或其他输入设备来控制角色或相机在虚拟场景中进行漫游。确定用户在虚拟场景中移动的方式：创建一个虚拟角色，然后使用键盘、鼠标或游戏手柄控制其移动，或者使用相机作为视觉代理，通过控制相机的位置和角度来进行漫游。通过控制输入设备，例如键盘上的方向键、鼠标或游戏手柄的摇杆，来控制角色或相机的移动。这包括前后移动、转向、上下移动、跳跃等动作。文章选择将摄像机作为虚拟角色，鼠标右键旋转视角，鼠标中键或 WASD 键移动视角，鼠标薛宇彤，贺泽星，郭永刚，苏立彬 基于Unity3D和3DSMax的水库虚拟仿真系统设计111表1 碰撞器类型表属性名中文名碰撞器形状适用范围Box Collider盒子碰撞器长方体或立方体3DSphere Collider球体碰撞器球体3DCapsule Collider胶囊碰撞器胶囊体3DMesh Collider网格碰撞器物体几何网格3DCapsule Collider 2D胶囊碰撞器 2D胶囊形2DCircle Collider 2D圆形碰撞器 2D圆形2DBox Collider（盒子碰撞器）：盒子碰撞器是一个简单的几何形状，用于近似物体的形状为长方体或立方体。它可以在物体上添加一个盒子形状的碰撞体积，并用于进行基本的碰撞检测和物理交互。Sphere Collider（球体碰撞器）：球体碰撞器用于近似物体的形状为球体。它可以在物体上添加一个球体形状的碰撞体积，并用于进行球体之间的碰撞检测和物理交互。Capsule Collider（胶囊碰撞器）：胶囊碰撞器用于近似物体的形状为胶囊体，即带有圆球两端的长圆柱体。可以在物体上添加一个胶囊体形状的碰撞体积，并用于进行胶囊体之间的碰撞检测和物理交互。Mesh Collider（网格碰撞器）：网格碰撞器使用物体的几何网格来进行精确的碰撞检测。可以在物体上添加一个与物体几何形状完全匹配的碰撞体积，用于进行复杂形状的碰撞检测和物理交互。然而，网格碰撞器可能会对性能产生较大的影响，特别是在高度复杂的网格上。Capsule Collider 2D（胶囊碰撞器 2D）：胶囊碰撞器 2D 用于在 2D 场景中进行胶囊体形状的碰撞检测和物理交互。Circle Collider 2D（圆形碰撞器 2D）：圆形碰撞器 2D 用于在 2D 场景中进行圆形碰撞检测和物理交互。文章采用 Mesh Collider 碰撞器。2.3 天空盒设置在 Unity3D 中，天空盒（Skybox）是一种用于创建环境背景的技术。它是一种立方体贴图，将图像或材质应用到一个立方体的内部，使玩家在游戏中感受到一个连续的环境背景，类似于周围环境的全景视图。使用天空盒可以为游戏或应用程序提供逼真的环境感觉，增强视觉效果和沉浸感。Unity3D 提供了简单的设置界面，可以轻松地将天空盒应用到场景中。只需将天空盒贴图或材质拖放到相应的场景设置中，即可快速创建环境背景。天空盒可以确保整个场景中的环境背景保持一致。无论在场景中移动到哪里，天空盒都会提供一个统一的背景，使整个场景看起来更加连贯和真实。通过使用高质量的天空盒贴图或材质，可以增强视觉效果。这包括逼真的天空、云层、日落、星空等，为用户提供更加逼真和引人入胜的体验。在 Unity 编辑器可以在场景视图或游戏视图中实时预览天空盒的效果。根据需要来调整天空盒纹理的旋转、缩放和偏移等属性，以获得所需的外观和环境效果。通过设置和应用天空盒，可以为 Unity3D 场景创建逼真的天空背景，也可以为游戏或应用程序增添更多的氛围和沉浸感。3 结束语旨在设计和实现一个基于 Unity3D 和 3DSMax 的水库虚拟仿真系统，通过 3DSMax 准确地建立大坝模型的各个细节，在仿真系统中还原真实大坝的外观和结构，利用 Unity3D 平台的虚拟现实技术和物理引擎实现了用户在大坝中自由移动、观察的功能，使用 Unity3D 的粒子系统创建了水面波浪效果。该系统可以用于展示和宣传大坝工程建设的成果。未来，可以进一步完善系统，增加更多的交互元素和功能，提供更丰富和多样化的漫游体验。参考文献：1王晓芳，孟凯波，张腾飞.基于 Unity3D 的“神勇归来”RPG 类游戏设计与实现J.现代信息科技，2023,7（15）:16-20.2韩粤华，罗国宇.面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发J.现代信息科技，2023,7（16）:34-38+44.3王清波，胡其军，顾伟新，等.基于 Unity 3D 的虚拟现实手部训练系统设计J.中国医疗器械信息，2023,29（9）:34-37.4陈春晖.基于 Unity3D 的虚拟现实家装系统设计与实现J.无线互联科技，2022,19（17）:60-62.5李晶.基于 Unity3D 虚拟仿真博物馆漫游系统的研究设计J.信息记录材料，2022,23（7）:239-241.6杨向前，郑清华,郭华，等.基于 Unity3D 的模块钻机三维设计系统J.计算机技术与发展，2023,33（9）:57-63.7陈李炜，曹涛，易建军，等.基于 Unity3D 的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统J.飞控与探测，2023,6（1）:48-55.8赵雷鸣，钟雷声，葛学仕.基于 Unity3D 视景的机载红外干扰弹仿真系统设计J.电子信息对抗技术，2022,37（6）:66-71.9胡泽川.基于 3DsMax 和 Unity 3D 的城市虚拟漫游系统的设计与实现J.江西电力职业技术学院学报，2021,34（7）:16-17.10王彩玲，刘瑞香，宋钊.基于 Unity3D 的虚拟校园漫游的设计与实现J.科技视界，2015,（7）:18-20.11张昭，王佳宁，李志.基于 Uuity3D 技术沈工校园漫游系统的设计与实现J.时代农机，2018,45（10）:244.12郭可盈，王琪焱，朱闽，等.基于 Unity3D 的游艇码头虚拟仿真设计J.现代信息科技，2023,7（10）:92-94+98.13魏媛媛.基于国产 GPU 轻量图形引擎的设计与实现D.武汉：华中科技大学，2019.