基于Unity的校園漫游VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張耀

摘要：隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，媒體信息的呈現(xiàn)方式經(jīng)歷了由純文字信息到圖像、音視頻，由二維靜態(tài)的圖片到動(dòng)態(tài)三維的圖像變換。本文研究的虛擬校園漫游VR系統(tǒng)，是以蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院為虛擬空間，基于3D游戲引擎制作開(kāi)發(fā)的虛擬校園漫游系統(tǒng)。用戶隨時(shí)隨地借助計(jì)算機(jī)設(shè)備瀏覽校園，進(jìn)行查詢信息、互動(dòng)觀察。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬校園;Unity3D

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0124-03

0 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR， Virtual Reality）是一種充分利用計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的集成技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)圖像、數(shù)字媒體、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等多種學(xué)科技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)[1]。虛擬校園（Virtual campus）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用。它將校園信息以三維可視化的形式在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)，并可以在線的方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)校園空間。

1 Unity3D游戲引擎

Unity3D是時(shí)下十分熱門(mén)的一款3D游戲引擎，對(duì)DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，提供了具有柔和陰影與烘焙Lighting maps的高度完善的光影渲染系統(tǒng)。憑借著其獨(dú)特的性能和華麗的3D處理效果以及在視角等方面的優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越多游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)者的好評(píng)。其最新版本支持以WBGL格式發(fā)布輸出，更是解決了眾多Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件需要下載瀏覽器插件運(yùn)行的問(wèn)題。

2 虛擬校園系統(tǒng)的技術(shù)分析

目前在網(wǎng)絡(luò)上看到的虛擬校園系統(tǒng)，基本上是基于兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。一種是基于全景攝影技術(shù)制作開(kāi)發(fā)，也稱為720全景瀏覽。一種是基于三維模型實(shí)時(shí)渲染制作開(kāi)發(fā)。

2.1 基于全景攝影技術(shù)的展示設(shè)計(jì)

基于全景攝影技術(shù)的展示設(shè)計(jì)，是以實(shí)景拍攝的照片（或3D渲染效果圖）為素材，通過(guò)這些素材組合而成球形視圖。導(dǎo)入至相關(guān)軟件平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互，用戶能用鼠標(biāo)控制環(huán)視上下左右四周。全景瀏覽具有較強(qiáng)的真實(shí)感、沉浸感、成熟的技術(shù)平臺(tái)等優(yōu)勢(shì)。但是基于全景攝影技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯，比如說(shuō)對(duì)硬件的投入和依賴度很大，拍攝720實(shí)景照片的攝影器材除了要有專業(yè)單反相機(jī)以外，需要特定的8mm魚(yú)眼鏡頭，甚至還要有全景云臺(tái)輔助拍攝。只能移動(dòng)視角，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)自由走動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的互動(dòng)，后期更新和改動(dòng)相當(dāng)麻煩等。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它只能算是技術(shù)含量相對(duì)較低的偽三維虛擬展示形式。

2.2 基于三維模型實(shí)時(shí)渲染的展示設(shè)計(jì)

基于三維模型實(shí)時(shí)渲染的展示設(shè)計(jì)，是指根據(jù)項(xiàng)目需要，通過(guò)各種3D建模軟件（3Ds Max、MAYA等），以幾何模型來(lái)構(gòu)建各種3D虛擬場(chǎng)景物件。通過(guò)繪制紋理材質(zhì)、烘焙貼圖、渲染處理，導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件進(jìn)行場(chǎng)景的拼接、設(shè)定交互操作，并將文字、圖像、聲音、視頻等多媒體信息整合，最終打包輸出應(yīng)用。目前主流的虛擬現(xiàn)實(shí)制作軟件有：Unity3D、Unreal 4等等。

