基于SketchUp 和Unity3D 的虛擬校園漫游系統(tǒng)

陳睿

（1.太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024）

20 世紀(jì)80 年代由美國(guó)人拉尼爾提出的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，巧妙靈活地結(jié)合人的視、聽、觸感官系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)行為，在計(jì)算機(jī)中逼真地模擬出現(xiàn)實(shí)世界，將人與計(jì)算機(jī)融為一體，從而使人置身于真實(shí)世界中[1]。這種技術(shù)可以真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，讓體驗(yàn)者通過多種感官的結(jié)合沉浸于虛擬環(huán)境中，同時(shí)具有交互性強(qiáng)的特點(diǎn)。

近年來，隨著各高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建立數(shù)字校園可提高大眾對(duì)學(xué)校的認(rèn)知，國(guó)內(nèi)部分高校紛紛利用此技術(shù)模擬校園現(xiàn)狀，為社會(huì)群眾和校園師生提供一個(gè)直觀、交互性強(qiáng)的交流平臺(tái)。此外，這也是一種很好的展示校園文化、提高師生生活質(zhì)量的有效方式；作為遠(yuǎn)程教育的基礎(chǔ)平臺(tái)，也可為社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為此，提出了建立虛擬校園的想法。

作為我國(guó)在山西省唯一的“211 工程”重點(diǎn)建設(shè)大學(xué)，太原理工大學(xué)也緊跟時(shí)代腳步，做好創(chuàng)新工作，建立數(shù)字校園建設(shè)平臺(tái)。明向校區(qū)，是高新區(qū)內(nèi)所有高校中規(guī)模最大的校區(qū)，它的建設(shè)也將成為學(xué)校乃至全省教育發(fā)展的重中之重。因此，簡(jiǎn)單地模擬三維可視化校園環(huán)境可在一定程度上滿足師生在教學(xué)、教務(wù)、校園生活等方面的基本需求。本文以太原理工大學(xué)明向校區(qū)為研究對(duì)象，基于SketchUp 和Unity3D開發(fā)平臺(tái)，重點(diǎn)討論虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)，建立校園的三維模型，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)行走狀態(tài)和飛行狀態(tài)下的自主漫游。

1 SketchUp 和Unity3D 概述

三維建模階段采用簡(jiǎn)單且易上手的Google SketchUp 軟件建立校園的立體模型，并利用自帶的優(yōu)化功能減少模型的數(shù)據(jù)量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率[2]。其導(dǎo)出的3D 模型文件可以直接導(dǎo)入功能較為強(qiáng)大的綜合型開發(fā)引擎Unity3D 中。相比其他制作三維場(chǎng)景的軟件而言，該軟件支持的文件格式更多，兼容性更強(qiáng)，對(duì)于互動(dòng)性較強(qiáng)的大型場(chǎng)景，更能發(fā)揮其優(yōu)越性，且具有良好的實(shí)時(shí)交互性，支持多平臺(tái)發(fā)布，在三維游戲、動(dòng)畫、建筑等開發(fā)中應(yīng)用自如[3]。另外，可以與其他大多數(shù)的相關(guān)程序一同工作。

2 技術(shù)路線

本研究借助SketchUp 軟件，建立虛擬的三維校園模型，然后基于Unity3D 引擎實(shí)現(xiàn)用戶與校園的交互。系統(tǒng)的開發(fā)主要分為以下三個(gè)階段：①根據(jù)學(xué)校實(shí)際建設(shè)情況，獲取準(zhǔn)確的地形圖、各建筑物的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)等，進(jìn)而建立三維模型；②優(yōu)化單體模型，進(jìn)行貼圖，以便提高物體的真實(shí)度，建立完整的校園場(chǎng)景；③基于Unity3D 引擎實(shí)現(xiàn)物體的碰撞檢測(cè)及動(dòng)態(tài)加載，完成校園漫游。

3 場(chǎng)景建立

3.1 收集數(shù)據(jù)

建立三維模型之前，需要收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：校園各樓的大概尺寸、二維平面圖、實(shí)景照片等。這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度直接影響著三維建模的真實(shí)程度，所以實(shí)地采集數(shù)據(jù)時(shí)均采用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，盡量減小因拍攝的傾斜度帶來的誤差。之后，所有的照片都采用圖形編輯軟件Photoshop 進(jìn)行處理，以輔助三維建模。

3.2 建立初步模型

使用SketchUp 軟件，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)按照“從大到小，從整體到布局”的原則依次建立單個(gè)的建筑模型，過程中盡可能地減少多余的面和線。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較特殊的建筑，需要耐心修改，通過削減面等復(fù)雜操作才能完成。

3.3 紋理貼圖

使用處理好的照片對(duì)物理模型貼圖，來提高模型的真實(shí)度。對(duì)于景觀模型（植物、水體等）和人文要素模型（路燈、車輛等），可以在Sketchup 組件庫中搜索到，再結(jié)合實(shí)際要求靈活改動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)景觀和人文要素的快速表現(xiàn)。對(duì)于道路、草坪等的建模，仍在SketchUp 中根據(jù)獲取的平面圖先簡(jiǎn)單勾勒，再貼上相應(yīng)的材質(zhì)。部分模型如圖1、圖2 所示。

