CN111124119B - 基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法 - Google Patents

基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法 Download PDF

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Abstract

一种基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，包括：对Skp格式的建筑模型进行处理，导出为能够在Unity软件中使用的fbx格式，将生成的fbx格式文件导入Unity软件中；在Unity软件中，搭建展示的场景，并根据建筑设计的复杂程度，对建筑模型的内部各部件进行整理，划分为多个子部分；编写手势动作脚本文件，为展示场景，设计3种以上手势动作，用于对建筑模型进行操作，目的是能够多角度观察建筑模型；在HoloLens中部署搭建的场景，实现建筑模型的虚拟现实展示。本发明能够通过操作，使模型在不受限制的虚拟空间中随意的进行放缩、旋转、移动等多种变换；在进行模型观察时，各种手势动作均能够非常熟练的进行，不存在手势操作的困难度。

Description

基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法
技术领域
本发明涉及一种建筑模型人机交互技术。特别是涉及一种基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法。
背景技术
建筑设计领域中，目前采用的模型可视化展示方式主要为三种：一种是按照实际比例打造真实的沙盘模型。这种方法在房地产楼盘展示中是使用最多的。沙盘模型根据建筑师设计的建筑模型，按照1:1的比例制造，能够从整体上观摩建筑的样式和风格等。例如，开发商在实际楼房的设计、施工、销售各个环节中，总会将设计师确定的模型制作出来，用于讨论或是展示。这种方法最为原始，也最为直接，是目前所有建筑设计都会使用的基本方法。
沙盘模型方法的缺陷主要有三点。首先在设计阶段，只要对建筑模型设计进行了微小改动就需要重新制作新的沙盘，非常不便与进行及时的效果检查。第二，沙盘的制作也需要一定的成本，大量和反复的生产都不建议进行。由于3D打印技术的出现，沙盘的制造看上去成本又低，耗时又少。但是3D打印机昂贵的费用仍旧是一个问题。第三，沙盘模型虽然是根据设计进行的等比例制作的，但是其包含的信息仍旧非常少。只能用来展示建筑设计外部样式，无法体现内部结构。
第二种展示方式为制作演示动画。这种方式通过制作一段演示影像动画，完全按照动画的内容展示建筑设计。通过动画的效果，将建筑设计中，希望展示给用户观看的内容按照一定逻辑顺序进行播放。观看视频的用户可以从多个角度自习的看到包括设计模型内外部风格、结构等细节内容。由于视频制作技术的发达，视频内容还可对设计进行一些光线、角度等方面的修饰，以求达到更好的展示效果。该方法则常用于楼盘的广告和会议展示。
动画演示方法的一个很大的问题在于，需要进行视频特效的添加。这需要团队成员掌握视频制作的一些相关技能，才可以制作出高质量的演示动画。此外，由于制作好的视频完全按照设计剧本来展示建筑模型，观看者不免会产生质疑，认为视频中仅仅展示了设计中好的部分，而刻意掩盖了一些缺陷。不能按照用户的想法随意的从各个角度全面的进行观察。
最后一种展示方式是通过计算机辅助设计(CAD)软件[1]。该方法主要是用于建筑模型的设计人员在设计的过程中对模型进行检查和修改。例如，被广泛使用的AutoCAD软件，可以方便的为用户从不同角度观察设计图。然而该软件仍属于二维设计模式范畴，无法解决在建筑设计领域急需解决的三维空间问题。随着计算机技术进一步的发展，三维建模软件开始出现并且被应用到了建筑设计领域。
通过CAD软件进行模型展示的方式，其主要问题有两点。首先CAD软件的操作对用户提出了很高的要求。往往简单的旋转、缩放功能都需要一定的指导才能完成。除了从事设计的专业人员外，普通用户很难短时间熟练掌握。第二，该方法必须在安装了设计软件的计算机上进行，无法随时随地的进行模型展示，场景受限。
虚拟现实技术在建筑模型领域的应用有着许多重要的意义[2]，可以摆脱只能通过显示器进行简单观察的限制。通过对所获取的建筑模型进行分析，根据其内容复杂度、细节度，对模型进行不同的处理，再结合设备允许的操作类型为模型设计出适合的交互方式，为复杂建筑模型的观察提供简便的方法。能够有效解决传统展示方法中，制作沙盘或视频的成本问题和无法全方位展示的效果问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够全方位展示建筑模型的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，包括如下步骤：
