基于VR的虛擬校園漫游系統(tǒng)研究與建設

馬程 閆俊均 徐踐

摘? 要： 隨著科學技術的不斷進步與快速發(fā)展，現(xiàn)代化傳感器技術、計算機軟硬件技術等也在不斷前進，人們對虛擬與現(xiàn)實技術提出了更高的創(chuàng)新性需求，不斷追求更加和諧、自然、高效的技術手段與虛擬世界進行良好的互動與交流。目前市場上主流存在的虛擬校園系統(tǒng)，其核心終端多為PC機;部分移動終端也只能夠進行簡單的網頁瀏覽等功能，不支持頭戴式、便攜式。本次設計選擇頭戴式結構，大大提升趣味性、沉浸性，有效提升用戶的積極、主動性。本系統(tǒng)設計實現(xiàn)了一個基于VR的虛擬校園漫游系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)用戶在虛擬校園當中漫游，可以根據規(guī)劃好的路線進行自動漫游，也可以根據個人愛好自由移動在虛擬校園當中，還可以查看相應建筑物的介紹信息。力。也希望可以投入實際運用，所提出的設計和設計分析方法對同類設計具有重要的參考價值。

關鍵詞： 虛擬校園;移動端;漫游系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實

【Abstract】： With the continuous advancement and rapid development of science and technology， modern sensor technology， computer hardware and software technology， etc. are also advancing constantly. People have put forward more innovative requirements for virtual and real technology， and constantly pursue more harmonious， natural and efficient technology. Means to interact and communicate with the virtual world. At present， the virtual campus system that exists in the mainstream of the market， its core terminals are mostly PCs; some mobile terminals can only perform simple web browsing and other functions， and do not support head-mounted and portable. This design chooses a head-mounted structure， which greatly enhances the fun and immersion， and effectively enhances the user's initiative and initiative. The system design realizes a virtual campus roaming system based on VR， which enables users to roam in the virtual campus， can automatically roam according to the planned route， and can freely move in the virtual campus according to personal preferences， and can also view the corresponding building. Introduction information of the object. force. It is also hoped that it can be put into practical use. The proposed design and design analysis methods have important reference value for similar designs.

【Key words】： Virtual campus; VR; Mobile terminal

0? 引言

在計算機科學技術的迅速發(fā)展下，傳感器技術、計算機圖形技術、軟硬件技術也開始迅速發(fā)展，且在虛擬現(xiàn)實領域得到廣泛的應用，虛擬現(xiàn)實已經以飛快的步伐進入人們的生活，推動各行業(yè)的發(fā)展。而現(xiàn)在將校園數(shù)字，虛擬化己經受到了社會各界的廣泛關注，且與此相關的研究也不斷的增加，數(shù)字校園也就是綜合應用衛(wèi)星通信技術，地理信息系統(tǒng)和相應的多媒體等技術而實現(xiàn)虛擬校園的目的。在此虛擬過程中需要利用電腦將校園內的環(huán)境、建筑、設施等數(shù)據進行虛擬化，這樣用戶通過終端就可以很方便的和虛擬校園進行交互。本文結合虛擬現(xiàn)實的關鍵技術，設計了一套基于VR眼鏡和智能手機的虛擬校園漫游系統(tǒng)。

1? 概要設計

1.1? 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要在一定的調查了解基礎上，構建三維虛擬場景，然后將實際現(xiàn)狀分別添加至上述虛擬環(huán)境中;系統(tǒng)要使每位用戶都可以身臨其境的體驗與感受校園，要有很強的親切感、沉浸感。為保證上述體驗功能順利實現(xiàn)，該應用軟件必須具備特殊的交互等特性。功能結構圖如圖1所示。

（1）本軟件首頁可以選擇本地模式和聯(lián)網模式。本地模式不需要流量，直接讀取軟件下載到手機上的數(shù)據來實現(xiàn)后續(xù)功能;聯(lián)網模式為日后增加更多細節(jié)和數(shù)據時，可以減少對硬件的要求，將更多的功能和模型放在校園網服務器上，使用時需要連接校園網，通過校園網實時下載傳輸數(shù)據，實現(xiàn)更多的功能，從而減輕本地數(shù)據的大小，是本系統(tǒng)有更多的兼容性。

