基于UNITY技術(shù)實現(xiàn)的三維虛擬校園平臺設(shè)計

吳輝煌

摘 要：三維虛擬校園平臺的設(shè)計與實現(xiàn)不僅僅可以讓我們進行校園漫游，對校園進行宣傳介紹，也可以為我們實現(xiàn)校園應(yīng)急事件的推演提供強有力的支持。利用3DSMAX和unity游戲引擎我們可以實現(xiàn)三維虛擬校園平臺的運行，該文以廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，設(shè)計與實現(xiàn)軟件學(xué)院的三維虛擬校園平臺。

關(guān)鍵詞：UNITY 三維 虛擬校園

中圖分類號：TP391. 41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0051-02

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是結(jié)合地理信息技術(shù)、計算機圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)等多種技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)我們可以實現(xiàn)真實環(huán)境的數(shù)字化、虛擬化?，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事航天、工業(yè)仿真、房地產(chǎn)、應(yīng)急推演、游戲、教育等領(lǐng)域中。特別是在教育領(lǐng)域中，教育部在一系列的相關(guān)文件中，多次提及到虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。

三維虛擬校園環(huán)境平臺是以真實校園為整體藍本，包括校園布局設(shè)計、交通、景觀、教學(xué)及生活環(huán)境、建筑物內(nèi)外、人文等。該平臺可以成功虛擬現(xiàn)實校園的全部場景，可以實現(xiàn)訪問者自動漫游，以及改變視點進行環(huán)視，訪問者還可以做出像在真實世界一樣的動態(tài)行為，實現(xiàn)了環(huán)境的藝術(shù)性和真實性[1]。該文將對三維校園虛擬化平臺進行設(shè)計與實現(xiàn)。

1 虛擬校園環(huán)境的總體布局

雖然虛擬漫游系統(tǒng)并不要求虛擬場景與真實場景完全一致，但是構(gòu)建的模型和場景應(yīng)該盡量真實反映實際的情況，應(yīng)該做好校園的總體布局，該文的虛擬校園平臺是以廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，校園環(huán)境主要把重要的建筑以及建筑周邊環(huán)境表現(xiàn)出來，校園環(huán)境的總體布局如圖1所示。

2 虛擬校園模型創(chuàng)建

三維模型的創(chuàng)建有很多方法，在市場上比較常見的有3DSMAX，MAYA，Sketch Up等。Sketch Up也叫草圖大師，使用操作比較簡單直觀，但是對一些復(fù)雜的模型處理起來不是很好，在細節(jié)表現(xiàn)上比較欠缺[2]。而3DSMAX和MAYA都是autodesk公司的產(chǎn)品，兩個軟件功能差不多。MAYA的動畫系會比較全面，但3DS MAX的樣條線建模卻更強大一些，而且3DS MAX有很多插件支持，所以在建筑動畫方面，使用3DS MAX會更多一些，該文也是采用3DSMAX軟件來設(shè)計的。在3DSMAX當(dāng)中建模的時候用的方法也有很多，比如基礎(chǔ)幾何體建模、復(fù)合對象建模、二維圖形轉(zhuǎn)三維模型建模、多邊形建模、網(wǎng)格體建模、面片建模、NURBS 建模等。在虛擬校園實現(xiàn)平臺上面建模，應(yīng)該在保證必須的模型質(zhì)量情況下做到數(shù)據(jù)量盡量小，也就是模型的面數(shù)盡量地少，這樣能保證虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的運行效率。材質(zhì)貼圖設(shè)置的時候也盡量不要使用高清的貼圖，避免后期平臺運行的時候比較卡。

我們先在3DSMAX軟件中導(dǎo)入在CAD軟件當(dāng)中繪制的學(xué)校平面圖，然后在標(biāo)準(zhǔn)平面圖的基礎(chǔ)上再進行各個模型的創(chuàng)建。

