基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D智慧校園設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王宇琛 黃蓋先 艾鴻

摘 要： 以上海海洋大學(xué)為例，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出與現(xiàn)實(shí)校園相近逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)的操控與該虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧校園的控制。利用Auto Maya、Photoshop、Illustrator等建模、美化軟件，進(jìn)行校園建筑數(shù)據(jù)獲取、3D模型的建立以及貼圖紋理的映射等；利用Unity 3D引擎進(jìn)行用戶交互設(shè)計(jì)，建立起大學(xué)實(shí)際仿真景觀的3D智慧校園。在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了小地圖的展示、界面多參數(shù)的調(diào)控、界面定位等個(gè)性化功能。

關(guān)鍵詞： 3D智慧校園；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；Auto Maya建模；Unity3D引擎

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）02-

Design and Interaction of 3D Digital Campus based on Virtual Simulation Technology

WANG Yuchen1，HUANG Gaixian2，AI Hong2

（1 College of Economics and Management，Shanghai Ocean University， Shanghai 201306，China；

2 College of Information Technology，Shanghai Ocean University， Shanghai 201306，China）

Abstract：Taking Shanghai Ocean University as a studying project， an intelligent 3D campus which is very close to the reality， is designed based on Virtual Reality Technology. Users can interact with this virtual environment by computer， and realize the control of this intelligent campus. Using some modeling， picture processing and engine software such as Maya， unity3D， Photoshop and the Illustrator， the functions of this intelligent 3D campus and the interaction between users and the environment are implemented through a series of steps including collecting data of the building ， establishing the 3D model， texture mapping and the design of the interaction. In the meantime， the paper also achieves some personalized functions， such as showing the map， controlling multiparameter of the interface， and locating.

Keywords：Intelligent 3D Campus； Virtual Reality Technology； Auto Maya Modeling； Unity3D Engine

0引 言

當(dāng)今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已進(jìn)入了成熟發(fā)展期，由此帶動(dòng)了信息數(shù)字化的強(qiáng)勢(shì)推進(jìn)。“數(shù)字校園”的概念也隨之應(yīng)運(yùn)而生。而在此基礎(chǔ)上衍變更新的“智慧校園”甫一面世，即已成為學(xué)界寵兒，獲得了多方的矚目及關(guān)注?！爸腔坌@”是通過(guò)對(duì)于校園的三維建模，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建出校園的整體模型，而后通過(guò)一些交互手段來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于數(shù)字校園的操控，具有信息集中化、界面可視化、操作簡(jiǎn)便化等優(yōu)勢(shì)特征。目前大部分學(xué)校均已展開有關(guān)3D數(shù)字校園建設(shè)的研究，本文即在此背景下，推出一套設(shè)計(jì)方案，致力于為各所高校的校園數(shù)字化建設(shè)提供一種更加可靠高級(jí)的建模與交互方法。

傳統(tǒng)的平面地圖以及簡(jiǎn)單的用戶操作體驗(yàn)已經(jīng)逐漸難以滿足用戶日益增長(zhǎng)的需求。本文即以上海海洋大學(xué)為案例，設(shè)計(jì)出的3D智慧校園不僅可以使校內(nèi)的同學(xué)輕松在自己的電腦上模擬行走學(xué)校路況，熟悉地形以及各個(gè)建筑物的用途，有效利用學(xué)校各種資源。不僅如此，還可以將其作為一個(gè)對(duì)外宣傳推廣的平臺(tái)，對(duì)外界更加真實(shí)立體地傳播校園的實(shí)際情況，使人們有如身臨其境，并獲得有關(guān)學(xué)校的直接貼切的第一手珍貴觀感。與此同時(shí)，本文也提供了一個(gè)效果良好的3D智慧校園實(shí)際案例，在建模、貼圖、引擎以及用戶操作方面，都具有一定的創(chuàng)新價(jià)值。