1)对Skp格式的建筑模型进行处理，导出为能够在Unity软件中使用的fbx格式，将生成的fbx格式文件导入Unity软件中；
2)在Unity软件中，搭建展示的场景，并根据建筑设计的复杂程度，对建筑模型的内部各部件进行整理，划分为多个子部分；
3)编写手势动作脚本文件，为展示场景，设计3种以上手势动作，用于对建筑模型进行操作，目的是能够多角度观察建筑模型；
4)在HoloLens中部署步骤2)搭建的场景，实现建筑模型的虚拟现实展示。
步骤1)是在SketchUp Pro软件中，使用导出三维模型的功能，选定输出类型为Unity 软件能够用的fbx类型，同时保证将全部平面分为三角形、导出两边的平面并导出纹理映射，从而生成fbx格式文件，并导入Unity软件中，Unity软件分别创建Materials文件夹保存建筑模型中的材质信息，以及Textures文件夹保存建筑模型所用到的贴图；最后生成prefab文件，并导入到场景中形成建筑模型。
步骤2)包括，分别完成如下工作：
(1)设置摄像机：当创建一个新的场景后，Unity软件会自动放入一个Camera物体作为场景中的主摄像机，并将主摄像的Clear Flags参数设置为Solid Color，Background参数设置为黑色；模拟人眼的实际情况，将主摄像Clipping Planes部件的Near参数设置为最小值0.01，使主摄像机的近平面与头盔的距离最小
(2)添加光照：为场景添加平行光，照亮场景中的建筑模型，平行光的亮度参数为0～ 0.5；
(3)模型分层：将建筑模型的所有部件分为外部轮廓和内部细节两大类，并分别给每个部件设置标签；编写分层脚本文件，用于实现在观察整体建筑模型时，隐藏标签为内部细节的部件；在进入建筑模型浏览细节时，显示内部细节的部件，将脚本文件设置一个布尔型变量值，当用户的操作使主摄像机进入场景内部时，将标签为内部细节的部件进行显示。
步骤3)是按照Unity软件场景中脚本的执行顺序，首先在Awake函数中将绑定的建筑模型进行初始化，然后为菜单上的每种手势动作编写对应的响应函数。
按照HoloLens的微软官方GitHub项目中的实例代码规范，HoloLens的手势识别系统能够按照1:1的比例将用户手势动作的移动距离读入到响应函数中的变量，响应函数根据这个变量值的变化，用于修改建筑模型的Transform值，包括xyz坐标数据、rotation旋转角度、 scale放大倍数。
步骤3)中所述的3种以上手势动作，包括：
(1)移动手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Manipulation；是指用户对建筑模型的全息影像在三维空间中进行移动的操作，输入为对三个方向上的移动距离，结果为全息物体移动相应的距离；
(2)旋转手势动作，对应HoloLens中的输入类型为横向的Navigation；是指用户对建筑模型进行旋转的操作，由于旋转的对象是建筑模型，因此旋转轴固定为自下而上的垂直坐标轴，输入为绕旋转轴旋转的角度，结果为全息物体进行旋转；
(3)放缩手势动作，对应HoloLens中的输入类型为纵向Navigation；是指用户对建筑模型进行放大或缩小的操作，输入为需要放大或缩小的比例，结果为建筑进行相应比例的放缩；
(4)进入手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Double Tap；是指用户进入建筑物模型当中的操作，输入为进入建筑模型的指令，结果为用户的视野进入到建筑模型中的指定位置；
(5)行走手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Hold；是指当用户位于建筑模型内部时，在建筑模型中走动的操作，输入为行走的方向和行走的距离，结果为视野沿输入的方向移动输入的距离。
步骤4)是在Unity软件中进行场景测试之后，将步骤2)搭建的场景部署到HoloLens 真机中进行测试；具体是：
(1)在Unity软件中将所述的场景导出成Visual Studio解决方案；
(2)在Visual Studio中，打开导出的Visual Studio解决方案，选择已连接的HoloLens 真机，佩戴头盔开始测试。
