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

王曉燕 周德煜

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能研究的熱點(diǎn)。本文從校園漫游系統(tǒng)的理念與思路、場(chǎng)景創(chuàng)建，到實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)展開論述，可以在豐富虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育系統(tǒng)方面的研究成果基礎(chǔ)上，為以后的研究成果提供便利，具有很大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬校園;漫游系統(tǒng)

虛擬校園對(duì)環(huán)境和三維景觀進(jìn)行數(shù)字化和虛擬化，通過三維虛擬校園，進(jìn)入校園網(wǎng)絡(luò)的用戶不僅可以在校園內(nèi)瀏覽，還可以利用虛擬交互來完成校園漫游，并實(shí)時(shí)了解校園教學(xué)生活條件。通過虛擬校園漫游，可以了解學(xué)校的總體布局，熟悉各職能部門和建筑物的位置分布，并可以更快地融入校園生活，這對(duì)學(xué)校的發(fā)展有著極大的積極作用。

一、漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與思路

（一）虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

首先對(duì)學(xué)校里的建筑物分別進(jìn)行建模，然后對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行建模。建模完成后，對(duì)模型分別進(jìn)行優(yōu)化，然后根據(jù)地理信息將所有模型進(jìn)行拼合。在場(chǎng)景建模環(huán)節(jié)上，應(yīng)當(dāng)最大程度的發(fā)揮建模效用，不減少場(chǎng)景真實(shí)度，不降低區(qū)域內(nèi)的整體性，并且有效的減少場(chǎng)景渲染的繁雜。

（二）虛擬交互設(shè)計(jì)

借助于建模所得到的場(chǎng)景模型后，還需要對(duì)展示過程中的視角把握。而上述工作可以通過Unity 3D內(nèi)的游戲引擎予以實(shí)現(xiàn)。因此，模型創(chuàng)建完畢后將整個(gè)場(chǎng)景導(dǎo)入游戲引擎Unity 3D中進(jìn)行腳本編寫，完成第一人稱漫游以及多視角漫游，從而給整個(gè)系統(tǒng)賦予沉浸性、交互性和真實(shí)性。

二、虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）三維校園虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

構(gòu)建真正的虛擬校園是制作每個(gè)校園建筑的環(huán)境對(duì)象和特定樓層平面圖。如果用戶沒有圖形，但應(yīng)該知道一般學(xué)校軌跡的基本數(shù)據(jù)以及每個(gè)項(xiàng)目的長度、寬度、高度以及坐標(biāo)校園位置。這些信息可以通過實(shí)地考察、電子地圖和虛擬球體軟件獲得。

校園中的每個(gè)生物對(duì)象都是一個(gè)單獨(dú)的模型，虛擬校園中的場(chǎng)景模型分為兩類。一種類型是基于場(chǎng)地（例如陸地和天空）在空間中不斷分布的景觀，另一種類型是由離散實(shí)體識(shí)別的特征，以獨(dú)立的個(gè)體而存在的地物對(duì)象，例如建筑物、樹木、路燈等。根據(jù)特定場(chǎng)景模型的類型和復(fù)雜性，采用適當(dāng)?shù)慕７椒?，最終得到、校園中各個(gè)實(shí)體文件。

（二）三維場(chǎng)景制作基本流程

（1）建模。三維建模主要有多邊形建模、曲面建模和細(xì)分建模三種。

（2）材質(zhì)。根據(jù)動(dòng)畫原畫給模型賦予材質(zhì)，材質(zhì)可以通過各種渠道收集各種貼圖材質(zhì)，也可以繪制材質(zhì)。

（3）燈光。根據(jù)氛圍設(shè)計(jì)圖，架設(shè)燈光，在Maya中提供了6種燈光類型。通過這6種燈光可以很輕松地模擬出自然光、人工光和特需用光。

（4）渲染輸出。預(yù)覽場(chǎng)景，檢查模型、材質(zhì)和燈光是否有問題，若有問題，則及時(shí)修改，最終設(shè)置和渲染輸出。

（三）校園場(chǎng)景模型渲染輸出

（1）首先打開Maya中的Mental Ray渲染器，找到mayatomr.mll選項(xiàng)，勾選loaded，這樣Maya就會(huì)自動(dòng)加載Mental Ray了。

