基于Unity 3D 的虛擬校園設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要對3D校園模型、虛擬教學(xué)模塊和交互功能模塊這三個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的綜合性分析，從而完善虛擬校園的系統(tǒng)功能，向大家展示了一個(gè)更真實(shí)網(wǎng)絡(luò)校園。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)通信；虛擬校園

中圖分類號(hào)：TP391.9

1 虛擬校園總體設(shè)計(jì)

虛擬校園系統(tǒng)包括三維虛擬校園場景建模、虛擬漫游、虛擬教室和虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字圖書館、虛擬實(shí)驗(yàn)室、行政管理系統(tǒng)等功能模塊。三維虛擬場景建模主要是利用三維建模軟件3DS Max對學(xué)校主要建筑、地形、景觀等進(jìn)行建模，包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、體育場館、行政樓、宿舍樓等主要標(biāo)志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機(jī)控制組件等結(jié)合C#代碼控制虛擬角色在虛擬校園場景模型里的行動(dòng)來實(shí)現(xiàn)虛擬場景漫游。虛擬數(shù)字圖書館提供三維圖書館的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了漫游圖書館的虛擬角色預(yù)定圖書館自習(xí)室座位的特色功能。行政管理信息系統(tǒng)為校園管理者提供可視化的管理解決方案，并對校園遠(yuǎn)景規(guī)劃提供決策支持。本文的研究內(nèi)容的特點(diǎn)主要有如下幾個(gè)方面：首先是在虛擬教學(xué)方面，詳細(xì)闡述如何利用強(qiáng)大的三維游戲引擎Unity，結(jié)合socket網(wǎng)絡(luò)通信，建立實(shí)時(shí)多人在線虛擬教室，使得用戶能遠(yuǎn)程接受如同身臨其境般的虛擬教學(xué)，相比于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育模式，本文設(shè)計(jì)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)具有虛擬角色對應(yīng)、多人實(shí)時(shí)在線音視頻交流互動(dòng)、遠(yuǎn)程提交批閱作業(yè)等沉浸式虛擬環(huán)境；其次，在虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)上，特別是在基礎(chǔ)物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)方面，提供完全仿真過程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中可能發(fā)生的有毒性、爆炸性等潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能省去實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)藥品等的花費(fèi)；在機(jī)械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過三維模型在虛擬空間的三維坐標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)裝配過程，節(jié)約了機(jī)械零部件成本，同時(shí)能給予用戶裝配流程指導(dǎo)；再次，在虛擬校園系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，充分考慮到現(xiàn)在校園用戶對移動(dòng)終端的使用頻繁度，利用Unity引擎強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性，發(fā)布多平臺(tái)的虛擬校園系統(tǒng)，特別是支持移動(dòng)終端的虛擬校園系統(tǒng)，使得用戶能通過訪問移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)方便的使用本系統(tǒng)提供的豐富的功能，既方便用戶隨時(shí)學(xué)習(xí)和使用，也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)和使用的趣味性和吸引力，對提高學(xué)生用戶的學(xué)習(xí)興趣有促進(jìn)作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路框圖如圖1。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)功能圖

2 部分系統(tǒng)功能詳解

2.1 3D校園模型。為了逼真的表現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)所描繪的環(huán)境，可以給虛擬環(huán)境設(shè)置背景，加上地表與天空，建立的三維世界處于大地的中心，就如同自然界的大地和天空一樣，由于學(xué)校是小區(qū)域，而且實(shí)地地勢比較平坦，因而，本論文的地表模型建立為一個(gè)平面。在模型的構(gòu)建中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化，一個(gè)虛擬的校園系統(tǒng)還是比較大的，對模型充分的優(yōu)化可以最大化減小最后網(wǎng)絡(luò)文件的大小，利于用戶瀏覽?？臻g背景和空間本身都是無限大的，但是空間背景可以理解為包圍在空間周圍的一個(gè)球狀殼體，稱為空間背景球體。整個(gè)空間背景可以分為兩個(gè)部分：天空和地面，兩者之間以地平線分隔。設(shè)置背景是通過設(shè)定Background節(jié)點(diǎn)的各域的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，可分為兩種設(shè)定方式，一種是通過顏色插值模擬大地和天空；一種是構(gòu)造背景的全景圖。在虛擬校園系統(tǒng)中采用了設(shè)置背景全景圖的方法，在天空模型的內(nèi)表面，用紋理映射產(chǎn)生全天候天空背景。