本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，在建筑结构完全一致的前提下，本发明的虚拟建筑呈现方式在场景中加入了光照、声音、虚拟喷泉等动态元素，使得模型场景更加生动，逼真；本发明能够通过操作，使模型在不受限制的虚拟空间中随意的进行放缩、旋转、移动等多种变换；更换模型只是简单的更换一个场景即可，等待时间很短，且操作均相同。在应用本发明进行模型观察时，各种手势动作均能够非常熟练的进行，不存在手势操作的困难度。
附图说明
图1是本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法做出详细说明。
本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，使用的开发工具为SketchUp Pro和Unity。SketchUp Pro是一款三维建筑设计方案创作的优秀工具。Unity是一款综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。虚拟现实设备使用的是微软HoloLens头盔。 HoloLens拥有自己的CPU、GPU和全系处理单元[3]，可以不依托于PC机或手机独立运行。
如图1所示，本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，包括如下步骤：
1)对Skp格式的建筑模型进行处理，导出为能够在Unity软件中使用的fbx格式，将生成的fbx格式文件导入Unity软件中；
具体是在SketchUp Pro软件中，使用导出三维模型的功能，选定输出类型为Unity软件能够用的fbx类型，同时保证将全部平面分为三角形、导出两边的平面并导出纹理映射，从而生成fbx格式文件，并导入Unity软件中，Unity软件分别创建Materials文件夹保存建筑模型中的材质信息，以及Textures文件夹保存建筑模型所用到的贴图；最后生成prefab文件，并导入到场景中形成建筑模型。
Skp格式的模型是在SketchUp Pro中设计完成的。包含有建筑模型的结构，以及必要的贴图文件。两者共同构成了用于展示的基础模型。由于虚拟现实的应用开发以及场景搭建需要在Unity开发软件中进行，因此需要进行建筑模型的导出与导入。大多的设计软件都会提供模型导出的功能，并且fbx格式也是常用被导出的格式之一。直接将fbx格式的建筑模型文件导入到Unity软件的工程项目中即可。
2)在Unity软件中，搭建展示的场景，并根据建筑设计的复杂程度，对建筑模型的内部各部件进行整理，划分为多个子部分；包括，分别完成如下工作：
(1)设置摄像机：当创建一个新的场景后，Unity软件会自动放入一个Camera物体作为场景中的主摄像机，当程序被部署到HoloLens设备之后，头盔即成为场景中的主摄像机 (MainCamera)，随头盔的移动、旋转而变化Transform组件的具体值。与默认创建的Camera 不同，用于Holographic程序的摄像机需要进行一些设置。并将主摄像的ClearFlags参数设置为Solid Color，Background参数设置为黑色；模拟人眼的实际情况，将主摄像Clipping Planes 部件的Near参数设置为最小值0.01，使主摄像机的近平面与头盔的距离最小
(2)添加光照：为场景添加平行光，照亮场景中的建筑模型，平行光的亮度参数为0～ 0.5，光照不宜过于明亮，否则当部署到HoloLens之后，过亮的场景与现实世界重合后会导致建筑模型难以看清。
(3)模型分层：将建筑模型的所有部件分为外部轮廓(Outline)和内部细节(Details) 两大类，并分别给每个部件设置标签(Tag)；编写分层脚本文件，用于实现在观察整体建筑模型时，隐藏标签为内部细节(Details)的部件；在进入建筑模型浏览细节时，显示内部细节(Details)的部件，可以防止放入视野内的物体数量过多。将脚本文件设置一个布尔型变量值，当用户的操作使主摄像机进入场景内部时，将标签为内部细节(Details)的部件进行显示。
Unity中的组件都需要在场景中进行呈现。因此，当建筑模型成功导入到Unity之后，需要创建并布置合适的场景，来调整建筑模型的展示效果。主要包括摄像机的调整、光照的添加、建筑模型大小位置的修改。
从其他设计软件中导入的建筑模型经常包含大量的元素，而由于HoloLens设备计算能力的限制，当头盔的可见视野包含的物体数量过多、物体重叠过多、或贴图材质信息过于复杂时，会造成视野效果的卡顿。这样的问题往往在对复杂模型的整体进行观察时会发生。因此，将模型分层现实，当用户观察到不同位置时显示不同的层次。
3)编写手势动作脚本文件，为展示场景，设计3种以上手势动作，用于对建筑模型进行操作，目的是能够多角度观察建筑模型；
是按照Unity软件场景中脚本的执行顺序，首先在Awake函数中将绑定的建筑模型进行初始化，然后为菜单上的每种手势动作编写对应的响应函数。