整個(gè)軟件主要由三維建模以及引擎設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)完成。在建模方面，Vega， AutoCAD ， 3D MAX， ArcGIS， CCGIS， Maya， VRP等都是各具特點(diǎn)的建模軟件。這些軟件或技術(shù)在三維數(shù)字校園的開發(fā)上，其在諸如開發(fā)成本、建模速度、建模精度、數(shù)據(jù)量、工作量、逼真度、沉浸感、實(shí)時(shí)性、交互性、兼容性、開發(fā)周期、實(shí)現(xiàn)的難易程度等方面均是各有優(yōu)劣，難判高下。具體使用時(shí)，則需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行判斷。而智慧校園模型的貼圖以及引擎的搭建也已有多款軟件可供研究者自主選擇使用 [1-2] 。

結(jié)合開發(fā)成本、開發(fā)周期、以及學(xué)校的一些特殊情況，本項(xiàng)目選擇了真實(shí)感、操作感、沉浸感等方面更勝一籌的maya為基礎(chǔ)先建立起模型，然后通過(guò)Photoshop以及Illustrator進(jìn)行美工圖片處理，最后利用Unity 3D作為整個(gè)數(shù)字校園的運(yùn)行引擎來(lái)最終實(shí)現(xiàn)上海海洋大學(xué)的3D智慧校園。

1 軟件功能與規(guī)劃

1.1 軟件實(shí)現(xiàn)流程

（1）需求分析與功能構(gòu)想。該流程是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵，不僅需要考慮項(xiàng)目最終達(dá)到的效果，即傳遞智慧校園在時(shí)下學(xué)生校園生活的應(yīng)用便利，還需要多方面考慮完成項(xiàng)目所需的人力、物力、時(shí)間，由此制定完善的項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃；

（2）采集校園建筑數(shù)據(jù)、平面圖。通過(guò)google地圖等工具，多角度采集校園平面數(shù)據(jù)圖，該流程是隨后建立模型的基礎(chǔ)，模型的比例、模型的材質(zhì)都與采集的素材密切相關(guān)；

（3）基于Auto Maya進(jìn)行3D建模；

（4）利用Photoshop等軟件制作模型與貼圖。一方面為前期制作的3D模型選擇材質(zhì)、繪制紋理貼圖，另一方面為Unity引擎設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)界面UI；

（6）評(píng)價(jià)調(diào)試與功能拓展。Bug檢測(cè)與功能改善。

1.2 軟件模塊架構(gòu)分述

1.2.1建模模塊

校園模型構(gòu)造大體分為三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1數(shù)字模型的設(shè)計(jì)步驟

Fig.1 Design steps of the digital model

1.2.2 基于Unity3D引擎設(shè)計(jì)模塊

在3D建模初具所成之后，便可以開啟Unity3D引擎的搭載進(jìn)程，其界面顯示以2D與3D相結(jié)合的手法實(shí)現(xiàn)，用戶導(dǎo)航等功能界面將以2D、GUI進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在3D虛擬環(huán)境中則以3D進(jìn)行布局。在此過(guò)程中，可以將前期Maya中設(shè)計(jì)的模型導(dǎo)出為obj格式或者fbx格式，導(dǎo)入到Unity3D引擎中進(jìn)行程序控制。整個(gè)程序功能模塊如圖2所示。

圖2程序功能模塊圖

Fig.2 Functional modules of the program

1.3 功能實(shí)現(xiàn)

基于3D引擎的搭載主要實(shí)現(xiàn)以2D界面的形式宣傳與介紹校園信息，以3D模式進(jìn)行虛擬環(huán)境用戶操控與體驗(yàn)，且重點(diǎn)以3D功能搭建為例進(jìn)行介紹：實(shí)現(xiàn)以第三人稱視角控制虛擬人物在數(shù)字校園環(huán)境中的游覽；以基本符合現(xiàn)實(shí)的比例構(gòu)建數(shù)字校園環(huán)境，力求自然、逼真；構(gòu)建數(shù)字校園水環(huán)境，包括不同透明度和折射度的湖、噴泉、瀑布等；仿真多種物理效應(yīng)，諸如從高空墜落的重力效應(yīng)、剛體碰撞試驗(yàn)、對(duì)于樓梯還是墻壁的分析以判定其是否可以向上攀爬等機(jī)制；營(yíng)造環(huán)境3D聲效，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感；大小地圖切換、定位、導(dǎo)航等基于虛擬數(shù)字校園的功能模塊；模擬一天24小時(shí)不同時(shí)間段的光線的環(huán)境氛圍。

