虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高思等

摘要：漫游系統(tǒng)的設(shè)計以西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心為研究對象，利用3DS MAX、Unity3D等軟件，探討了虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)過程以及設(shè)計過程中需要注意的一些技術(shù)上的關(guān)鍵問題。漫游系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了交互、自尋路徑、碰撞檢測等功能，真實的還原了大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心場景。

關(guān)鍵詞：漫游系統(tǒng)；三維建模；模型優(yōu)化；游戲引擎

中圖分類號：TP37 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）02-0231-02

1 系統(tǒng)概述

虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)是利用三維建模軟件3ds MAX、MAYA等加以游戲引擎如UDK、Unity3D等的配合來實現(xiàn)在電腦中再現(xiàn)現(xiàn)實世界的技術(shù)。西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心的設(shè)計利用3ds max軟件建立模型，Photoshop軟件處理貼圖，最后將模型導(dǎo)入unity3d中設(shè)計游戲引擎并發(fā)布。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心漫游系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集包括CAD圖紙的設(shè)計、建筑參數(shù)的測量、建筑實景照片的拍攝以及室內(nèi)數(shù)據(jù)的收集等。

利用計算機輔助設(shè)計CAD導(dǎo)出的圖紙，精確搭建西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心建筑模型，不僅使工作效率得到極大的提高，同時模型的精度也是非常高的。建筑的高度難以測量，利用微積分思想，通過數(shù)臺階的方式。這樣只需測量每個臺階的高度，就能通過簡單的計算得到建筑的高度。

3 模型建立

3.1建筑建模

漫游系統(tǒng)制作的第一步就是模型的建立，首先，利用已有的西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心CAD圖紙（如圖1），將其導(dǎo)入3Ds MAX軟件，采用分層導(dǎo)出的方法進行外場景建筑的制作。

3.2室內(nèi)建模

室內(nèi)建模對于還原場景十分重要，直接關(guān)系到后期用戶界面的體驗效果。模型精確程度關(guān)系到后期紋理貼圖，模型不能過于簡單，因為如果模型過于簡單，模型就會顯得粗糙，導(dǎo)致很多細節(jié)都不能表現(xiàn)出來，模型容易失真。但是如果物體的每一個面都用三維模型的面來模擬，又容易產(chǎn)生大量的三角面，增加了每一次的渲染時間。

3.3 建模流程和模型優(yōu)化

3.3.1 三維建模流程

①涉及到多人參加建模，必須統(tǒng)一單位。

②模型中面片之間的最小間距大于場景中最大尺寸的二千分之一。

如果三維模型中兩個面與面之間的距離小于此數(shù)值，會出現(xiàn)這兩個面交替渲染的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生渲染時閃爍的情況。三維模型的面片之間不允許有交叉和疊加共面現(xiàn)象，單個的模型不允許出現(xiàn)有破洞的情況，也不可以有黑色反面出現(xiàn)的情況。

③關(guān)于模型的結(jié)合問題。當(dāng)三維物體的每一個模型中所有的面片都使用3DS Max軟件經(jīng)過三維建模和添加對應(yīng)的材質(zhì)之后，將材質(zhì)相同的三維模型附加為一個整體，便于后期的移動和渲染。

④對在同一個平面上相鄰的兩個面可以刪除公共的邊，但是不要形成凹多邊形，保證每個面都是凸多邊形。

3.3.2模型優(yōu)化

由于系統(tǒng)的資源有限，為在有限資源下使程序運行更加流暢，必須對模型進行優(yōu)化。在3Ds MAX中，模型的面數(shù)對游戲流暢程度的影響極大，面數(shù)越多，資源消耗越大，從而游戲流暢程度越低，所以模型優(yōu)化的一類就是減少面數(shù)。減少面數(shù)并不能隨意的減少，只有那些沒有貼圖并且看不到的面才能優(yōu)化，否則就會影響模型的外觀。

4 材質(zhì)及貼圖的制作

貼圖對于整個漫游系統(tǒng)的真實度起著至關(guān)重要的作用，整個貼圖的設(shè)計過程包括照片采集、圖像處理、貼圖。

4.1 圖片處理

利用photoshop軟件對圖片進行處理，除了對圖片的顏色、亮度、污點等調(diào)整處理之外，由于大多數(shù)照片都是以仰拍的形式進行拍照的，所以將圖片調(diào)正是貼圖質(zhì)量的關(guān)鍵。將待修改圖片置入ps中，通過選擇扭曲、縮放等功能的配合使圖片調(diào)正。貼圖像素不能太高，因為圖片像素過高在3ds Max里難以導(dǎo)入且會增加渲染負擔(dān)。

4.2 貼圖

貼圖主要過程包括，材質(zhì)球設(shè)計、將材質(zhì)賦予物體、添加UVW貼圖。在對外場景建筑貼圖過程中采用孤立物體、貼圖、隱藏已貼圖物體的方式進行貼圖，使整個過程更加方便快捷。