（2）體驗模式分為自動漫游體驗和自由體驗。自動漫游體驗是精心規(guī)劃了一條從正門到計算機中心的道路，這條道路從正門出發(fā)，經過教學樓、操場、小花園、校醫(yī)院、禮堂、辦公樓、科技樓等學校主要建筑，讓同學們可以最大限度的游覽學校的主要地區(qū)和建筑，幫助他們盡快的熟悉學校的主要路線，方便日后的學習生活。當使用者到達某處時，可以用手柄控制停止前進，并切換到自由體驗模式。也可以隨時通過光標切換回到剛剛停止漫游的地點繼續(xù)前進漫游。

（3）自由體驗模式則是用戶可以選擇從正門或者計算機中心為起點，在虛擬校園里通過手柄進行控制游覽。這個模式下可以自由的穿梭在虛擬校園的任何地方，當觸碰到建筑物邊緣或者地形邊緣，鏡頭將無法繼續(xù)前進，給人身臨其境的真實感受。

（4）本系統(tǒng)加入了建筑物信息簡介。用戶可以用中心光標對準簡介圖標，三秒鐘后將會彈出簡介框，將視線移開以后簡介框內容消失。

1.2? 系統(tǒng)開發(fā)思路

第一步：確定軟件的開發(fā)環(huán)境及其需要使用的工具。

第二步：使用3DMAX對學校的場景進行建模。

第三步：運用Unity3D進行系統(tǒng)場景的布置、功能設計、建筑模型的搭建、各個模型的參數(shù)設置等工作。

第四步：代碼實現(xiàn)，主要是C#以及JAVA腳本的編寫，完成系統(tǒng)的各種邏輯的實現(xiàn)。

第五步：對完成的系統(tǒng)進行各方面的測試工作。系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。

1.3? 系統(tǒng)關鍵技術

（1）3DMAX

3DMAX是由美國Auto DESK公司開發(fā)研制的，用來進行三維動畫制作和渲染的軟件，目前主要應用于PC端。3DMAX廣泛應用于各種領域，主要包括工業(yè)設計、影視、游戲、廣告等方面。由于3DMAX對系統(tǒng)的配置要求較低，還具有學習流程簡單容易上手，適用于初學者，并且成本較低等特點，使得3DMAX成為使用率最高的三維模型制作軟件。

（2）Unity3D

Unity3D是一個著名的跨平臺游戲開發(fā)工具，在開發(fā)時為了更好的滿足用戶的要求，使用起來很容易上手，用戶在實際的使用過程中可方便的建立起三維視頻游戲、三維動畫等，且可以實現(xiàn)一定的可視化功能，為相關的圖像和視頻制作提供了可靠的支持。此外其還支持 IOS、安卓、PC相關的發(fā)布功能，在應用過程中可以通過其中設置的編輯器進行各方面的編輯操作，因而可以將其看作為一個發(fā)布使用的專業(yè)游戲引擎。

（3）VR技術

VR技術即虛擬現(xiàn)實技術，是Virtual Reality的縮寫。在計算機創(chuàng)造出的三維虛擬環(huán)境下，人們可以通過設備感受環(huán)境中的景色、聲音等，讓人感覺自己到了真實的世界當中一樣，并且可以操控虛擬世界當中的物體。這種身臨其境的感覺，主要是通過頭盔式顯示器等各種具有傳感交互功能的設備實現(xiàn)的。

（4）Android平臺相關技術介紹

Android是一種用于手機的操作系統(tǒng)，谷歌在2005年8月份對其進行了收購，并在2007聯(lián)合其他公司共同開發(fā)了真正意義上的Android系統(tǒng)，在2011年成為世界第一的手機操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在Android系統(tǒng)不僅僅可以用在智能手機當中，還可以應用于其他智能設備中。

2? 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1? 虛擬校園的模型建設

在此方面的建模過程中，建筑物是其中的重點建模目標。而在交互體驗過程中，用戶訪問的最多的也是建筑，因而應該更逼真的完成建筑物構建，使其和現(xiàn)實的貼合度更高。在此系統(tǒng)的開發(fā)過程中，建筑物模型的制作的難度最大，也是最繁瑣的環(huán)節(jié)。因而應該在確保高度真實性和觀賞性，為滿足此方面的要求，本文在開發(fā)過程中應用了3DMAX 軟件進行建筑物的設計，這種軟件可提高構圖的精細度，對電腦硬件配置沒有明顯的要求，因而其可以很好的滿足制作虛擬校園系統(tǒng)相關的要求。