2 校園3D建模的設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)資料的收集

在數(shù)據(jù)資料的收集中，上海海洋大學(xué)各個(gè)教學(xué)樓的設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)地照片，Google earth的俯視圖，地形圖，剖面圖等，這些都可以作為后期建模的基本數(shù)據(jù)。學(xué)校各建筑的平面圖則如圖3所示。

圖3學(xué)校各建筑的平面圖

Fig.3 Plans of different buildings in school

2.2多邊形建模實(shí)例

在Maya建模中，大量的運(yùn)用布爾操作，而布爾操作具體來(lái)說(shuō)可分為三種，分別是：Union， Difference， Intersection。在建模過(guò)程當(dāng)中，樓梯的制作也是通過(guò)多邊形建模的整合進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，多個(gè)立方體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1長(zhǎng)方體的參數(shù)設(shè)置

Tab.1 Parameter settings of the cuboid

長(zhǎng)方體

Scale x

Scale y

Scale Z

Translate

A

4

6

10

（1，2，0）

B

6

3

3

（0.155，6.4，-0.5）

如果要做11階臺(tái)階。Y方向每一次改變（6.4-0.8）/11=0.5，Z方向每一次改變[6.4-

（-0.5）]/11=0.6，于是就有11組數(shù)據(jù)，具體將代表11個(gè)長(zhǎng)方體的位置。之后，多次使用Mesh->Booleans->Difference命令即可得到樓梯，如圖4所示。

圖4所得樓梯效果圖

Fig.4 Design sketch of stairs

2.3 材質(zhì)與紋理貼圖

在對(duì)模型建模以后，便要對(duì)建模設(shè)定材質(zhì)，選取貼圖。材質(zhì)是指定制物體對(duì)燈光所做出的自然折射狀態(tài)。而貼圖則表示物體表面的色彩，好的貼圖會(huì)增加物體的真實(shí)性，逼真性。Maya中常用的材質(zhì)如表2所示。

表2 Maya中主要的材質(zhì)

Tab.2 Main materials in Maya

名稱

特點(diǎn)

應(yīng)用

Lambert

無(wú)光澤，無(wú)亮點(diǎn)

應(yīng)用在紙，土壤等質(zhì)感

Phong

光亮透明光滑

應(yīng)用在塑料，玻璃或金屬等材質(zhì)上

Phong E

是對(duì)Phong的升級(jí)

應(yīng)用和phong類似

Blinn

更為真實(shí)，渲染慢

在金屬的應(yīng)用上比phong更好

Anisotropic

適合表面有紋理的質(zhì)感上

CD，毛發(fā)或絲絨等

貼圖主要分為2D的和3D貼圖，如表3所示。

表3 Maya中的主要貼圖

Tab.3 Main body paint in Maya

種類

作用

Color（色彩）

顯示材質(zhì)的顏色效果

Transparency（透明度）

調(diào)節(jié)材質(zhì)的透明度

Incandesence（白熱光）

能讓物體表面看起來(lái)相愛(ài)那個(gè)發(fā)光的效果

Bump（凹凸）

主要是利用貼圖上的紋理來(lái)改變表面上的法線

Displacement（置換）

Displacement和 Bump最大的不同是Displacement Map 會(huì)實(shí)際改變物體的外形。

Diffuse（散射）

決定了表面吸收光及向四周散射光的數(shù)量

Translucence

產(chǎn)生半透明的效果，讓材質(zhì)可以由燈光產(chǎn)生穿透或是散射的能力

Specular

指的是鏡面反射率

Reflectivity

制作金屬反射出環(huán)境四周的效果

在Maya中的2D貼圖主要分為3種方式：Normal，Projection和Stencil；這些不同的貼圖方式，主要用來(lái)處理貼圖和物體表面之間的關(guān)系。而本文獲得貼圖的主要步驟為：獲取UV——>將UV導(dǎo)入到PS中->根據(jù)UV繪制貼圖[3]。

