虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張凱

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是信息化數(shù)字校園建設(shè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，本文圍繞淄博職業(yè)學(xué)院虛擬校園項(xiàng)目為研究對(duì)象，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的動(dòng)畫技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合MAYA 動(dòng)畫軟件的的應(yīng)用，進(jìn)一步改進(jìn)和完善三維動(dòng)畫技術(shù)，運(yùn)用untiy平臺(tái)整合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、三維動(dòng)畫技術(shù)，構(gòu)建虛擬校園的結(jié)構(gòu)框架及功能模塊，實(shí)現(xiàn)虛擬校園交互式導(dǎo)航與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：淄博職業(yè)學(xué)院；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；三維動(dòng)畫技術(shù)

一、本文研究的背景及目的意義

利用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)學(xué)校各種資源進(jìn)行收集、整理、制作、組合、優(yōu)化和傳播，完成校園資源的數(shù)字化和信息化，提高淄博職業(yè)學(xué)院校園信息化建設(shè)的水平。通過對(duì)校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化，在網(wǎng)絡(luò)上真實(shí)的再現(xiàn)校園優(yōu)美的場景，真實(shí)的反映淄博職業(yè)學(xué)院的人文氣息，豐富我校對(duì)外宣傳的手段，提高學(xué)校的知名度，讓來訪者足不出戶就可瀏覽校園風(fēng)光和有關(guān)介紹信息，體驗(yàn)身臨其境的感受。通過對(duì)學(xué)校資源的數(shù)字化和信息化，為學(xué)院以后的校園規(guī)劃、基建建設(shè)提供輔助，提高校園管理的現(xiàn)代化水平。

二、國內(nèi)虛擬校園建設(shè)研究現(xiàn)狀

自從1998年，浙江大學(xué)建成國內(nèi)第一套用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的CAVE系統(tǒng)之后。國內(nèi)的985、211院校大多數(shù)已建成了虛擬校園系統(tǒng)，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、山東大學(xué)等高校的虛擬校園主要分兩種類型。一類是三維虛擬俯視地圖，如下圖1所示，采取3ds Max/Maya建模，斜45度渲染的三維地圖，并通過切片技術(shù)加載到展示系統(tǒng)中，極大的提高了地圖的加載速度；二類是三維虛擬漫游系統(tǒng)；采取3ds Max/Maya建模，360度展示地圖信息，猶如身臨其境。目前，山東地區(qū)70余所高職院校還沒有建設(shè)自己的虛擬校園系統(tǒng)。

三、虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建

1.設(shè)計(jì)思路

淄博職業(yè)學(xué)院虛擬校園的設(shè)計(jì)打破三維虛擬俯視地圖或三維虛擬漫游系統(tǒng)單一展示的功能，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬俯視地圖和三維虛擬漫游系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行位置的跟蹤定位功能，用戶既可在三維虛擬俯視地圖瀏覽學(xué)院概貌，也可在三維虛擬漫游系統(tǒng)體驗(yàn)學(xué)院真實(shí)的環(huán)境。

2.總體規(guī)劃

“虛擬校園”主要由界面設(shè)計(jì)、校園模型建模、信息數(shù)據(jù)輸入、系統(tǒng)交互四大模塊組成，它們主要通過漫游子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)、平臺(tái)操作子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：

（1）漫游系統(tǒng)。漫游系統(tǒng)依托學(xué)院真實(shí)環(huán)境中的所有室外建筑物的虛擬表現(xiàn)，重點(diǎn)介紹學(xué)院基本概況及教育教學(xué)，我們結(jié)合校園室內(nèi)建筑及學(xué)院概況劃分虛擬教學(xué)院系展示、虛擬教學(xué)樓展示、虛擬學(xué)生公寓展示、虛擬校史館展示、虛擬校園交通展示等9個(gè)漫游的展示，采用Untiy三維互動(dòng)仿真平臺(tái)。運(yùn)用Untiy虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器、Untiy 二次開發(fā)軟件包、Photoshop繪圖技術(shù)、Maya動(dòng)畫技術(shù)完成漫游系統(tǒng)的開發(fā)。

（2）導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航功能主要包括組織機(jī)構(gòu)、教學(xué)院系、教學(xué)樓、學(xué)生公寓、服務(wù)設(shè)施、校史館、校園交通、獲獎(jiǎng)榮譽(yù)9個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)。

（3）校園平臺(tái)操作設(shè)置?？刂奇I：鍵盤方向鍵及A、S、D、W鍵：控制前后左右行走；鍵盤QE鍵：控制高度；鼠標(biāo)中間滑輪鍵：控制前后平移；按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)：控制上下左右視角；鍵盤C鍵：顯示相機(jī)列表。

3.技術(shù)路線

（1）項(xiàng)目開發(fā)主要包括5個(gè)流程：數(shù)據(jù)采集—>Photoshop圖片處理—>CAD圖紙的處理—>3Ds Max建?！?gt;漫游引擎的制作。實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：機(jī)構(gòu)設(shè)置、樓宇場館、校園服務(wù)、校園漫游、迎新服務(wù)、招生咨詢等欄目的定位與介紹。

（2）數(shù)據(jù)采集階段：是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，包括建筑圖紙圖紙的獲取、建筑實(shí)景照片的拍攝、校園建筑信息的收集。

（3）建筑圖紙?zhí)幚黼A段（應(yīng)用軟件：CAD）：將得到的CAD圖紙進(jìn)行整理，分層導(dǎo)出校園平面圖、建筑輪廓圖、校園道路圖、植被分布圖等。

