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物联网智能家居虚拟装配交互系统的设计与实现

2021-12-28查雁南

计算机时代 2021年12期
关键词:智能家居物联网虚拟现实

查雁南

摘  要: 在物联网智能家居设备装配过程中容易因误操作而造成设备损坏,甚至引起电网事故、人身伤亡事故、财产损失惨重等问题。为了解决这个问题,设计了物联网智能家居虚拟装配交互系统。该系统使用Unity3D实时渲染引擎进行三维场景展示,交互端则使用Unity3D的物理引擎模拟事件触发,选用具有行业标准的物联网数据库来控制智能家居的实时场景交互。通过多角度镜头和实时参数调节,用户在三维引擎操作端可实时查看智能家居安装的进度和交互效果。

关键词: Unity3D; 物联网; 智能家居; 虚拟现实

中图分类号:TP31          文献标识码:A    文章编号:1006-8228(2021)12-45-03

Abstract: In the assembly process of IoT smart home equipment, it is easy to cause damage to the equipment due to misoperation, causing grid accidents, personal injuries and deaths, and heavy property losses. In order to solve this problem, this paper designs a virtual assembly interactive system for IoT smart home. The system uses Unity3D's real-time rendering engine to display three-dimensional scenes, and the interactive end uses Unity3D's physics engine to simulate event triggers, and selects industry-standard Internet of Things database to control the real-time scene interaction of smart homes. Through multi-angle lens and real-time parameter adjustment, users can view the progress and interactive effects of smart home installation in real time on the 3D engine operating terminal.

Key words: Unity3D; IoT; smart home; VR

0 引言

2005年在世界峰會上正式提出的“物联网”(IoT,The Internet of Things)[1]这一概念宣告着“物联网”时代的正式来临。然而当前的物联网行业诸侯割据并没有形成统一的标准,物联网环境的极度不稳定,导致了上层应用服务和硬件系统的设计分割,物联网应用方案不能在硬件系统上进行验证,从而使现有的物联网解决方案在设计后很少落地实施。随着以Unity3D为代表的三维游戏引擎日渐成熟,使得以游戏引擎来构建可视化仿真提供了可能[2],利用游戏引擎构建虚拟现实场景来对物联网解决方案进行测试,一方面对物联网解决方案进行了全方面的展示,另一方面舍弃了物理环境的需求,解决了物联网中硬件部署与软件应用的断层问题。

Unity3D是一款支持建筑可视化、三维动画、视频游戏等多平台综合游戏开发的软件,广泛的应用于教育、游戏、机械、旅游、军事上。主要应用模式是与虚拟现实技术相结合。由于人类对家居智能化、个性化、舒适化等的要求日益增多,二维设计作品已远远无法满足。针对上述问题,本文将智能家居与虚拟现实技术相结合,设计了物联网智能家居虚拟装配交互系统,该系统不仅可以满足客户的个性化要求,同时也缩短了智能家居的开发周期、降低了建造成本,还可以减少智能家居产品在安装调试过程中产生的损耗,为用户的家居个性化安装提供便利。

1 设计思路

系统采用了Unity3D中的实时渲染、实时交互等关键技术,结合C#语言程序的编写实现了智能家居多个模块的物联网设备安装虚拟仿真。为了提升整个场景的视觉交互效果,运用了智能接线、无极参数调节、多层次细节技术、基于物理的渲染技术(PBR)等。在开发过程一共分为四个过程:场景设计、素材采集、模型创建、仿真程序交互[3]。

2 场景设计

信息工程学院与海尔集团是长期的校企合作伙伴,学院物联网教师和海尔物联网工程师以及仿真开发人员多次交流探讨制定了最初的场景设计方案,即将最常用的智能家居系统的安装虚拟化。该场景包括:智能家居系统网关安装设置、智能门锁的基本安装、智能窗帘的基本安装、智能家居智能控制面板的基本安装、智能家居的安装和配置实训模块。

其中,智能家居系统网关安装设置包括:认识智能家居系统网关;智能家居网关安装配置;智能家居网关测试。智能门锁的基本安装包括:智能门锁的相关基础知识;完成智能门锁的安装;对安装好的智能门锁进行测试。智能窗帘的基本安装包括:智能窗帘的相关基础知识;完成智能窗帘的安装;对安装好的智能窗帘进行测试。智能家居智能控制面板的基本安装包括:智能家居智能控制面板的相关基础知识;完成智能家居智能控制面板的安装;对安装好的智能家居智能控制面板进行测试。智能家居的安装和配置实训模块包含:能进行多种智能家居环境的安装,包括智能门锁、智能窗帘、智能灯光等等的安装;安装完成各个模块的线路连接;根据智能家居环境的要求进行智能面板的配置;对智能家居系统的测试和调制。

3 素材采集

根据以上的场景设计,建模人员去到海尔集团的物理网生产基地,对需要模拟的智能家居进行素材的采集,其中,我们使用摄像设备拍摄了所有设备的标准安装流程。使用单反拍摄了所有智能家居实物的外观,并通过卡尺、卷尺等测量工具测得被拍摄物体的具体尺寸,误差精确到1mm,力求在虚拟化过程中,保证安装尺寸和流程的准确性。