具体是按照HoloLens的微软官方GitHub项目中的实例代码规范，HoloLens的手势识别系统能够按照1:1的比例将用户手势动作的移动距离读入到响应函数中的变量，响应函数根据这个变量值的变化，用于修改建筑模型的Transform值，包括xyz坐标数据、rotation旋转角度、scale放大倍数。
所述的3种以上手势动作，包括：
(1)移动手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Manipulation；是指用户对建筑模型的全息影像在三维空间中进行移动的操作，输入为对三个方向上的移动距离，结果为全息物体移动相应的距离；
(2)旋转手势动作，对应HoloLens中的输入类型为横向的Navigation；是指用户对建筑模型进行旋转的操作，由于旋转的对象是建筑模型，因此旋转轴固定为自下而上的垂直坐标轴，输入为绕旋转轴旋转的角度，结果为全息物体进行旋转；
(3)放缩手势动作，对应HoloLens中的输入类型为纵向Navigation；是指用户对建筑模型进行放大或缩小的操作，输入为需要放大或缩小的比例，结果为建筑进行相应比例的放缩；
(4)进入手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Double Tap；是指用户进入建筑物模型当中的操作，由于建筑设计往往会有除外观以外的内部具体细节，因此存在进入建筑模型当中，实地体验的需求。输入为进入建筑模型的指令，结果为用户的视野进入到建筑模型中的指定位置；
(5)行走手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Hold；是指当用户位于建筑模型内部时，在建筑模型中走动的操作，输入为行走的方向和行走的距离，结果为视野沿输入的方向移动输入的距离。
4)在HoloLens中部署步骤2)搭建的场景，实现建筑模型的虚拟现实展示。
是在Unity软件中进行场景测试之后，将步骤2)搭建的场景部署到HoloLens真机中进行测试；具体是：
(1)在Unity软件中将所述的场景导出成Visual Studio解决方案；
(2)在Visual Studio中，打开导出的Visual Studio解决方案，选择已连接的HoloLens 真机，佩戴头盔开始测试。
值得注意的是，首次使用HoloLens的用户，尚未熟悉HoloLens的手势动作，需要经过 HoloLens的手势学习，对点击、拖拽、移动等手势进行学习。完成学习之后，用户则能够熟练自如的通过手势进行模型的操作。
按照本发明的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，分别对四个复杂程度不同的建筑模型进行虚拟现实方式的展示。测试了用户在该方式下的体验感受。用户使用感受主要有以下四点：
1、使用HoloLens展示的建筑模型与CAD软件中的设计完全一致。将虚拟呈现的模型与电脑屏幕中的模型两者进行比较，能得到前者的突出优点。第一，在建筑结构完全一致的前提下，虚拟建筑呈现方式还在场景中加入了光照、声音、虚拟喷泉等动态元素，使得模型场景更加生动，逼真；第二，模型能够通过操作，使模型在不受限制的虚拟空间中随意的进行防缩、旋转、移动等多种变换；最后，更换模型只是简单的更换一个场景即可，等待时间很短，且操作均相同。
2、软件中定义的操作方式足以满足用户对观察模型的所有需求。用户表示，在简单的学习了HoloLens的手势操作后，在应用本发明进行模型观察时，各种手势动作均能够非常熟练的进行，不存在手势操作的困难度。同时，由于HoloLens的手势识别功能，完全无需借助任何设备，仅凭单手凭空操作，就可以完成操作。这一点与使用鼠标键盘等进行操作时有很大的不同。
3、用户极为赞赏的一点在于本发明涉及的进入与行走功能。用户在双击模型后，建筑模型将按照实际建筑大小进行放大，并定位用户在建筑内的一个点，用户即进入模型，站在该位置随意的观察，甚至是在虚拟建筑中行走。
4、测试中使用的四个建筑模型均运行流畅。它们的复杂程度由小到大，从最小的集装箱式宿舍、到最大的城市模型。较复杂的模型中包含着数千个单元组件。但通过将模型进行预先的分类处理，按照用户所在的位置展示不同层次的内容，能够使模型展示的效果不会造成较大的卡顿或延迟。
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[3]许卫华.从虚拟现实技术到增强现实技术[J].中国有线电视,2013(7):854-857。

Claims (4)

