基于3ds Max與Unity 3D的三維虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

喻臻鈺++楊昆

摘要：虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個具體應(yīng)用。三維虛擬校園漫游系統(tǒng)可給予體驗者身臨其境的真實感，從而模擬現(xiàn)實環(huán)境，為使用者提供便利，也為學校展示自身風采提供了有效途徑。本設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用3ds Max建模，依靠Unity 3D搭建場景，最終實現(xiàn)云南師范大學主校區(qū)的三維虛擬校園系統(tǒng)，對本校的宣傳有一定作用。

關(guān)鍵詞：3ds Max；Unity 3D；虛擬現(xiàn)實；虛擬校園；三維建模

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0218-04

Based on the 3ds Max and Unity 3D Design and Implementation of a Three-dimensional Virtual Campus System

YU Zhen-yu1，2， YANG Kun1，2

（1. School of Information Science and Technology， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China； 2. GIS Technology Engineering Research Centre for West-China Resources and Environment of Educational Ministry， Kunming 650500， China）

Abstract： Virtual Tour technology is virtual reality technology branch， virtual campus is a specific application of this technology. Three-dimensional virtual campus roaming system can give those who experience an immersive realism to simulate realistic environments， provide users with convenience， but also for schools to demonstrate their presence provides an effective method. The design is based on virtual reality technology， the use of 3ds Max modeling， rely Unity 3D structures scene， and ultimately a three-dimensional virtual campus system of Yunnan Normal University main campus.

Key words： 3ds Max； Unity 3d；virtual reality； virtual campus； three-dimensional modeling

1 概述

在信息化技術(shù)不斷發(fā)展的今天，眾多領(lǐng)域均通過計算機應(yīng)用為用戶的使用提供便捷。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是眾多計算機應(yīng)用中被使用最為廣泛的技術(shù)之一，它已逐漸從幕后走到臺前，從實驗室的研究項目走向?qū)嶋H應(yīng)用，遍及各個領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為計算機應(yīng)用行業(yè)的研究重點[1]。隨著“數(shù)字地球”的提出，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到日常生活勢在必行。其中，虛擬校園是“數(shù)字地球”建立于學習與生活中較為直觀的體現(xiàn)，它運用圖像處理技術(shù)和計算機圖形學相結(jié)合的三維可視化圖形圖像并在屏幕上顯示，實現(xiàn)了人機交互的功能，為師生、家長提供了極大的方便，具有宣傳學校、提高知名度的作用[2]。

2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)

2. 1國外研究現(xiàn)狀

美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地[3]，目前其研究水平遙遙領(lǐng)先于世界各國。美國圣何塞州立大學已在虛擬世界平臺“第二人生”（ 世界上最受青睞的三維虛擬平臺之一）上建立了虛擬校園[4]。英國、日本、德國等國家對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究也處于領(lǐng)先地位[5]。德國某大學為使學生便于查詢和研究，聯(lián)合研制出基于三維GIS的城市模擬系統(tǒng)。日本發(fā)達的動漫，聯(lián)合先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，于2014年12月設(shè)立全球首所“虛擬學?！?[6]，可讓受心理問題困擾的學生在家中化身虛擬人物，利用手機搖桿自由學習和交流。

2. 2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步于20世紀80年代，最早在高校中研究，與一些發(fā)達國家還有一定差距。近年，我國已將虛擬現(xiàn)實技術(shù)列為國家重點研究項目[7]，許多重點院校及實驗室也加入其中，清華大學、廈門大學、浙江大學等學校相繼推出了三維虛擬校園系統(tǒng)。北京林業(yè)大學、武漢生物工程學院等院校通過實現(xiàn)虛擬校園的形式有：單純圖片式， 360度全景拍攝、交互式三維仿真[8]。大多數(shù)已實現(xiàn)的虛擬校園是采用平面地圖和部分實景拍攝整合而成，使用者對這樣的系統(tǒng)比較被動，場景不真實，過于機械化，難于實現(xiàn)智能化的人機交互。若采用360度全景拍攝存在的問題是場景并非連續(xù)，依然無法克服缺乏互動感的缺陷。然而通過制作三維場景模擬校園并實現(xiàn)漫游，這樣無疑虛擬再現(xiàn)了真實場景，便于體驗者參觀校園，欣賞美景。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)軟件

傳統(tǒng)的人機交互往往停留在二維空間上，雖可實現(xiàn)功能，但用戶感受性差，且與真實環(huán)境出入較大，難以實現(xiàn)較好的人機交互和智能化。此系統(tǒng)主要使用的軟件有3ds Max、Unity 3D和Photoshop等，開發(fā)環(huán)境如表1所示。

3ds Max是主要的三維建模工具，在三維虛擬校園中，整體場景和每個建筑的效果直接影響用戶使用的逼真度。Unity 3D是一種基于開源.net，即Mono.net的組件化的游戲引擎，具有開發(fā)效率高、運行穩(wěn)定、用戶界面良好等特點[9]，其內(nèi)置的API函數(shù)與開發(fā)工具Visual Studio結(jié)合能夠高效地開發(fā)出仿真系統(tǒng)。

4系統(tǒng)總體框架設(shè)計

4.1技術(shù)路線

通過校園地理信息的數(shù)據(jù)采集與整理，使用三維建模軟件進行精細建模，進而對三維模型進行處理，再根據(jù)實景規(guī)劃將模型導(dǎo)入系統(tǒng)，并生成虛擬校園漫游功能。在系統(tǒng)中加入光照效果、玻璃鏡面的反射效果、碰撞測試、飛行鳥瞰等效果，并附加建筑物屬性[10]，按要求設(shè)計漫游系統(tǒng)中各種三維物體能夠進行方便的操作，再對漫游方式進行設(shè)定和規(guī)劃[11]。在Unity 3D中用C#設(shè)計用戶交互界面，基于SQL Server數(shù)據(jù)庫構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再連接數(shù)字校園系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 [12]。具體技術(shù)路線如圖1所示：