第一步：先在此軟件中導入矢量化建筑底圖 DWG。

第二步：接著進行建模工作的展開，而得到相應的建筑三維模型;

第三步：參考相應的建筑物實際參數(shù)，修改模型的高度、寬度值相關的數(shù)據;

第四步：點擊所得的可編輯多邊形，所得的模型進行這種多邊形轉換，然后通過命令修改這種模型，可以在此基礎上顯示出不同的細節(jié)，得到三維模型;如圖3所示。

第五步：經由UVW圖進行一定的貼圖處理后建立相應的三維模型，然后所得的進行渲染、輸出等。如圖4所示。

本程序將圖層分為了5個部分。對應了建筑、道路、樹木、花草、小品的圖層，方便管理和設計。如圖5所示是整個校園模型建設完畢后的樣子。

（1）光源及天空的設計

本系統(tǒng)中的場景偏大，場景中需要一定的光源介入才能令場景的顯示變得更加生動，因此在放置光源時，要使用一定的光照貼圖技術。把場景里會移動與不會移動的物體分別進行標識，再把各個區(qū)塊進行分類，設計攝像機的屬性，檢查各邊緣的陰暗程度從而對細節(jié)進行處理。在各個工作檢查完后，再對場景進行烘焙，烘焙之前要檢查物體上是否有貼圖的UVS，如果沒有就要對其另行設置。通過調整陰暗的程度來控制光照的陰影程度。在光照的過程中，光源對于采樣點的收集信息是有區(qū)別的，因此要對各種光源進行補光，從而使各種光源的照射效果有視覺上不一樣的效果。如圖6所示，是添加光源的參數(shù)和過程。

對漫游系統(tǒng)進行科學地分析與理解，采取相應手段將校園漫游的視覺效果予以最真實地還原與再現(xiàn)，進而獲取最真實的虛擬環(huán)境。本系統(tǒng)主要借助天空盒子系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)場景當中的天空效果。如圖7所示是添加天空效果前后的對比。

（2）路點建設以及自動尋路功能

在本系統(tǒng)的自動漫游功能中，用戶運動的路線是事先預設好的，用戶只要按照先預設好的路線進行移動即可。而路線的預設是由23個路點組成的，編寫時要先把路點創(chuàng)建進一個腳本中。第一個路點到達另一個新路點的建設過程里，本系統(tǒng)是通過設置子路點并使用SETNTEXT函數(shù)來實現(xiàn)的。如圖8所示，是建設路點的過程。

當一切都實現(xiàn)完成后，再對場景里面的通道進行設置，排放好路點，此時就完成了對路點的建設。構建的過程中，使用DOTween插件中的DOparh方法來實現(xiàn)，在預先的場景上放置好對應的位置，隨后使用dopath方法就能夠按照路線進行行走。

（3）碰撞檢測的實現(xiàn)

為了使用戶的體驗更加真實，本系統(tǒng)會設置? 單位的碰撞判定，在這里用Unity3D來制作的場? 景以及用戶的視角，調用Unity3D自帶的API開? ?啟對于單位體積的碰撞檢測，就是當一個物體受? ?到來自其它物體影響，這個時候就會出現(xiàn)位置或者狀態(tài)上的改變，這就可以稱為3D單位之間的體積碰撞。

本系統(tǒng)中，目標單位在觸碰到地形邊緣、建筑物、墻等物體的時候會觸發(fā)碰撞事件，并給出相應的反應。所以在制作過程中，開發(fā)的時候會先導入場景的資源相關文件，增加一個物體去碰撞它，然后進行不斷地調整，玩家是否可以透過場景，一旦設定不可以之后，這時的玩家就會是一個帶有剛體性質的碰撞體。同理，系統(tǒng)中需要為建筑物加上一個box colliders，在這之后，玩家本身視野和建筑物邊緣就會發(fā)生剛體碰撞。如圖9所示。

（4）雙目立體視覺的實現(xiàn)

