基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】? ? 隨著科技的進(jìn)步，部分高校開始采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建交互式虛擬校園，使瀏覽者足不出戶即可盡知校園全貌。設(shè)計(jì)虛擬校園前應(yīng)對(duì)所需技術(shù)及流程做深入了解，然后再制定實(shí)施計(jì)劃。通過(guò)實(shí)踐，可利用3ds Max實(shí)現(xiàn)建模，遵照實(shí)體建筑外觀采樣來(lái)提高模型真實(shí)感，而模型所在的場(chǎng)景及交互可采用Unity 3D設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)發(fā)布。經(jīng)測(cè)試，給漫游系統(tǒng)提供開發(fā)自動(dòng)導(dǎo)航和自主導(dǎo)航功能后，用戶可從不同視角瀏覽虛擬校園。

【關(guān)鍵詞】? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)? ? 漫游系統(tǒng)? ?Unity 3D

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于二十世紀(jì)初葉，是多種技術(shù)的綜合體。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特別之處在于以模擬的方法為使用者構(gòu)建一個(gè)虛擬的情景。通過(guò)觸碰和視覺等行為感知觸發(fā)用戶產(chǎn)生沉浸在虛擬世界中的體驗(yàn)。而且當(dāng)用戶參與到與虛擬環(huán)境的互動(dòng)時(shí)還會(huì)引起虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)變化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域極廣，遍及社會(huì)生活的各個(gè)層面。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于仿真教學(xué)，構(gòu)建虛擬校園、課堂、虛擬實(shí)驗(yàn)室等等，提升課堂效率。當(dāng)前，數(shù)字化課堂、智慧校園建設(shè)正主導(dǎo)高校信息化教學(xué)、管理的方向。虛擬校園建設(shè)正是智慧校園建設(shè)的主體內(nèi)容之一，從宏觀上講，它可以引領(lǐng)并實(shí)現(xiàn)校園的全面數(shù)字化（辦公管理、信息采集、基礎(chǔ)建設(shè)、方案規(guī)劃、對(duì)外交流），從微觀上講，它也可以作為對(duì)外交流的窗口和發(fā)展規(guī)劃的模型參考。

下面將對(duì)利用該技術(shù)導(dǎo)入自定義校園模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一個(gè)校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

一、漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1確立研究對(duì)象

系統(tǒng)的主要研究對(duì)象是虛擬校園場(chǎng)景。研究重點(diǎn)集中在虛擬場(chǎng)景的搭建和遍歷。

場(chǎng)景搭建時(shí)，要求虛擬實(shí)體的外觀與真實(shí)的校園環(huán)境盡可能保持一致，仿真度高。場(chǎng)景要素主要涉及地形、建筑模型（比例、貼圖材質(zhì)）、植被、景觀、公共設(shè)施、天空盒子、光照強(qiáng)度等。

場(chǎng)景遍歷時(shí)，系統(tǒng)能保證瀏覽者的自主漫游，觸及或臨近特定建筑后能觸發(fā)特定行為（碰撞檢測(cè)），比如屬性的修改、語(yǔ)音或文字提示等等，場(chǎng)景的切換既可以由碰撞行為觸發(fā)也可以通過(guò)系統(tǒng)主界面中預(yù)留的按鈕引導(dǎo)，場(chǎng)景切換后即可進(jìn)入建筑物內(nèi)部進(jìn)行瀏覽。

1.2劃分功能模塊

從軟件類型劃分的角度來(lái)看，系統(tǒng)可以歸為結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用軟件。它的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)校園漫游功能。系統(tǒng)加載后首先看到的是系統(tǒng)界面，然后才能調(diào)用漫游功能。漫游的主體是攝像機(jī)（用來(lái)模擬人的視角），客體是處于Unity3D游戲引擎場(chǎng)景之下的unity3D虛擬校園模型。漫游功能按模式分成自主漫游和自動(dòng)漫游兩種。在自主漫游模式下可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的切換。另外，因本系統(tǒng)是虛擬校園平臺(tái)軟件的一個(gè)子系統(tǒng)，所以在功能上還應(yīng)預(yù)留和平臺(tái)軟件其他子系統(tǒng)共享信息的接口。

基于以上分析，將系統(tǒng)中所涉及的數(shù)據(jù)獨(dú)立抽象出來(lái)，可得系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖，如圖1所示。

圖1? ? 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

借助于數(shù)據(jù)流程，經(jīng)過(guò)解析后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理整合，可對(duì)系統(tǒng)級(jí)功能模塊進(jìn)行初步的劃分，如圖2所示。

圖2? ? 功能模塊解析圖

系統(tǒng)功能可劃分成四個(gè)一級(jí)模塊（界面、漫游功能、場(chǎng)景切換、系統(tǒng)接口），兩個(gè)二級(jí)模塊（自動(dòng)漫游和自主漫游）。

1.3搭建開發(fā)環(huán)境

設(shè)計(jì)校園漫游系統(tǒng)要選擇合適的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)環(huán)境。能支持該技術(shù)的軟件平臺(tái)和腳本語(yǔ)言眾多，通過(guò)對(duì)重要的平臺(tái)和工具軟件做優(yōu)勢(shì)對(duì)比，最終確定系統(tǒng)開發(fā)需使用以下三款軟件。它們應(yīng)用在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的不同環(huán)節(jié)，互相緊密協(xié)同。三者的具體分工如下：在windows 10操作系統(tǒng)下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型貼圖處理，unity 3D用于漫游系統(tǒng)的整合。

二、漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)主界面

借鑒web界面的扁平化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)界面包括以下幾個(gè)元素，具體如圖3系統(tǒng)主界面所示。