4.2系統(tǒng)的總體設(shè)計

為利于系統(tǒng)的開發(fā)、維護、部署和擴展，本設(shè)計基于“分而治之”的思想采用三層架構(gòu)模式（數(shù)據(jù)訪問層、表示層、業(yè)務(wù)邏輯層）開發(fā)-。其中，數(shù)據(jù)訪問層采用SQL Server2008實現(xiàn)查詢功能。表示層為界面外觀設(shè)計，效果如圖2所示。業(yè)務(wù)邏輯層則為系統(tǒng)的邏輯建構(gòu)，系統(tǒng)健壯性是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，高內(nèi)聚、低耦合為最終目標，由此對于輸入、輸出功能的有效性驗證工作是必不可少的[10]。

4.3 功能模塊設(shè)計

無論做怎樣充分的準備，最終目標都是要使系統(tǒng)“活”起來，這便需要加入控制腳本實現(xiàn)相應(yīng)功能[11]。

4.3.1查詢功能

查詢功能的實現(xiàn)有兩種：使用Unity 3D內(nèi)置的小型數(shù)據(jù)存儲PlayerPrefs；使用外部數(shù)據(jù)庫。對于數(shù)據(jù)訪問需求不大的情況建議使用PlayerPrefs，它通常用于手機客戶端的數(shù)據(jù)存儲訪問。而本設(shè)計采用的是連接SQL Server 2008，其實現(xiàn)如圖3所示。

實現(xiàn)查詢功能是將數(shù)據(jù)庫查詢的結(jié)果通過函數(shù)返回值的形式傳到腳本變量，然后通過變量的調(diào)用顯示到屏幕。這里需用到Find（）方法，在使用中要注意：Find（）方法是通過遍歷本場景中所有Game Object而實現(xiàn)查找的，由于Update（）與Awake（）這類方法每幀都要執(zhí)行，如果Find（）方法大量使用在這兩個函數(shù)中，則會導(dǎo)致運行卡頓，極大占用系統(tǒng)資源，且存在很大崩潰的風險。

4.3.2路徑查詢功能

路徑查詢功能的實現(xiàn)有多種方法，例如NavMesh、A*、GameObject、發(fā)送射線等。本設(shè)計采用的便是NavMesh與發(fā)送射線的方法。使用Unity 3D的NavMesh進行路徑查詢，設(shè)置相對繁雜，但腳本調(diào)用相對容易，且路徑查詢過程中不易出現(xiàn)主角與建筑碰撞導(dǎo)致無法行走的情況。先將場景中能夠路徑查詢的區(qū)域用NavMesh烘焙，再用相同方法烘焙不可查詢的區(qū)域[9]，如圖4所示。最后添加NavMeshAgent組件在需要路徑查詢的主角上啟動查詢，編寫腳本后添加到路徑查詢的主角，腳本調(diào)用agent.SetDestination（）函數(shù)即可實現(xiàn)。

4.3.3小地圖功能

使用KGFMapSystem[5] 插件實現(xiàn)小地圖標志，效果如圖5所示。小地圖周圍的四個按鈕可實現(xiàn)放大、縮小、最大化、鎖定方向等功能。

圖5 小地圖

4.4數(shù)據(jù)采集處理

在校園整體布局設(shè)計中，建筑的位置擺放，花草樹木的種植范圍以及地勢的高低起伏是直接影響作品效果的因素，本文以云南師范大學呈貢校區(qū)真實場景為例，采用Google GetScreen軟件進行截圖拼接，獲取相應(yīng)位置的衛(wèi)星影像，并進行研究區(qū)裁剪，結(jié)果如圖6所示。在建模過程中，為夠更好的還原模型真實感，需在研究區(qū)大量采集真實圖像，經(jīng)過處理，附加于模型，使其渲染效果逼真。

4.5三維建模

三維建模的方法有多種，本設(shè)計使用的是二維圖形建模和多邊形建模。該類方法較好地提高整體建模效率，且可修改性高，便于后期維護。建模完成后，通過STL檢查對模型多余的線和面進行刪除，減少數(shù)據(jù)冗余。

5系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)制作完成后需發(fā)布才可實現(xiàn)共享，目前Unity 3D已支持常見設(shè)備格式，本系統(tǒng)發(fā)布了網(wǎng)頁、客戶端和Android版。

將構(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)三維模型場景所需的素材導(dǎo)入工程項目Assets目錄下并打包發(fā)布。調(diào)整Unity 3D的發(fā)布配置，從菜單欄選擇 Edit->Project Settings->Player，進行發(fā)布設(shè)置，如圖9所示。

6結(jié)論與展望

三維虛擬校園對學校建設(shè)具有輔助作用，也適應(yīng)了信息社會發(fā)展的趨勢，具有重要的理論、現(xiàn)實意義與價值。三維虛擬校園系統(tǒng)對學校對外宣傳、招生就業(yè)、學校面貌的展現(xiàn)具有非常重要的作用，是校園信息化平臺建設(shè)的重要組成部分。

本系統(tǒng)以清華大學及廈門大學三維虛擬校園系統(tǒng)為參考，結(jié)合云南師范大學虛擬校園建設(shè)的實際需求，利用3ds Max建立虛擬校園場景，通過Unity 3D進行發(fā)布。用戶可通過多平臺進行校園瀏覽和人機交互，為后續(xù)的虛擬校園建設(shè)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。對于本設(shè)計中，草地、花臺等細微模型，及深入的空間分析、沖突檢測等，有待完善和提高。

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