受軟件技術(shù)的制作門(mén)檻和硬件設(shè)備條件的限制等因素，目前基于三維模型的實(shí)時(shí)渲染效果制作技術(shù)難度較高，普通人很難在短時(shí)間內(nèi)掌握整套制作流程。這也是720全景瀏覽的展示方案能夠與之并存的原因。但由于基于三維模型的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)的效果立體感、空間感和互動(dòng)感都更強(qiáng)烈，所以它才是最有發(fā)展前景的虛擬現(xiàn)實(shí)制作方向。

2.3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

考慮到以往的虛擬校園漫游系統(tǒng)大多采用Virtools、Quest3D、中視典VRP等軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，無(wú)論是在交互性、沉浸感等方面都或多或少的存在一些缺陷。由于游戲引擎技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，特別是Unity3D其獨(dú)特的性能和華麗的3D處理效果以及在視角等方面的優(yōu)勢(shì)，其運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定性和可操作性比Virtools要強(qiáng)，復(fù)雜模型和地形的展示效果也比Quest3D好，交互性的優(yōu)勢(shì)也非常明顯。所以本項(xiàng)目決定選用Unity3D來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。

3 虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建

虛擬校園系統(tǒng)包括一個(gè)高度仿真的特定區(qū)域的虛擬環(huán)境。它是對(duì)人的肉眼所看到的學(xué)院景物進(jìn)行的高度擬真，通過(guò)計(jì)算機(jī)形成的三維模型再現(xiàn)了真實(shí)校園的景物。它使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，形成了一個(gè)高度擬真的3D視、聽(tīng)覺(jué)的感官世界，用戶借助某些設(shè)備對(duì)這些生成的虛擬校園進(jìn)行瀏覽和交互。有效地實(shí)現(xiàn)具有虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感的三維虛擬校園[2]。如圖1所示：

3.1 數(shù)據(jù)的收集和整理

為了盡可能真實(shí)的展現(xiàn)校園環(huán)境中的樓宇建筑，地形地貌，規(guī)劃布局，植被綠化，實(shí)現(xiàn)寫(xiě)實(shí)逼真的擬真效果，必須收集獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的數(shù)據(jù)和參考素材。 首先，根據(jù)校園規(guī)劃圖紙，掌握整個(gè)校園的建筑樓宇布局，有條件的話，借助專業(yè)測(cè)繪儀器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。這個(gè)對(duì)校園中各部分的空間構(gòu)成十分重要。其次為了了解較為精細(xì)的局部情況，使用數(shù)碼單反相機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)拍攝數(shù)碼照片，對(duì)于樓宇建筑物，花卉，綠植和附屬設(shè)施來(lái)說(shuō)，紋理貼圖主要來(lái)自照片的后期加工處理。在Photoshop中對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行必要的處理，例如圖像的尺寸大小調(diào)整，去除噪點(diǎn)雜質(zhì)，調(diào)節(jié)亮度，對(duì)比度和銳化等效果，按制作規(guī)范形成模型的紋理貼圖，按命名規(guī)范進(jìn)行存放匯總。

3.2 場(chǎng)景模型的數(shù)據(jù)庫(kù)組織

對(duì)前期收集的資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整后，整個(gè)場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)模型按照一定的邏輯規(guī)則進(jìn)行組織，數(shù)據(jù)模型以模塊化結(jié)構(gòu)的形式組織，有利于模型的構(gòu)建 、場(chǎng)景的整合、優(yōu)化等維護(hù)和管理。模塊化結(jié)構(gòu)根據(jù)對(duì)象的類型劃分， 相同類型的物件歸為同一個(gè)模塊，并且可以在每個(gè)模塊中再細(xì)分。 例如，整個(gè)場(chǎng)景可以由樓宇建筑，附屬設(shè)施和配件，綠植地形等組成。同時(shí)樓宇建筑又可以教學(xué)樓，實(shí)訓(xùn)樓，圖書(shū)館，行政樓、宿舍樓等。以此規(guī)范組織數(shù)據(jù)庫(kù)，層次結(jié)構(gòu)清晰，一目了然。如圖2所示。