4 模型的创建

物联网智能家居安装项目包括:客厅、卧室、厨房、洗手间等。物联网配置流程包括:亮度可调节灯具、不可调节灯具、网关、插板、三口插头、作业台、Q6智能面板、P4智能面板、窗帘滑动装置、窗帘信号接收与控制设备、电脑显示器、路由器(包含电源)、剥线钳、螺丝刀、网线以及水晶头、正常的红蓝线路、胶布等。因为包含模型较多,所以前期工作以客廳为主,家居体验应该包含一整套完整家具,并与物联网紧密融合。其中,客厅的模型包括:灯具大屏电视(包含遥控器)、沙发、桌子、窗帘、Q6与P4面板、智能手机(移动终端)、墙壁装饰(时钟、画框等)、空调、垃圾桶、烟灰缸、茶具或者饮水道具、扫地机器人、冰箱、电话、音响等。

在获得原始的采集素材之后,就需要建模人员根据这些素材进行模型的创建。依照采集素材的尺寸和外观,使用多边形建模技术制作出初始的模型即低模[4],然后使用硬表面建模技术制作出初始模型的加线模型即高模,将制作好的低模和高模导入到PBR材质贴图制作工具中生成相应的凹凸、ao、曲率、位置、厚度等贴图,然后根据素材的外观制作出高仿真度的智能家居模型(图1),在制作的过程中需要仔细辨别模型的材质类型,添加相应的基础PBR材质。在三维场景中相近的视觉效果的材质,比如某些金属和塑料材质在特定的角度有着不同的反射和折射效果,如果混淆使用就会大大降低最终制作出来的效果。由于安装的设备都是比较新的,不需要特别的进行做旧处理。材质制作完成后导出Albedo、Metallic、Normal这三张适用于Unity3D的PBR材质系统的贴图。

5 仿真程序交互

将创建好的模型场景和贴图导入到Unity3D引擎之后,就可以开始仿真程序的交互设计。为了更加高效的完成交互,在引擎的编写代码过程中,使用了Itween、ShaderGraph、Obi、TextMesh Pro、New UI Widgets等功能插件[5]。

5.1 Itween功能插件的使用

Itween能高效管理各种动画,大大加快一些常用的位移和旋转动画的制作效率。比如A物体要从B位置移动到C位置,常用的方法是手动制作关键帧,在B位置刻一个关键帧,然后将物体移动到C位置再刻一个关键帧,并在动画窗口调节该动画的持续时间。而使用Itween插件则省去了在动画窗口手动刻帧的步骤,直接设置需要移动的Souce物体,再设置目标的位置PreparePosition,最后设置动画的时间2f秒就完成了一个位移动画。这种直接设置参数的方法比在动画窗口手动刻帧要方便快捷得多。实现代码:

IEnumerator StartMove()

{  iTween.MoveTo(Souce, PreparePosition, 2f);

iTween.RotateTo(Souce, Target.eulerAngles, 2f);

yield return new WaitForSeconds(2f);

iTween.MoveTo(Souce, Target.position, 1f);

}

5.2 ShaderGraph功能插件的使用

制作交互的特殊效果上使用了用了官方推荐的图形化Shader插件ShaderGraph,与传统的材质设计通过代码编辑器编写glsl/hlsl[6]相比有两点优势:不需要学习特殊的材质编写语言;可实时查看材质效果(图2所示)。通过使用ShaderGraph特效材质制作插件完成了设备部件连接和交互触发等需要操作提示或效果提示的材质效果,这也是使用基础材质球所无法完成的。

5.3 Obi功能插件的使用

在制作交互的过程中遇到的最大问题就是如何制作实时的线路连接模拟,传统的线路连接模拟使用的是三维动画点缓存来模拟。但其存在制作过程复杂、缓存文件大、无法自由切换等缺点[7],而使用Obi绳索线缆制作插件可以完美解决这些问题,不需要任何缓存,能实时模拟电线的各种连接变形动画,直观而且便捷(图3所示)。缺点就是占用更多的CPU算力,而在本项目开发中,线路运算并不是特别复杂,最大负载时CPU占用率在30%左右,完全不影响正常使用。

有了以上这些功能插件的帮助,大大缩减了整个项目的制作周期,最后完成的效果也符合前期的设计要求,操作体验流程流畅不卡顿,制作的特效材质的提示效果也恰到好处,最终完成的操作界面如图4所示。

6 结束语

采用unity3D引擎制作的该虚拟仿真系统具有“虚拟性”、“安全性”、“低成本”、“复用性”、“智能性”等优点。而实时的电线连接反馈以及各种灯光和开关的特殊效果展现,更能帮助技术人员随时身临其境体验真实的物联网设备的安装。

参考文献(References):

[1] 钟书华.物联网演义(二)——《ITU互联网报告2005:物联网》[J].物联网技术,2012.2(6):87-89

[2] 潘舒洁.基于Unity3D的虚拟现实交互系统的设计与实现[J].数码世界,2020.12:250-251

[3] 王斌.物联网专业数字电子技术虚拟仿真教学[J].福建电脑,2021.37(2):131-133

[4] 陈小飞,陈晓君.基于地铁轨道交通环控系统的虚拟现实与仿真关键技术研究[J].数字技术与应用,2020.38(3):170-172,174

[5] 张娟.基于虚拟现实和物联网技术的实验室漫游系统[J].数字技术与应用,2018.36(12):45,47

[6] 张福峰,王敏,金会赏.基于Unity3DUGUI动态材质修改的实现[J].电脑知识与技术,2020.16(25):218-219

[7] 关媛元.基于缓存系统的影视级别群组动画制作方法的研究及实现[D].东北师范大学,2015.

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