基于Untiy3D的三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王麗

摘 要：三維虛擬校園是對真實校園場景的三維仿真模擬，它是數(shù)字校園和智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)，在未來的校園建設(shè)中具有非常重要的意義。文章針對目前國內(nèi)的三維虛擬校園仿真效果不佳、缺乏交互性、開發(fā)周期長等問題，以山西大同大學(xué)虛擬校園為研究對象，引入了一種新的交互性強(qiáng)、渲染效果好、開發(fā)周期短的開發(fā)方法。文章著重介紹了山西大同大學(xué)虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計思路、相關(guān)的開發(fā)技術(shù)和實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵問題和方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。

關(guān)鍵詞：Untiy3D；虛擬校園；建模；漫游

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）09-0060-04

一、引言

隨著科技的發(fā)展，人們不再滿足于以往的親臨校園，或者以視頻、照片等方式了解校園風(fēng)貌，再加上各大高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，人們希望用更加簡潔、直觀、現(xiàn)實的方式了解和管理校園，提高學(xué)校的知名度，促進(jìn)學(xué)校的發(fā)展。這就迫切需要一種新的校園展示和規(guī)劃、管理的平臺[1]。在此背景下，三維虛擬校園應(yīng)運(yùn)而生。

三維虛擬校園是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)等領(lǐng)域的高新技術(shù)在教育領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是數(shù)字化校園和智慧校園建設(shè)的重要內(nèi)容，它打破了空間的局限性，能夠直觀地、真實的展現(xiàn)交互式三維校園場景[2]。

本文針對目前國內(nèi)三維虛擬校園仿真效果欠佳、缺乏互動性、開發(fā)周期長等問題，以山西大同大學(xué)虛擬校園為研究對象，以一種交互性強(qiáng)、渲染效果好、開發(fā)周期短的開發(fā)方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一個具有視覺和聽覺、交互性較強(qiáng)的三維虛擬校園漫游仿真系統(tǒng)。

系統(tǒng)使用3ds Max等工具進(jìn)行場景構(gòu)建，使用Unity3D作為開發(fā)平臺進(jìn)行漫游和交互的設(shè)計，實現(xiàn)了山西大同大學(xué)虛擬校園的自動漫游和自主漫游。自動漫游可使用戶按照預(yù)先設(shè)定好的路線全方位地瀏覽校園的各種環(huán)境，以產(chǎn)生身臨其境之感；自主漫游帶給用戶較強(qiáng)的交互體驗和沉浸感，可使用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤自主控制虛擬人的走向，按照自己的意愿游覽建筑，通過導(dǎo)航地圖的配合準(zhǔn)確定位虛擬人所處位置，點擊建筑物按鈕實現(xiàn)建筑物內(nèi)外場景的切換，使用戶既能瀏覽校園戶外風(fēng)光，又能進(jìn)入主要建筑物內(nèi)部了解教學(xué)環(huán)境。場景解說和背景音樂的加入，更增加了用戶游覽的興致。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

依據(jù)需求分析，系統(tǒng)開發(fā)主要包括兩個部分，即虛擬校園場景的構(gòu)建和虛擬漫游交互設(shè)計。

1.虛擬校園場景的構(gòu)建

虛擬場景的構(gòu)建要以真實校園為藍(lán)本。在構(gòu)建之前需要采集相關(guān)數(shù)據(jù)，即需要獲取校園建筑的實際尺寸并拍攝建筑物的相關(guān)圖片，為后期建模和貼圖做準(zhǔn)備。虛擬校園場景的制作過程較為復(fù)雜，涉及到的相關(guān)技術(shù)較多。

在進(jìn)行虛擬場景制作時，首先根據(jù)校園建筑物的實際尺寸，使用AutoCAD繪圖軟件繪制整個校園平面圖，以確定各建筑物的平面布局和位置。AutoCAD是建筑行業(yè)中首選的平面圖繪制軟件，它簡單易用，功能強(qiáng)大。

繪制好平面圖后，就可以利用3ds Max進(jìn)行各建筑物及虛擬人物的建模，完成整個三維虛擬校園場景的創(chuàng)設(shè)。3ds Max功能完善，容易上手，具有多種建模方式，其中強(qiáng)大的多邊形建模非常適合建筑類建模。