2.2 虛擬教學(xué)。虛擬教學(xué)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬教學(xué)過程，將教學(xué)過程真實(shí)的展現(xiàn)出來，它不僅能夠彌補(bǔ)院校硬件設(shè)施的不足，打破傳統(tǒng)的說教的教學(xué)模式，而且虛擬現(xiàn)實(shí)的強(qiáng)大的畫面感會(huì)很大程度的提高學(xué)生上課的積極性，尤其是在一些實(shí)際操作性非常強(qiáng)的專業(yè)上，如導(dǎo)游、旅游、自動(dòng)化、機(jī)械、動(dòng)漫等專業(yè)，可以通過動(dòng)畫模擬的形式將理論知識(shí)呈現(xiàn)出來。不僅如此，本系統(tǒng)同時(shí)還可以對學(xué)校的宣傳起到積極的推動(dòng)作用，方便想了解學(xué)校的用戶在電腦上就能身臨其境的獲得更多的校園信息，使任何用戶只需一步就能“踏進(jìn)”校園參觀了解。

2.3 交互功能模塊。漫游是該虛擬校園系統(tǒng)的關(guān)鍵，人機(jī)交互部分的主要是利用鼠標(biāo)或者鍵盤等計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備控制有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行和理解，并執(zhí)行通過人機(jī)交互設(shè)備傳來的有關(guān)的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學(xué)生、老師或者家長，所以其人機(jī)交互界面，必須以一般大眾（而非專家）為其用戶對象，以簡單直觀、方便快捷為目的。在本系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互包括GUI界面設(shè)計(jì)和漫游設(shè)計(jì)。用戶通過瀏覽器可以直接打開軟件，進(jìn)入使用界面，界面中可以呈現(xiàn)多種的漫游界面以供選擇，例如自動(dòng)導(dǎo)航、手動(dòng)導(dǎo)航燈。

基于虛擬校園的人機(jī)交互，它能使得用戶就像親身行走在校園之中。隨著天氣和時(shí)間的不同，校園中的光線等也隨之發(fā)生變化，對校園景貌進(jìn)行環(huán)視、俯視、仰視，使人感覺更真實(shí)。同時(shí)，用戶能夠由遠(yuǎn)及近的觀看校園中建筑物，熟悉校園環(huán)境。由于現(xiàn)在的虛擬校園都是從外觀進(jìn)行游覽，下一階段的目標(biāo)就是能夠讓用戶進(jìn)入教室里體驗(yàn)。在人機(jī)交互時(shí)，視點(diǎn)會(huì)隨著輸入設(shè)備的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致視點(diǎn)進(jìn)入地面下、飛出天空外和穿過建筑物或樹木、路燈等特征物，這樣就不夠完美，因此必須進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游的碰撞測試。通過Vega中的相交矢量控制視點(diǎn)與碰撞檢測目標(biāo)的距離，減少了不必要的碰撞，提高系統(tǒng)性能和真實(shí)程度。

3 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)水平技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域中，與人們的生活、工作密不可分，其中虛擬校園是一個(gè)很重要的應(yīng)用。它采用虛擬物體和實(shí)景拍攝影音結(jié)合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，使用用戶能遠(yuǎn)程的通過單機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)訪問該系統(tǒng)，以虛擬漫游的形式感受正好校園風(fēng)貌。雖然現(xiàn)在虛擬校園技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段，但其發(fā)展前景不可估量。它現(xiàn)在正在不斷發(fā)展和完善，并且它對硬件設(shè)備的要求不高而且設(shè)備價(jià)格不斷降低，使得它逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞，因此它會(huì)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈國鈞.三維虛擬校園交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2012（03）：200+196.

[2]李芙蓉，靳盼盼.基于ArcScene和3Dsmax虛擬校園的初步實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（04）：250-251.

作者簡介：周超（1988-），男，湖北人，碩士，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)；胡明哲（1974-），男，湖北人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

作者單位：湖北大學(xué) 物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，武漢 430062；貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴陽 550025