攝像機和虛擬世界關系很簡單，可以看作為人眼與現(xiàn)實世界的相關性，可通過其對立體視覺的功能進行模擬。在實際的視覺系統(tǒng)中，一般情況下，成年人雙目的水平距離大約是6厘米，而這種軟件中相應的空間的的單位是米，這樣就可以設置這個攝像機的水平距離為0.06，同時據此卻出相應的坐標?？梢阅M人的“左右眼”。在缺乏光照情況下，整個場景就會比較黑暗，因而在設計過程中應該在一定的區(qū)間內設置光源，在此設計過程中一般選擇Direct Light，具體情況如圖10所示。

2.2? 安裝包的生成

在對相應虛擬攝像機的位置、屬性等相關的情況進行設置完成之后，則通Untiy3D引擎的跨平臺特性，進行輸出，從而生成出所需要的APK文件。但是在生成之前，需要先安裝配置JDK和SDK的環(huán)境。

在安裝好JDK和SDK之后需要在Unity3d中進行偏好設置，首先Edit中的Preference選項，然后在External Tools當中，點擊Browse將安裝好的JDK和SDK的目錄進行關聯(lián)。

如圖11所示。

最后，在Unity編輯器中的File 菜單欄中選擇“Build Settings”選項，然后在其中找到“Android”并點擊后，系統(tǒng)就會自動的切換到Android平臺，本文在研究過程中應用了左右分屏模式，為滿足此方面的應用要求，如圖12所示。

3? 系統(tǒng)展示

進入首頁以后，用戶將會看到三個選項，本? ?地模式、聯(lián)網模式和退出。本地模式為本系統(tǒng)的? ? 主要模式，用戶選擇本地模式以后，可以在不耗? ?費流量的情況下，使用本系統(tǒng)在虛擬校園當中漫游體驗。選中狀態(tài)有高亮提示，如圖13系統(tǒng)主菜單? ?所示。

自動漫游模式：用戶選擇這個模式以后，將會進入虛擬校園，系統(tǒng)將會根據提前設置好的路線，從北京農學院正門開始到北京農學院計算機中心停止，用戶可以欣賞沿途風光。如圖14所示。

當用戶用手柄的方向鍵進行操作，系統(tǒng)將會停止自動漫游，這是用戶可以通過手柄自由控制鏡頭移動。當用戶把視線看向正下方時候，將會看到自動瀏覽的選項，如圖15所示。選擇這個選項，用戶將回到剛剛停止自動漫游的地點，繼續(xù)按照系統(tǒng)設計的路線開始自動漫游。

建筑物簡介功能：當用戶在虛擬校園當中，是屏幕中心的光標對準有簡介的建筑物的圖標時，將會彈出對話框顯示建筑物簡介。當用戶將視線移開以后，對話框將會自動消失。目前已經將校園的主要建筑物添加了相關簡介，在以后的開發(fā)當中還會繼續(xù)添加更多內容。如圖16計算機中心簡介對話框所示。

4? 總結與展望

本論文設計主要介紹了一個基于VR的北京農學院校園沉浸式漫游體驗系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)用戶在北京農學院虛擬校園當中漫游，可以根據規(guī)劃好的路線進行自動漫游，也可以根據個人愛好自由移動在虛擬校園當中，還可以查看相應建筑物的介紹信息。本設計充分體現(xiàn)了北京農學院的特色，可以起到很好地宣傳作用，也可以幫助新生熟悉校園。

在其他學校的虛擬校園漫游系統(tǒng)當中，多是采用PC機實現(xiàn)，通過鍵盤鼠標以及顯示器，有很強的操作感，沉浸感很差。少數(shù)學校開發(fā)的移動端校園漫游系統(tǒng)，也只是使用手機APP實現(xiàn)校園漫游，其本質上依然是傳統(tǒng)操作，依然無法避免沉浸感體驗很差的弊端。本系統(tǒng)采用VR技術作為支持，實現(xiàn)了在移動端使用的VR虛擬校園漫游系統(tǒng)，讓用戶可以身臨其境的感受虛擬校園風光。內部操作全部是由頭部跟隨的光標實現(xiàn)，無需外置設備進行操作，做到了沉浸式體驗。

在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，目前市面上的VR程序，無法互通互用，每家公司生產的VR眼鏡和程序都需要使用自家的手機作為支持，這使得本系統(tǒng)無法再更多的平臺上傳播。本系統(tǒng)使用的小米提供的VR平臺，所以只能在小米手機上運行，希望在以后的開發(fā)當中，可以有機會解決掉這一遺憾。

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