（4）圖像圖像處理階段（應(yīng)用軟件：Photoshop）：將拍照得到的建筑物圖片進(jìn)行處理，制作模型的貼圖、紋理材質(zhì)，以及進(jìn)行地圖系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)。

（5）三維動(dòng)畫階段（應(yīng)用軟件：3Dmax、Maya）：運(yùn)用整理后得到的CAD圖紙進(jìn)行建模，包括地形模型、建筑模型、環(huán)境模型、裝飾物的建造。

（6）編程設(shè)計(jì)階段（應(yīng)用軟件：Untiy3D）：系統(tǒng)制作的最后階段，主要是將建造的模型經(jīng)過紋理貼圖后進(jìn)行系統(tǒng)功能和界面的制作。

4.技術(shù)特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有友好的可視化界面，用戶可以通過操作鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)校園場景的瀏覽或漫游。具體可分為兩個(gè)方面的進(jìn)行瀏覽：一方面，用戶可以三維平面地圖中通過導(dǎo)航圖點(diǎn)擊想要到達(dá)的地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維平面自動(dòng)漫游。另一方面，用戶可以通過點(diǎn)擊導(dǎo)航下三個(gè)校區(qū)的按鈕切換到校區(qū)的自由相機(jī)視角，實(shí)現(xiàn)三維虛擬實(shí)景地圖自由漫游。

本系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于它實(shí)現(xiàn)了對(duì)我校的二維和三維立體結(jié)合多方位展示的功能，傳統(tǒng)的校園展示大都是以二維圖片、影視圖像為基礎(chǔ)的，這顯然已經(jīng)不能滿足學(xué)校對(duì)外招生宣傳、校園展示等方面的要求，而本系統(tǒng)集二維平面地圖和三維場景于一體，可使用戶具有身臨其境的感覺。虛擬校園的漫游具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。首先，它可以個(gè)更好的展示校園風(fēng)采，可以為學(xué)校所用。再就是，掌握了這項(xiàng)技術(shù)可以開發(fā)房地產(chǎn)全景漫游、工業(yè)園全景漫游甚至城市漫游，潛在市場價(jià)值巨大。

5.功能特色

（1）本系統(tǒng)集三維平面地圖和三維漫游系統(tǒng)于一體，打破傳統(tǒng)地圖單一展示功能。傳統(tǒng)的校園展示都是建立在二維平面圖片以及視頻影像的基礎(chǔ)上的，這顯然已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)代校園的展示。本系統(tǒng)集三維平面地圖和三維漫游系統(tǒng)于一體，是用戶能對(duì)校園場景有一個(gè)更為直觀、清晰的認(rèn)識(shí)，用戶可以通過漫游瀏覽校園各個(gè)學(xué)區(qū)，能產(chǎn)生身臨其境的感覺，相比傳統(tǒng)那個(gè)的二維展示更加科學(xué)先進(jìn)，用戶即可在三維平面地圖瀏覽學(xué)院概貌，也可在三維漫游系統(tǒng)中瀏覽學(xué)院真實(shí)的環(huán)境。

（2）豐富的應(yīng)用接口功能。三維虛擬校園系統(tǒng)具有良好的開放性，該項(xiàng)目通過Unity可發(fā)布到Windows、Phone 8、BlackBerry 等9個(gè)不同的平臺(tái)，該系統(tǒng)可直接嵌入到學(xué)院的網(wǎng)站，可接觸摸屏，還可以接手機(jī)、平板電腦支持多平臺(tái)發(fā)布。

（3）優(yōu)化領(lǐng)導(dǎo)管理。三維虛擬校園的直觀特性，可以優(yōu)化領(lǐng)導(dǎo)管理，對(duì)于校園規(guī)劃、建設(shè)等能夠全局掌控。

6.項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)校園場景進(jìn)行三維立體、多方位、交互式展示。傳統(tǒng)的校園展示都是建立在二維平面圖像或視頻影像的基礎(chǔ)上，這種表達(dá)方式性能單一、交互性差；而我們所構(gòu)建的三維數(shù)字校園是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)的校園場景通過數(shù)字化模型再現(xiàn)到計(jì)算機(jī)中，用戶對(duì)所構(gòu)建的三維虛擬場景可以進(jìn)行自由漫游，交互性強(qiáng)。

四、結(jié)束語

通過建設(shè)虛擬校園漫游系統(tǒng)，可以使用戶在計(jì)算機(jī)上利用瀏覽器實(shí)現(xiàn)交互式漫游，用戶通過空中俯視、底面瀏覽等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬學(xué)校虛擬場景的交互式漫游，這種交互式漫游允許用戶隨意手動(dòng)控制漫游或控制相機(jī)的位置和視角。使用戶在使用虛擬漫游系統(tǒng)所創(chuàng)造的虛擬學(xué)校環(huán)境中有很強(qiáng)的真實(shí)感，并可以對(duì)虛擬學(xué)校的環(huán)境中的相關(guān)建筑物進(jìn)行訪問，查看，和移動(dòng)等功能，并可以進(jìn)入數(shù)學(xué)樓內(nèi)部。該系統(tǒng)可以為學(xué)校樹立一個(gè)全方位的，直觀的形象，對(duì)學(xué)校知名度的提升和校園數(shù)字化管理向著現(xiàn)代化和技術(shù)性方向發(fā)展有顯著的推動(dòng)作用，這些是學(xué)校智慧校園的一個(gè)重要組成部分。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳迪.虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究與開發(fā).天津大學(xué)，2007

[2] 黃瑩瑩、彭敏俊，許岷基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用科技，2005