3.3 三維模型的建立

即通過(guò)計(jì)算機(jī)，按真實(shí)的尺寸比例將校園中的各樓宇建筑和綠化景觀等物件建立三維模型并繪制材質(zhì)貼圖。形成虛擬校園三維模型庫(kù)，主要包括樓宇建筑、地形綠化、橋梁景觀和路燈等其他物件模型等等。建模步驟主要有模型布線—拆分UV—貼圖處理—材質(zhì)渲染等步驟。以下將以行政樓為例介紹具體制作流程。

首先是采用單反相機(jī)進(jìn)行拍攝的整棟樓宇的正面視角圖像，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，必須在保證建筑物形狀的情況下最小化多邊形的數(shù)量，例如基本在同一平面內(nèi)的門(mén)和窗，可以采用貼圖來(lái)表現(xiàn)效果。 突出建筑的四面必須遵循建筑的原型進(jìn)行建模布線。

拍攝的照片主要用來(lái)參考制作紋理貼圖的素材，根據(jù)樓宇的對(duì)稱特性以及表面裝飾的顏色紋理與材質(zhì)，經(jīng)過(guò)Adobe Photoshop軟件處理后導(dǎo)出為貼圖文件。根據(jù)前期獲取的參考素材和數(shù)據(jù)，按大樓的長(zhǎng)寬高比例，在3DS Max中進(jìn)行建模布線。

校園環(huán)境復(fù)雜，物件種類繁多，虛擬校園中的場(chǎng)景模型是一個(gè)比較復(fù)雜的3D模型資源庫(kù)，這些資源對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的占用較高，當(dāng)模型資源消耗了大部分計(jì)算機(jī)硬件的內(nèi)存空間后，就會(huì)拖慢整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。如果在3Ds Max中進(jìn)行建模時(shí)不注意控制模型資源，在進(jìn)行相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換時(shí)就容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在建立模型時(shí)一般采用單元分割的方法來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。貼圖方面，需要使用標(biāo)準(zhǔn)的紋理尺寸，如128×128、128×256、1024×1024等2的倍數(shù)，并且分辨率越小占用顯存資源越少，兩者的關(guān)系如表1所示。

由此可知，顯存的占用隨著貼圖分辨率的提高也大幅增加。因此，對(duì)于一些遠(yuǎn)景物體或者顯示效果要求不是很高的物件，可以使用低分辨率的圖像進(jìn)行紋理處理。

3.4 用Unity3D實(shí)現(xiàn)漫游

3.4.1 模型的導(dǎo)入與設(shè)置參數(shù)

由于3Ds Max與Unity3D使用的3維坐標(biāo)體系不同，3Ds Max中是Z軸向上，而Unity3D中是Y軸向上，如果不注意導(dǎo)出格式的話，導(dǎo)入后會(huì)出現(xiàn)模型錯(cuò)位的問(wèn)題。注意導(dǎo)出格式選用FBX格式可以規(guī)避出現(xiàn)此類問(wèn)題。導(dǎo)出的時(shí)候，可以將模型簡(jiǎn)單的分類，如地面、植被、樓房等，也可以將模型分為幾個(gè)區(qū)域，如教學(xué)區(qū)，宿舍區(qū)，操場(chǎng)等等分開(kāi)導(dǎo)出。

（1）將包含F(xiàn)BX文件和Textures文件夾的文件夾拷貝到Unity3D項(xiàng)目的Assets目錄下，啟動(dòng)Unity3D編輯器。選擇剛才拷貝進(jìn)來(lái)的文件中的FBX文件，修改其中的Meshes下的Scale Factor和Generate Colliders。點(diǎn)擊其他FBX文件或者單擊其他區(qū)域?qū)棾鰧?duì)話框。點(diǎn)擊Apply即可，類似的方式設(shè)置其他FBX文件。注意，其中植物/植被類的FBX文件不需要設(shè)置Generate Colliders項(xiàng)。