（1）道路模型創(chuàng)建。

道路模型的創(chuàng)建我們主要使用樣條線來進行編輯，樣條線包括點、線段、樣條線3個層級。我們先利用線描繪出道路的線路，使用控制柄調(diào)整樣條線使其與平面圖當(dāng)中的道路吻合。道路的邊緣我們可使用樣條線的輪廓來擠出獲取路沿，道路中央則可以直接把樣條線轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，這樣就可以直接得到三維路面了。

（2）樓房模型創(chuàng)建。

3DSMAX在進行模型創(chuàng)建的過程中方法很多，我們主要使用高級建模當(dāng)中的多邊形建模的方法來進行樓房模型的創(chuàng)建。多邊形的編輯有包括點、邊、邊界、多邊形、元素5個層級。在創(chuàng)建樓房等模型時我們先創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)基本體，然后把模型轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，再對模型的點、邊、多邊形等進行編輯，慢慢細化生成我們所需要的樓房模型。在進行多邊形編輯的過程中盡量要控制多邊形的面數(shù)，在后面進行材質(zhì)貼圖的時候可以減少很多的工作量。在創(chuàng)建模型的時候我們需要根據(jù)實際的模型進行調(diào)整，模型如果凹進去或者凸出來不超過50 cm的，則直接用面貼圖表示，這樣可以節(jié)省很多的面數(shù)。

（3）花草樹木的創(chuàng)建。

樹木和花的創(chuàng)建我們主要使用TreeStorm，下載TreeStorm插件之后放置到3DSMAX軟件plugcfg根目錄下面就可實現(xiàn)插件的加載，從TreeStorm插件當(dāng)中自帶的樹庫我們可以選擇樹木模型直接加載在我們的場景中。當(dāng)然這時候的樹都是比較精細的，并不適合大量的加載。為了使我們后期在引擎中能夠順利運行，我們只加載幾個精細樹木。更多的樹木和花我們還是使用簡單的面配上貼圖來實現(xiàn)。樹可以使用交叉的四個面來實現(xiàn)，而花使用交叉的3個面來實現(xiàn)即可。草地的制作和路面類似，主要樣條線編輯再進行多邊形轉(zhuǎn)換，后期配上貼圖就能實現(xiàn)了。

（4）其他道具的創(chuàng)建。

場景當(dāng)中我們還需要不少的道具，比如路燈、石頭、籃球架、足球門等。這些模型在創(chuàng)建的過程中主要也是使用多邊形來進行編輯。路燈模型采用統(tǒng)一的模型進行創(chuàng)建，石頭模型則根據(jù)具體的石塊進行編輯，得到不同的形狀并賦予材質(zhì)，籃球架和足球門使用簡單面片模型配上貼圖就可以實現(xiàn)，這邊就不詳細說明了。

3 材質(zhì)貼圖的設(shè)置

校園模型創(chuàng)建完成之后我們開始進行模型材質(zhì)貼圖的設(shè)置。首先我們在校園里面拍攝了一些樓房的照片，針對照片需要進行圖片大小和像素的處理。我們根據(jù)樓房中單面墻壁或者單個創(chuàng)建來設(shè)置貼圖，如果單面墻壁都屬于統(tǒng)一顏色的使用則使用材質(zhì)來設(shè)置。比如樓房外墻我們會按照窗戶大小來設(shè)置單個面的大小，這時候截取照片中的窗戶賦予該面就可以較好地表現(xiàn)出窗戶了。如果是樓道，我們可以用白色材質(zhì)來表現(xiàn)屋檐，欄桿和門的材質(zhì)則和窗戶材質(zhì)的設(shè)置一樣。沒有窗戶的墻壁和地板我們使用磚塊的貼圖來進行平鋪。

道路的材質(zhì)和草地的材質(zhì)我們分別使用水泥和草貼圖來進行平鋪，注意調(diào)整好平鋪數(shù)量使材質(zhì)看起來真實一些?；ê蜆淠镜馁N圖需要做好透明材質(zhì)貼圖，因為我們是用面直接表現(xiàn)，所以需要制作黑白貼圖來設(shè)置材質(zhì)的透明度。