1.一种基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对Skp格式的建筑模型进行处理，导出为能够在Unity软件中使用的fbx格式，将生成的fbx格式文件导入Unity软件中；
2）在Unity软件中，搭建展示的场景，并根据建筑设计的复杂程度，对建筑模型的内部各部件进行整理，划分为多个子部分；包括，分别完成如下工作：
（1）设置摄像机：当创建一个新的场景后，Unity软件会自动放入一个Camera物体作为场景中的主摄像机，并将主摄像的Clear Flags参数设置为Solid Color，Background参数设置为黑色；模拟人眼的实际情况，将主摄像Clipping Planes部件的Near参数设置为最小值0.01，使主摄像机的近平面与头盔的距离最小
（2）添加光照：为场景添加平行光，照亮场景中的建筑模型，平行光的亮度参数为0～0.5；
（3）模型分层：将建筑模型的所有部件分为外部轮廓和内部细节两大类，并分别给每个部件设置标签；编写分层脚本文件，用于实现在观察整体建筑模型时，隐藏标签为内部细节的部件；在进入建筑模型浏览细节时，显示内部细节的部件，将脚本文件设置一个布尔型变量值，当用户的操作使主摄像机进入场景内部时，将标签为内部细节的部件进行显示
3）编写手势动作脚本文件，为展示场景，设计3种以上手势动作，用于对建筑模型进行操作，目的是能够多角度观察建筑模型；
4）在HoloLens中部署步骤2）搭建的场景，实现建筑模型的虚拟现实展示；
是按照Unity软件场景中脚本的执行顺序，首先在Awake函数中将绑定的建筑模型进行初始化，然后为菜单上的每种手势动作编写对应的响应函数；具体是按照HoloLens的微软官方GitHub项目中的实例代码规范，HoloLens的手势识别系统能够按照1:1的比例将用户手势动作的移动距离读入到响应函数中的变量，响应函数根据这个变量值的变化，用于修改建筑模型的Transform值，包括xyz坐标数据、rotation旋转角度、scale放大倍数。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，其特征在于，步骤1）是在SketchUp Pro软件中，使用导出三维模型的功能，选定输出类型为Unity软件能够用的fbx类型，同时保证将全部平面分为三角形、导出两边的平面并导出纹理映射，从而生成fbx格式文件，并导入Unity软件中，Unity软件分别创建Materials文件夹保存建筑模型中的材质信息，以及Textures文件夹保存建筑模型所用到的贴图；最后生成prefab文件，并导入到场景中形成建筑模型。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，其特征在于，步骤3）中所述的3种以上手势动作，包括：
（1）移动手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Manipulation；是指用户对建筑模型的全息影像在三维空间中进行移动的操作，输入为对三个方向上的移动距离，结果为全息物体移动相应的距离；
（2）旋转手势动作，对应HoloLens中的输入类型为横向的Navigation；是指用户对建筑模型进行旋转的操作，由于旋转的对象是建筑模型，因此旋转轴固定为自下而上的垂直坐标轴，输入为绕旋转轴旋转的角度，结果为全息物体进行旋转；
（3）放缩手势动作，对应HoloLens中的输入类型为纵向Navigation；是指用户对建筑模型进行放大或缩小的操作，输入为需要放大或缩小的比例，结果为建筑进行相应比例的放缩；
（4）进入手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Double Tap；是指用户进入建筑物模型当中的操作，输入为进入建筑模型的指令，结果为用户的视野进入到建筑模型中的指定位置；
（5）行走手势动作，对应HoloLens中的输入类型为Hold；是指当用户位于建筑模型内部时，在建筑模型中走动的操作，输入为行走的方向和行走的距离，结果为视野沿输入的方向移动输入的距离。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的建筑模型呈现与交互方法，其特征在于，步骤4）是在Unity软件中进行场景测试之后，将步骤2）搭建的场景部署到HoloLens真机中进行测试；具体是：
（1）在Unity软件中将所述的场景导出成Visual Studio解决方案；
（2）在Visual Studio中，打开导出的Visual Studio解决方案，选择已连接的HoloLens真机，佩戴头盔开始测试。
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