3 基于Unity3D引擎的校園人機(jī)交互的搭建

3.1 主場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

利用人物模型，模擬真實(shí)的場(chǎng)景效果。主界面右下角為場(chǎng)景中的應(yīng)用菜單，具體如圖5所示。

圖5軟件主界面效果圖

Fig.5 Main interface design sketch of the program

3.1.1 小地圖導(dǎo)航的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在主界面的左下方是場(chǎng)景中的小地圖模式，點(diǎn)擊地圖按鈕后，小地圖便將從最左邊呈現(xiàn)出來(lái)如圖6所示的效果。

圖6小地圖效果圖

Fig.6 Design sketch of the map

圖中圓點(diǎn)表示人物在校園中所在的位置，同時(shí)小地圖右邊的的“+”與“-”符號(hào)按鈕，通過(guò)“-”符號(hào)按鈕可以調(diào)節(jié)小地圖的視野范圍。

小地圖的設(shè)計(jì)原理：采用在場(chǎng)景中另設(shè)一個(gè)攝像頭的機(jī)制，將新設(shè)立的攝像機(jī)命名為camera0，而將原主場(chǎng)景中的攝像機(jī)設(shè)為main camera；Main Cameara負(fù)責(zé)主場(chǎng)景中景色的渲染；再將Camera0攝像機(jī)放在高空中，其鏡頭對(duì)向地面，小地圖的成像實(shí)際就是高空攝像機(jī)對(duì)地面的投影；此后再將攝像機(jī)的X、Z坐標(biāo)與場(chǎng)景角色的X、Z坐標(biāo)完成綁定，由此就實(shí)現(xiàn)了小地圖的設(shè)計(jì)[4]。

3.1.2 Unisky 插件的有效使用

利用Unisky插件可以在場(chǎng)景中模擬不同的天氣，不同的時(shí)間段場(chǎng)景中的景色，其視像可如圖7所示。

圖7不同時(shí)間段，不同天氣情況下的效果圖

Fig.7 Design sketch of different times and weathers

3.1.3 設(shè)置界面多參數(shù)的調(diào)控

設(shè)置界面中，有五個(gè)參數(shù)是可以調(diào)控的，分別是音效、音樂(lè)、行走速度、旋轉(zhuǎn)速度以及時(shí)間軸。研究中采用滾動(dòng)條的方式進(jìn)行調(diào)控，如圖8所示。

圖8界面參數(shù)調(diào)控效果圖

Fig.8 Design sketch of the interface parameterss control

由圖8可見，左下角的與時(shí)間同步滑動(dòng)條是可以調(diào)控的，以決定進(jìn)入場(chǎng)景時(shí)的時(shí)間景色是否與系統(tǒng)時(shí)間保持一致，由此看家在不同時(shí)間段進(jìn)入各自場(chǎng)景中的呈現(xiàn)均是不同的。