（2）添加渲染處理元素，并設(shè)置材質(zhì)和添加燈光效果。在燈光效果上選用直線照射燈光，后期可以減少處理陰影的過程，Maya會(huì)自動(dòng)后臺(tái)對(duì)陰影部分進(jìn)行優(yōu)化。

（3）完成渲染，在最后對(duì)模型進(jìn)行一個(gè)完整的優(yōu)化即可完工。

（4）利用Maya的真實(shí)渲染，使模型更加真實(shí)，同時(shí)設(shè)置燈光等，使單位元素更具有色彩和層次性。

三、虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）整體拼合

要把不同的模型整合在一起，必須首先深刻了解坐標(biāo)系。在Unity 3D中，能創(chuàng)建任意數(shù)目的坐標(biāo)系。每個(gè)新坐標(biāo)系都是相對(duì)于另一個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)而定位的，稱為坐標(biāo)平移。當(dāng)一個(gè)新的坐標(biāo)系相對(duì)于另一個(gè)時(shí)，就是說新坐標(biāo)系是嵌入到父坐標(biāo)系中的子坐標(biāo)系。同樣地，父坐標(biāo)系也能嵌入到另一個(gè)坐標(biāo)系中。坐標(biāo)系的這種父子關(guān)系產(chǎn)生一個(gè)坐標(biāo)系的家族樹。坐標(biāo)系樹中最上面的父坐標(biāo)系是Unity 3D文件中的根坐標(biāo)系。每個(gè)Unity 3D文件都有一個(gè)根坐標(biāo)系。所有其他坐標(biāo)系，根據(jù)它們?cè)谧鴺?biāo)系家族樹中的位置，直接或間接地屬于根坐標(biāo)系的后代。所以根坐標(biāo)系常常被稱為世界坐標(biāo)系。

（1）根據(jù)總平面圖，利用一個(gè)Box節(jié)點(diǎn)來作為學(xué)院的整體地表，更改其參數(shù)，使得它的大小和學(xué)校的總面積相同。

（2）以學(xué)校正門為參考點(diǎn)，通過電子地圖（如百度地圖）測(cè)量其他建筑距參照點(diǎn)的距離，根據(jù)比例，用Transform節(jié)點(diǎn)改變實(shí)體位置。

（3）使用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將創(chuàng)建好的各實(shí)體整合到校園中確定的位置上，最終完成虛擬校園的整體建設(shè)。

（二）創(chuàng)建攝像機(jī)

在單元中創(chuàng)建一個(gè)按鈕，然后選擇相機(jī)。這樣就完成了相機(jī)的創(chuàng)建。為了使系統(tǒng)模型更加逼真，因此選擇使用透視攝像機(jī)。繼續(xù)添加兩個(gè)相機(jī)，使3D效果更加明顯。首先將添加的攝像機(jī)都放在一平面上，去調(diào)整兩個(gè)攝像機(jī)的角度，讓視角平視前方，就像人眼一樣。將兩個(gè)攝像頭其中一個(gè)放在第一人稱控制器中的主攝像頭下，然后關(guān)閉它所具有的攝像頭。創(chuàng)建兩個(gè)允許查看視圖的Render Textures。創(chuàng)建的Render Texture可以放在圖層中。為了觀察兩個(gè)Render Textures，所以創(chuàng)建一臺(tái)機(jī)器，并使它垂直放置。最后，將設(shè)備命名為相機(jī)。將編輯好的代碼導(dǎo)入到主相機(jī)中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)自由漫游了。

四、結(jié)論

虛擬校園漫游系統(tǒng)不僅可以提高教學(xué)、研究和后勤支持管理的效率，也可以在互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)上發(fā)布，以展示學(xué)校的校園形象、場(chǎng)景、科研、設(shè)置機(jī)構(gòu)、設(shè)置的歷史、教學(xué)設(shè)施部門和專業(yè)發(fā)展的成果，以及國內(nèi)外的合作與交流，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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本論文為山東協(xié)和學(xué)院2019年實(shí)驗(yàn)室開放立項(xiàng)項(xiàng)目：虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（項(xiàng)目編號(hào)為：2019SYKF07）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：

王曉燕，（1982-）女，山東煙臺(tái)人，副教授，山東協(xié)和學(xué)院數(shù)字媒體專業(yè)教師，主要研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)

周德煜，（2000-）女，山東淄博人，山東協(xié)和學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生，主要研究方向?yàn)椋簲?shù)字媒體技術(shù)、圖像處理