三維虛擬仿真校園的模型制作好后，需要為建好的模型賦予材質(zhì)，以準(zhǔn)確表達(dá)模型的色彩、紋理、對光的反射、折射等物理屬性。

為了模擬真實校園場景，需要添加燈光效果以突出場景的層次感，使場景更加真實、自然。為了減少CPU的計算時間，可以采用貼圖烘焙技術(shù)將光照信息變成貼圖形式。

完成上述內(nèi)容后，需要將最終完成的模型導(dǎo)出為Unity3D兼容的. fbx格式。

2.虛擬漫游交互設(shè)計

系統(tǒng)以Unity3D為平臺對虛擬場景進(jìn)行交互設(shè)計。Unity3D是一款跨平臺的專業(yè)商業(yè)游戲引擎，用它創(chuàng)建的游戲能夠發(fā)布到瀏覽器、個人機(jī)、移動設(shè)備等平臺上運(yùn)行。Unity3D功能強(qiáng)大，且具有很強(qiáng)的交互性功能，利用它可以更快、更容易地創(chuàng)建三維游戲、三維動畫、建筑漫游等游戲類項目[3]。

將.fbx格式的模型導(dǎo)入Unity3D中進(jìn)行校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計，內(nèi)容包括界面制作、自主漫游交互設(shè)計、自動漫游設(shè)計、建筑物解說和背景音樂的添加。

系統(tǒng)完成后還要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最后打包發(fā)布成可執(zhí)行文件。如上所述，虛擬校園漫游系統(tǒng)的總體設(shè)計與開發(fā)過程如圖1所示。

三、系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.前期準(zhǔn)備

虛擬校園場景建立的目的是反映真實校園，為了符合建筑物實際情況，在搭建場景之前需要通過查閱歷史資料和實地測量，獲取建筑物的真實尺寸；為了能反映場景模型的表面質(zhì)感、紋理、色彩等，需要通過高清相機(jī)拍攝建筑物表面照片，包括外墻、地面、路燈、植物等，然后利用Photoshop軟件對采集的圖片進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到模型表面貼圖。

2.繪制CAD平面圖

在模型設(shè)計之前，首先根據(jù)查閱的歷史資料和實際的測量數(shù)據(jù)，利用AutoCAD繪制山西大同大學(xué)整體平面圖，以確定路面及建筑物的平面布局和位置，在宏觀上對校園建筑進(jìn)行把控，為后期整個校園場景的整合奠定基礎(chǔ)。圖2為大同大學(xué)北校區(qū)道路分布圖，圖3為學(xué)生宿舍平面圖。

3.建模

繪制好平面圖之后，就可以使用3ds Max中豐富的建模技術(shù)對室內(nèi)外建筑進(jìn)行建模。校園場景復(fù)雜，使用的建模方法也較多，對于不同的物體有不同的建模方法，同一物體也可能有多種建模方法。如何選擇合適的建模方法，對系統(tǒng)的性能起到關(guān)鍵的作用。結(jié)合經(jīng)驗，將如何選擇建模方法總結(jié)如下[4]：

（1）基本三維型體的直接建模：對于通過3ds Max中提供的標(biāo)準(zhǔn)幾何體和擴(kuò)展幾何體及其相互組合便可完成建模的物體，可直接進(jìn)行建模，比如日常生活中常見的規(guī)則的桌子和椅子。

（2）多邊形建模：對于需以標(biāo)準(zhǔn)幾何體或擴(kuò)展集合體做為初始型體，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的物體，需將其初始型體轉(zhuǎn)換為“可編輯多邊形”或“可編輯網(wǎng)格”，并在編輯面板中選擇點、面進(jìn)行修改從而達(dá)到理想的建模效果。

（3）二維圖形建模：對于一些形狀復(fù)雜，不能使用標(biāo)準(zhǔn)幾何體和擴(kuò)展幾何體起型的物體，可以嘗試使用二維圖形起型，然后通過添加相應(yīng)的修改器將其轉(zhuǎn)化為三維實體模型。

（4）復(fù)合對象建模：對于需要通過兩個或兩個以上的物體通過特定的方式結(jié)合成為一個對象的建模通常使用復(fù)合對象建模方法。需要通過兩個或兩個以上的相交物體進(jìn)行合并、取交集部分或取差集部分實現(xiàn)的模型，可利用幾何體的布爾運(yùn)算進(jìn)行建模。

（5）人物建模：對三維人物進(jìn)行建模時，可采用面片結(jié)合多邊形的建模方法，面片是通過點織網(wǎng)的方法來實現(xiàn)，即將許多面片按照實際需要連接起來，最終構(gòu)成模型。