圖1 行知樓模型

3.4 建立虛擬場(chǎng)景

在完成所有的單體模型后，需要將這些模型放置在特定的具有交互功能的三維環(huán)境中。在SketchUp 中選擇文件，導(dǎo)出命令項(xiàng)，然后在導(dǎo)出為fbx 文件對(duì)話框中可以看到信息提示：已處理的SketchUp 圖元（組、實(shí)例、面、材質(zhì)、紋理），已導(dǎo)出的fbx 圖元（面、材質(zhì)、紋理）個(gè)數(shù)等信息，這樣就成功導(dǎo)出了fbx 文件。之后在Unity3D 中導(dǎo)入fbx 文件，并將模型拖拽到場(chǎng)景中的合適位置，如圖3、圖4 所示。

圖3 東南俯視圖

圖4 東北俯視圖

這個(gè)過程容易出現(xiàn)兩個(gè)問題：一是材質(zhì)丟失，二是模型比例問題。對(duì)于材質(zhì)，建議一律采用標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，并且有統(tǒng)一的命名規(guī)范，所有模型中不同的材質(zhì)不能出現(xiàn)相同的命名，否則會(huì)在unity3D 中出現(xiàn)材質(zhì)替換的問題。在導(dǎo)入fbx 文件前，必須導(dǎo)入貼圖，一并放在assets 文件夾下。模型的比例則是要處理好Unity3D 中的默認(rèn)單位及SketchUp 中的單位換算。在Unity3D 中導(dǎo)入校園地圖，再依次按照地圖顯示的位置導(dǎo)入各個(gè)建筑物的模型，并添加其余景觀模型和人文要素模型；接下來使用Unity3D 自帶的烘焙、渲染等功能調(diào)整場(chǎng)景燈光亮度、太陽光暈等自然環(huán)境，添加天空盒更增強(qiáng)了場(chǎng)景的立體感和真實(shí)感。

4 場(chǎng)景漫游

4.1 碰撞檢測(cè)

實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景漫游的首要問題是實(shí)現(xiàn)虛擬人物與地面、建筑物、景觀等的碰撞檢測(cè)。通俗的說，碰撞檢測(cè)就是為了解決現(xiàn)實(shí)生活中諸如人不能穿過墻，人不能直接從車所在的區(qū)域直接穿過等問題，即不同實(shí)物在同一三維空間中不能同時(shí)占有同一區(qū)域，并且不能發(fā)生穿透等行為。

作為虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，他的主要作用是要準(zhǔn)確判斷任意兩個(gè)實(shí)體之間能否穿透及碰撞，并且提供穿透碰撞的精確位置。該平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)的方式較靈活，本系統(tǒng)采用了包圍盒法。

4.2 動(dòng)態(tài)加載

動(dòng)態(tài)加載物體類主要實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)添加物體模型到場(chǎng)景中的功能。實(shí)現(xiàn)過程是獲取IP 地址，將客戶端與服務(wù)器進(jìn)行連接，通過在給定目錄下獲取所需模型的文件來加載模型，調(diào)用add（）方法將實(shí)物添加到模型數(shù)組，以便對(duì)不在視角范圍的場(chǎng)景進(jìn)行刪除操作。

4.3 實(shí)現(xiàn)漫游

本系統(tǒng)采用第一人稱主視角的方式進(jìn)行漫游，給觀賞者更強(qiáng)的代入感，如圖5、圖6 所示。

圖5 俯視游覽

圖6 游覽學(xué)生公寓

利用平臺(tái)中存在的FirstPersonController 作為用戶的控制對(duì)象。在工程面板中顯示出該對(duì)象由4 個(gè)組件組成，分別是Transform、FPSWalker、CharacterController、MouseLook。此外，在Unity3D 中，是以層次關(guān)系來組織相關(guān)物體的。用戶以第一人稱視角在校園中進(jìn)行漫游，按住W、S、A、D鍵攝像機(jī)對(duì)應(yīng)前后左右移動(dòng)，按住鼠標(biāo)左鍵攝像機(jī)隨鼠標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)方向觀察當(dāng)前位置，按住空格鍵可以實(shí)現(xiàn)跳躍。另外系統(tǒng)中加入了背景音樂，增強(qiáng)了環(huán)境的真實(shí)感。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目成功構(gòu)建了校園場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了虛擬漫游，同時(shí)具有良好的沉浸性與交互性，并且利用圖像、聲音相結(jié)合的方式開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，科學(xué)性與趣味性并存，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園建設(shè)中的良好應(yīng)用。使用當(dāng)前較為流行的Unity3D 開發(fā)平臺(tái)，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和游戲開發(fā)的一些思想，讓用戶以良好的客戶體驗(yàn)方式全面直觀地獲取校園信息，提高工作學(xué)習(xí)的效率。