對于地磚等進行貼圖時注意不能在材質(zhì)球中更改平鋪次數(shù)，可以通過UVW貼圖對平鋪次數(shù)進行修改。因為如果直接修改材質(zhì)球中平鋪次數(shù)，將模型導(dǎo)入U3D時貼圖的平鋪次數(shù)實際上將不會改變。

貼圖過程中還有一個重要的修改器--法線。在貼圖過程中我們遇到貼完圖渲染出來的卻是黑色的問題，這時為模型添加法線修改器便能輕松解決。

4.3貼圖優(yōu)化

在添加UVW貼圖后，對其進行塌陷全部命令，使模型轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形。建模過程中會有很多命令夾雜重疊在模型上，這樣就會占用很大一部分內(nèi)存和CPU，從而拖慢電腦的運行速度，對模型進行塌陷后就會去除那些多余的命令等，把所有附加在立體模型上的修改器、貼圖、形態(tài)等特征全部固化到模型上，從而節(jié)約出大量的內(nèi)存提高電腦速度。

5 引擎的設(shè)計與實現(xiàn)

模型設(shè)計完成后，將模型導(dǎo)入unity中從而實現(xiàn)計劃的功能。目標(biāo)包括：燈光、相機的設(shè)置，自尋路徑，語音播放，碰撞檢測，人機交互等功能的實現(xiàn)。

5.1 模型導(dǎo)入前準(zhǔn)備

由于3ds Max和unity3d兩個不同軟件之間的差異，制作好的模型并不能直接導(dǎo)入到unity中，我們還必須進行一系列的處理。

單位的處理

在導(dǎo)出模型前，必須在3DMAX中將系統(tǒng)默認(rèn)單位設(shè)置進行修改，這樣才不會在unity中出錯。在3DMAX中，默認(rèn)的單位是毫米，而在unity中默認(rèn)的單位是米，這兩個軟件中單位不同。如果不進行相應(yīng)的處理，將會出現(xiàn)unity中的模型非常小的情況。

模型軸向的處理

模型導(dǎo)出前，必須在3DMAX中將模型的y軸設(shè)置為向上。因為在3DMAX中，模型的z軸是向上的，而在unity中向上的是y軸。如果不處理軸向，在3ds max中正常的模型，導(dǎo)入到unity中將會豎起來。

5.2功能實現(xiàn)

系統(tǒng)功能主要包括人機交互、碰撞檢測、自尋路徑等功能以及燈光、相機的設(shè)置。交互功能是實現(xiàn)漫游的重點，將‘上、‘下等邏輯功能封裝成角色控制器組件實現(xiàn)第一人稱視角。

碰撞檢測在3D漫游系統(tǒng)中至關(guān)重要，是模擬物體遇到障礙物時的物理反應(yīng)。例如當(dāng)對象遇到墻壁時，則不能繼續(xù)前進。通過為對象添加相應(yīng)的碰撞器，物體便能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測。

Light mapping（光照貼圖技術(shù)）是一種增強靜態(tài)場景光照效果的技術(shù)，它可以通過較少的性能消耗使得靜態(tài)場景看上去更真實、豐富，以及更具有立體感。

在使用這一技術(shù)的時候，必須進行一定的設(shè)置。

①啟動unity應(yīng)用程序，打開大學(xué)生創(chuàng)新中心的模型。

②選中模型，在Inspector視圖中，勾選該對象的Static復(fù)選框即可將模

型標(biāo)記為Static，即通知unity這些物體是不會移動的靜態(tài)物體，這類對象將會參與到光照貼圖的烘焙。

③依次打開菜單欄中的Window-Lightmapping選項，會彈出Lightmapping視圖。選中場景中的光源方向，在Lightmapping視圖中的Object標(biāo)簽頁下會出現(xiàn)該光源的設(shè)置。

④在Lightmapping視圖中的Bake標(biāo)簽頁下將Mode項選擇為Single Lightmaps類型。更改Bounces數(shù)值為2，設(shè)置Sky Light Intensity為0.4。

⑤調(diào)整Resolution數(shù)值到60，讓光影細節(jié)更精細些。

在Scene 視圖右下角的位置，在Lightmap Display 對話框中勾選Show Resolution復(fù)選框，即可看到光照圖在模型上的分辨率。

⑥單擊Lightmapping視圖右下角的Bake Scene按鈕，即開始生成Lightmaps。同時unity主窗口右下角會出現(xiàn)進度條。待進度條完成后，結(jié)果會在Scene視圖中顯示烘焙的結(jié)果。

5.3 運行結(jié)果

西北民族大學(xué)大學(xué)生實踐創(chuàng)新中心虛擬現(xiàn)實漫游系統(tǒng)運行效果如圖2，圖3。

參考文獻：

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