3.2 角色操縱與調(diào)控

3.2.1角色移動(dòng)控制程序。

首先判別控制的角色是否在地面，倘若處于地面，則可以通過(guò)按鍵控制角色移動(dòng)，同時(shí)調(diào)用封裝好的角色行走動(dòng)畫。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

if （controller.isGrounded == true）{

if （Input.GetKey （KeyCode.W））{

animation.CrossFade（"01_Cool Walk"）；

Vector3 forward = transform.TransformDirection（Vector3.forward）；

controller.Move（forward * movespeed *Time.deltaTime）；

同時(shí)，也可以對(duì)人物失重后的預(yù)設(shè)場(chǎng)景，模擬重力加速度，代碼如下：

movedirection.y -= gravity * Time.deltaTime；

controller.Move（movedirection * （Time.deltaTime * 2））；

通過(guò)以上代碼便實(shí)現(xiàn)了利用鍵盤W、A、S、D鍵對(duì)場(chǎng)景中任務(wù)的控制。此外，配合Unity引擎自帶的Smothfollow腳本，將會(huì)使main camera總是跟隨場(chǎng)景人物移動(dòng)。

3.2.2 角色視角調(diào)控

滑輪調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近視角、Q、E鍵調(diào)解視角的高低，代碼如下：

varscrollkeyspeed = 5（定義滑輪速度）

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！= 0）{

distance = distance + Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） * Time.deltaTime * scrollkeyspeed * 80；}

if （distance < 10）{distance=10；}

if （distance > 40）{distance=40；}

3.2.3剛體碰撞試驗(yàn)與重力效應(yīng)模擬

剛體碰撞參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9剛體碰撞參數(shù)設(shè)置

Fig.9 Parameter settings of rigid body collision

在設(shè)置模型時(shí)勾選generate colliders，從而給模型添加剛體，這樣當(dāng)場(chǎng)景中的人物接觸建筑時(shí)，便不會(huì)穿過(guò)建筑了。

利用下面的條件語(yǔ)句可判斷人物是否落地：if （controller.isGrounded == true）{}倘若人物沒(méi)有落地，則movedirection.y -= gravity * Time.deltaTime；否則，人物即可判定為落下。

另外，也可以定義浮點(diǎn)型變量gravity作為重力系數(shù)，重力系數(shù)越大，人物落下去的速度越快。也就是，將以此來(lái)模擬人物的降落特效[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于Auto Maya 3D建模與Unity3D引擎搭載，提出了構(gòu)建3D校園虛擬與現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的新思路。該平臺(tái)對(duì)于各大高校建立數(shù)字校園具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，功能拓展性強(qiáng)，可以將校園信息與3D數(shù)字校園進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，甚至可以與時(shí)下電子商務(wù)彼此結(jié)合。該項(xiàng)目對(duì)于高校實(shí)用性強(qiáng)，可提高學(xué)校的知名度與推廣度。日后可以進(jìn)一步深入挖掘U3D的功能與應(yīng)用，其研究成果將具有良好的應(yīng)用前景。本文研究給3D數(shù)字校園環(huán)境與用戶間開拓了一種較為新穎的交互思路，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園中的實(shí)際應(yīng)用提供了一種可用性較高的實(shí)現(xiàn)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李芳，肖洪，楊波，周亮，劉宇鵬.三維數(shù)字校園的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010（1）：71-75.

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[5] 宣雨松.Unity 3D游戲開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2012.

基金項(xiàng)目：上海市大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目（B-5106-13-0005）。

作者簡(jiǎn)介：王宇?。?992-），男，山東濟(jì)寧人，本科生，主要研究方向：國(guó)際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易；

黃蓋先（1994-），男，河南濮陽(yáng)人，本科生，主要研究方向：空間信息與數(shù)字技術(shù)；

通訊作者：艾 鴻（1970-），女， 四川新津人，碩士，講師，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)安全、計(jì)算機(jī)教育研究。

1 基金項(xiàng)目：上海市大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目（B-5106-13-0005）。

作者簡(jiǎn)介：王宇?。?992-），男，山東濟(jì)寧人，本科生，主要研究方向：國(guó)際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易；

黃蓋先（1994-），男，河南濮陽(yáng)人，本科生，主要研究方向：空間信息與數(shù)字技術(shù)；

艾 鴻（1970-），女， 四川新津人，碩士，講師，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)安全、計(jì)算機(jī)教育研究。

通訊作者： 艾 鴻