（2）鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)選FBX文件拖拽到Hierarchy窗口區(qū)域，點(diǎn)擊Hierarchy區(qū)域中的GameObject對(duì)象，如需近距離三維顯示目標(biāo)區(qū)域，則點(diǎn)擊鍵盤(pán)F鍵，該對(duì)象自動(dòng)適配顯示到三維區(qū)域中心。將全部三維模型的FBX文件導(dǎo)入完成后，可以調(diào)節(jié)場(chǎng)景燈光亮度。單擊Ambient Light調(diào)整設(shè)置合理的參數(shù)即可設(shè)置完成。

（3）設(shè)置第一人稱瀏覽。首先導(dǎo)入Standard Assets資源包，然后將資源包目錄Prefabs下的First Person Controller拖拽到Hierarchy窗口區(qū)域中。點(diǎn)選First Person Controller，通過(guò)Inspect窗口中的Transform屬性值，調(diào)整到場(chǎng)景中合適的坐標(biāo)位置，同時(shí)調(diào)節(jié)其高度位置在場(chǎng)景地面以上，數(shù)值的合理區(qū)間一般在1.6到2.2左右。

（4）完成模型的導(dǎo)入后，加載SteamVR資源包，調(diào)用VR相關(guān)組件，調(diào)整好參數(shù)設(shè)置后。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可運(yùn)行場(chǎng)景，連接HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔設(shè)備，可進(jìn)行真機(jī)測(cè)試。

3.4.2 場(chǎng)景的技術(shù)優(yōu)化

在Unity3D中每一個(gè)被展示的獨(dú)立的部分都被放在了一個(gè)特別的包中，稱之為“描繪指令”（draw call），然后這個(gè)數(shù)據(jù)包傳遞3D部分在屏幕上呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)CPU來(lái)完成包裝和傳遞這些過(guò)程，同時(shí)會(huì)消耗很多的帶寬，所以最終分配好這些關(guān)鍵性資源很重要。為了降低CPU和網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用。 就需使用Culling（剔除）技術(shù)來(lái)有效減少“描繪指令”（draw call），以大幅提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性。

Culling（剔除）技術(shù)目前主要分為兩種：視錐體剔除（Frustum Culling）和遮擋剔除（Occlusion Culling），前者Unity3D系統(tǒng)已自帶，為默認(rèn)的優(yōu)化功能。Unity 3專業(yè)版內(nèi)置了一個(gè)免費(fèi)的強(qiáng)大的Occlusion Culling 插件Umbra。遮擋剔除（Occlusion Culling）是Unity中被用于游戲場(chǎng)景后期優(yōu)化的一種有效手段，它的具體作用是只將攝像機(jī)能看到的物體渲染出來(lái)，而攝像機(jī)無(wú)法看到的物體，將會(huì)被計(jì)算機(jī)自動(dòng)從內(nèi)存中除去，不進(jìn)行渲染。如此便極大地提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從前期收集資料和素材整理，到中期使用3Ds Max和Photoshop進(jìn)行三維建筑模型制作，后期運(yùn)用Unity3D整合模型資源，建立場(chǎng)景，用C#腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的虛擬漫游系統(tǒng)。針對(duì)項(xiàng)目三維場(chǎng)景的特殊需求，對(duì)遮擋剔除相關(guān)技術(shù)作了系統(tǒng)深入的研究，大幅優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和流暢度。

參考文獻(xiàn)

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Design and Implementation of Campus Roaming VR System Based on Unity

ZHANG Yao

（Suzhou Industrial Park Service Outsourcing Vocational College， Suzhou Jiangsu 215123）

Abstract：With the rapid development of information technology and the rapid spread of the Internet， the presentation of media information has gone from pure text information to images， audio and video， from two-dimensional static images to dynamic three-dimensional image transformation. The virtual campus roaming VR system studied in this paper is a virtual campus roaming system based on the 3D game engine. Users can browse the campus with computer equipment anytime and anywhere， and query information and interactive observation.

Key words：virtual reality; virtual campus; Unity3D