（6）貼圖建模：對于使用常規(guī)建模方法會造成點數(shù)、面數(shù)太大的模型，在實際建模中可以根據(jù)情況使用貼圖建模等方法實現(xiàn)。貼圖建模用于植物和一些對模型要求不高、距離較遠(yuǎn)的物體的建模。

若建模過程中存在同一模型可使用多種建模方法完成時，應(yīng)選用產(chǎn)生模型面數(shù)最少的方法。對遠(yuǎn)處物體進(jìn)行建模時，由于視覺要求較低，可適當(dāng)降低“分段”數(shù)以減少模型面數(shù)。

4.制作材質(zhì)

建立好模型后，為了使模型達(dá)到仿真的效果，需要以真實物體為基準(zhǔn)為模型賦予材質(zhì)。材質(zhì)決定了物體的表面屬性。簡單的說材質(zhì)就是物體看起來是什么質(zhì)地。它是物體材料和質(zhì)感的結(jié)合。系統(tǒng)使用3ds Max附帶的插件—VRay渲染器實現(xiàn)模型表面材質(zhì)的制作，真實表現(xiàn)物體表面質(zhì)感、紋理、色彩及其它物理屬性，最終得到逼真的模型效果。

5.渲染烘焙

校園中的光照效果可采用貼圖烘焙技術(shù)或燈光技術(shù)來模擬。使用燈光技術(shù)時，CPU會進(jìn)行大量的計算，渲染速度慢。所以在實際制作時，可以采用貼圖烘焙技術(shù)來實現(xiàn)對燈光的模擬。貼圖烘焙技術(shù)可以將3ds Max中的光照信息渲染成一張貼圖，然后將這張貼圖再貼到場景中以模擬燈光[5]。這樣處理可以很大程度上減少CPU的計算時間，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

6.模型整合與導(dǎo)入

在各個場景制作完成后，需要根據(jù)前面繪制的CAD平面底圖，把各模型放到對應(yīng)的位置上，將各場景整合為一個完整的虛擬校園。然后將整個場景文件導(dǎo)出為虛擬交互平臺所兼容的.fbx文件格式。然后將其導(dǎo)入虛擬交互平臺中進(jìn)行虛擬交互漫游的設(shè)計。若虛擬場景過大，不能在3ds Max中進(jìn)行整合，可將整個大場景分為各個獨(dú)立的子部分，將各子部分和校園CAD平面底圖分別導(dǎo)入到虛擬交互平臺中，在虛擬交互平臺中進(jìn)行模型整合。

7.交互漫游設(shè)計

將場景文件導(dǎo)入虛擬交互平臺中進(jìn)行虛擬場景交互設(shè)計。使用戶可以通過必要的輸入設(shè)備對場景進(jìn)行控制，在場景中進(jìn)行漫游，體驗身臨其境之感。為了便于使用還為不同的場景配上音頻解說和文字說明。

（1）自主漫游的實現(xiàn)

Untiy3D中的對象必須綁定腳本才能實現(xiàn)邏輯判斷，完成相應(yīng)的功能，一個腳本相當(dāng)于一個組件，綁定時只需拖拽到相應(yīng)對象的Inspector區(qū)域即可。

1）導(dǎo)航功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)利用KGFMapSystem插件實現(xiàn)導(dǎo)航地圖的快速制作。主要步驟如下：

在Untiy3D控制面板選擇“Assets-->Import Package-->Custom Packages”，在彈出框中選擇已準(zhǔn)備好的KCFMapSystem插件，并進(jìn)行解壓。將插件中的“KGFMapSystem”拖到Hierarchy中。將插件中的“KGFMapIcon_player”拖到“First Person Controller”下。將插件中的“KGFMapIcon_air_friend”拖到任意一個GameObject下。點擊“KGFMapSystem”，將“First Person Controller”拖至“Its Target”上。在Layer中添加“mapsystem”。點擊運(yùn)行，生成的導(dǎo)航地圖如圖4所示。

2）碰撞檢測的實現(xiàn)

碰撞檢測（Collision Detection）也被人們稱為干涉檢測或者接觸檢測，是一種對物體在運(yùn)動過程中可能出現(xiàn)的碰撞或者干涉進(jìn)行檢查的技術(shù)，主要目的是為了避免碰撞或干涉原來運(yùn)動事件的發(fā)生?？梢员苊膺\(yùn)動物體穿墻而過、穿過地面等現(xiàn)象的發(fā)生。