4 虛擬引擎的導(dǎo)入

要想實現(xiàn)虛擬環(huán)境，需要把3DSMAX當(dāng)中的模型導(dǎo)入引擎。寒霜、虛幻、unity這些引擎都是常見的普通游戲開發(fā)者使用的游戲引擎！我們的三維虛擬校園環(huán)境采用的unity引擎來實現(xiàn)校園虛擬平臺的運行。Unity是能讓用戶輕松自如地創(chuàng)建三維游戲、虛擬漫游、實時三維動畫等一系列能互動的多平臺的游戲引擎。使用unity引擎可以發(fā)布到Windows、Android和iPhone等平臺上面，也可以直接發(fā)布到網(wǎng)頁游戲上面。

在Unity引擎中創(chuàng)建一個工程文件，在工程文件當(dāng)中導(dǎo)入天空、地形、角色等插件。我們把創(chuàng)建出來的3DSMAX模型導(dǎo)出生成FBX格式，把FBX和貼圖統(tǒng)一放置在Unity工程文件當(dāng)中。這時候?qū)С鰜淼奶摂M校園平臺就可以導(dǎo)入到Unity工程中了，在Unity場景當(dāng)中添加平行光作為太陽光。角色使用第一人稱視角，游戲運行的時候就可以直接使用第一人稱攝像機來進行漫游了。第一人稱角色這時候會直接穿過Unity當(dāng)中的模型，所以我們需要把模型創(chuàng)建成剛體。創(chuàng)建完剛體對象之后就可以實現(xiàn)第一人稱視角在三維虛擬校園的漫游了，但整個背景只有單一顏色，所以我們可以在第一人稱的攝像機背景上面添加天空貼圖。天空背景就可以直接顯示出來了。如果我們的虛擬校園平臺還需要有界面，可以再創(chuàng)建一個場景，然后在場景當(dāng)中進行界面設(shè)計，引擎導(dǎo)出運行程序的時候再進行場景的轉(zhuǎn)換[3]。

5 三維虛擬校園環(huán)境的實現(xiàn)

我們利用Unity引擎導(dǎo)出成在Windows平臺上面能運行的文件，會有生成EXE、pdb文件和一個DATA文件夾，把這3個文件放置在同一個文件夾中就可以實現(xiàn)文件的運行了。三維虛擬校園環(huán)境就可以實現(xiàn)漫游了，如圖2。在漫游的時候我們既可以采用窗口模式進行漫游，也可以使用全屏，利用鍵盤的上下左右鍵我們就可以在里面進行走動。如果需要第三人稱的時候我們也可以在3DSMAX里面創(chuàng)建角色并做好角色的走路、停止動畫，然后再導(dǎo)入引擎中進行動畫的運行。

6 結(jié)語

三維虛擬校園平臺的創(chuàng)建方法還是比較多的，在進行模型創(chuàng)建的時候我們就可以采用草圖大師、CAD、3DSMAX或者MAYA等軟件了。導(dǎo)入引擎的方法也比較多，我們主要采用Unity這個游戲引擎。在進行引擎設(shè)置的過程中我們還可根據(jù)情境編輯一些場景內(nèi)部切換或者學(xué)校應(yīng)急動畫演練等等效果。虛擬校園平臺的實現(xiàn)對我們進行學(xué)校宣傳教育都能起到比較重要的作用。

參考文獻

[1] 王振德，王艷春.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在虛擬校園中的應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：3223-3224，3235.

[2] 蘭玉芳，付金霞，徐霞華，等.基于SketchUp與ArcGIS的校園3DGIS 的設(shè)計與實現(xiàn)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28（2）：346-351.

[3] 張青峰，吳發(fā)啟，周淑，等.校園虛擬漫游設(shè)計初探[J].測繪科學(xué)，2005，30（6）：124-126.