Untiy3D中的角色控制器可感應(yīng)對象之間的碰撞，需要調(diào)用父類方法OnControllerColliderHit（）進(jìn)行檢測。在該父類方法中，使用hit.gameObject引用，即可獲取角色控制器組件碰撞后的游戲?qū)ο蟆?/p>

3）人機(jī)交互功能的實現(xiàn)

在自主漫游模式下，實現(xiàn)按下鍵盤“W”、“S”分別控制虛擬人物的前進(jìn)與后退，按下“A”、“D”分別控制虛擬人物能向左、向右運(yùn)動。在此基礎(chǔ)上點及鼠標(biāo)右鍵可以實現(xiàn)環(huán)繞視角，滑動滾輪可以實現(xiàn)視角拉近與拉遠(yuǎn)，鼠標(biāo)與鍵盤配合使用，讓漫游者更加方便快捷。

其中使用鍵盤控制人物的主要代碼如下：

（2）自動漫游的實現(xiàn)

系統(tǒng)利用在攝像機(jī)上綁定動畫組件，預(yù)先設(shè)置好游覽路線，通過播放動畫剪輯達(dá)到自動漫游的目的。自動漫游分為行走模式和飛行模式，行走模式能深入室內(nèi)游覽各個角落，飛行模式可在空中俯瞰校園全貌，這樣，讓用戶能在短時間內(nèi)對學(xué)校有一個全面的認(rèn)識，是校園漫游系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。

行走模式具體流程如下：

1）在“Hierarchy”面板中選擇“Main Camera”，點擊菜單欄中Component-->Miscellanecous-->Animation，這樣“Main Camera”的“Inspector”面板中會出現(xiàn)該“Animation”組件。

2）點擊菜單欄中“Windows”-->“Animation”，出現(xiàn)動畫編輯界面。

3）回到場景三維顯示區(qū)域，點擊動畫編輯界面的錄制按鈕，設(shè)置“Main Camera”路徑幀，每一個路徑幀是一個節(jié)點。

4）設(shè)置好“Main Camera”所有路徑幀，重新點擊錄制按鈕，保存動畫，運(yùn)行測試。部分效果圖如5所示。

飛行模式是將攝像機(jī)置于空中，通過繪制曲線路徑達(dá)到俯瞰校園的目的，與行走模式步驟相同，故不在此詳述。

8.系統(tǒng)測試與發(fā)布

系統(tǒng)完成后需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，確保系統(tǒng)性能良好后可進(jìn)行發(fā)布?？梢圆捎么砟Ｐ蛯δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化，代理模型可以將模型的面數(shù)減少，從而達(dá)到內(nèi)存資源消耗減少的目的。在此基礎(chǔ)上，將“Main Camera”的“Clipping Planes”的范圍調(diào)小，這樣做可以使可見的視野減小，有效減小處理機(jī)壓力。

系統(tǒng)測試成功后便可進(jìn)行發(fā)布。在Windows系統(tǒng)下，發(fā)布時需點擊菜單欄中的File->Build Setting。點擊之后會出現(xiàn)一個場景編輯列表。點擊工程面板中的各個場景，將它們拖到可編輯的列表中，場景后的數(shù)字表示渲染順序，“0”號場景第一個渲染，點擊Build將開始發(fā)布。

四、結(jié)語

三維虛擬校園的構(gòu)建是一項較大的工程，往往需要多人分工完成。因而模型的規(guī)范顯得更加重要。如模型命名問題、模型單位匹配問題、材質(zhì)命名及“歸檔”問題、材質(zhì)制作與模型制作同步問題等都會影響到后期的模型整合及系統(tǒng)性能。除此之外，建模中最關(guān)鍵的問題就是模型面數(shù)問題，它關(guān)系到三維虛擬校園系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在設(shè)計中應(yīng)既保證滿足用戶的視覺需要，又保證模型中包含的面數(shù)最少。

參考文獻(xiàn)：

[1][3]張明明.基于虛擬校園浸游的研究與實現(xiàn)[D].云南大學(xué)，2014.

[2]洪德法，盧文喜，李偉等.三維虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].地理空間信息，2012，10（1）：84-87.

[4]Li Wang.Researching of the three-dimensional virtual simulation campus scenes construction technology[J].The Open Cybernetics and Systemics Journal，2015（Volume 9）：1056-1057.

[5]百度文庫.3ds max烘焙貼圖[DB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/dff9340abb68a98271fefa03.html，2010-07-01.