（1）導(dǎo)航模式菜單：校園整體的自動(dòng)導(dǎo)航和手動(dòng)導(dǎo)航是首要的功能項(xiàng)。

（2）學(xué)校簡(jiǎn)介：投放校園概括、校史等內(nèi)容。

（3）系部一覽：設(shè)置切換按鈕，訪問(wèn)者可迅速瀏覽到二級(jí)學(xué)院主體建筑。

（4）其他（輔助功能擴(kuò)展：如背景音樂(lè)、全景視圖的整體縮放，旋轉(zhuǎn)等等）。

圖3? ? 系統(tǒng)主界面

2.2三維建模

模型數(shù)據(jù)的采集和加工處理是整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中重要的一環(huán)。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的高低會(huì)直接影響到系統(tǒng)生成后的用戶體驗(yàn)。因此對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理至關(guān)重要。對(duì)于制作虛擬校園系統(tǒng)這樣的應(yīng)用來(lái)講，所要收集的數(shù)據(jù)一般集中在地形數(shù)據(jù)（高度和坡度、面積尺寸，比例等）、校園建筑物信息（包括周邊環(huán)境的詳細(xì)圖片、建筑主體的層數(shù)、層高、總的長(zhǎng)寬高、所處地形、方位）、植被和公共基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體音視頻等。根據(jù)數(shù)據(jù)采集對(duì)象的不同可以采取不同的采集辦法。

虛擬漫游系統(tǒng)是對(duì)實(shí)體校園的模擬，校園里的景觀建筑等等均需要按照1：N的比例以三維對(duì)象的形式呈現(xiàn)在用戶面前。為了完成這種映射關(guān)系，必須借助于3D建模軟件進(jìn)行多邊形建模。

系統(tǒng)以多邊形建模為主，以二維圖形為輔。該建模方法獲得模型速度快，易于修改，便于后期維護(hù)和升級(jí)。建模完成后，要經(jīng)過(guò)檢查，把模型中多余的點(diǎn)、線和面進(jìn)行刪除，最大程度精簡(jiǎn)面數(shù)，減少冗余數(shù)據(jù)。

三維模型的創(chuàng)建主要涉及到：

（1）地形的創(chuàng)建

這一部分的設(shè)計(jì)分兩步完成：首先在3DS Max中先設(shè)計(jì)一個(gè)二維平面，然后導(dǎo)入Google衛(wèi)星圖片貼圖來(lái)當(dāng)參照物，接著布局校園各個(gè)角落的主體建筑和道路等等。模型整體導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D后，先前的地形平面設(shè)置為隱藏，隨后新創(chuàng)建地形游戲物體對(duì)象，植入草坪、樹木等。

（2）建筑實(shí)體的構(gòu)建

綜合運(yùn)用各種多邊形修改工具，結(jié)合推、拉，旋轉(zhuǎn)、位移、擠出等操作多邊形基本體。對(duì)樓層的設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)體比例，對(duì)平面輪廓進(jìn)行推拉等操作。這一建模過(guò)程需采取分層方式進(jìn)行，即按照建筑體樓層順序進(jìn)行樓體高度的遞增。每推拉一層，需參照實(shí)體，逐一塑造該層的立面元素，諸如立柱、陽(yáng)臺(tái)、門窗、樓梯等。關(guān)于樓頂?shù)臉?gòu)筑，宜采用多邊形工具進(jìn)行編輯，擠出并進(jìn)一步操作制作;大門等方法類似，直至建筑實(shí)體構(gòu)建完畢。

（3）附屬環(huán)境的構(gòu)建

這一部分主要涉及附屬景觀的布局、天空盒的設(shè)置，樹木、花草、廣場(chǎng)、公共設(shè)施的設(shè)計(jì)等等。

樹木等植被如果面片使用過(guò)多，會(huì)加大系統(tǒng)開銷，造成加載物體時(shí)卡頓，沒(méi)流暢感，因此需要采用最簡(jiǎn)單有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2個(gè)面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中該隱去的周圍環(huán)境，留下樹的整體造型。

2.3實(shí)現(xiàn)交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其層次關(guān)系已經(jīng)形成多個(gè)不同的實(shí)例對(duì)象，將該文件導(dǎo)出為FBX格式后即可導(dǎo)入到Unity 3D中進(jìn)行游戲物體的轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行此轉(zhuǎn)換過(guò)程前為了確保坐標(biāo)和對(duì)象的比例符合unity 3D的要求，必須在3ds MAX中預(yù)先對(duì)所有的實(shí)例對(duì)象進(jìn)行坐標(biāo)軸的調(diào)整和模型比例的變換。

在整個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)的建立過(guò)程中所需要的全部素材文件，包含模型和貼圖等，在之前的操作過(guò)程中已經(jīng)全部準(zhǔn)備完畢。隨后可一邊制作三維模型一邊同時(shí)導(dǎo)入到Unity 3D軟件中進(jìn)行觀察，這樣做的目的是能夠及時(shí)查看模型導(dǎo)入的效果和優(yōu)缺點(diǎn)，之后再通過(guò)總結(jié)前面的模型遇到的問(wèn)題來(lái)指導(dǎo)后期模型的制作。

交互的實(shí)現(xiàn)主要涉及場(chǎng)景的切換和漫游。場(chǎng)景的切換可通過(guò)UI按鈕調(diào)用自定義腳本完成。漫游分自主漫游和自動(dòng)漫游。自主漫游借助于第一人稱角色控制器觸發(fā)碰撞器來(lái)完成。自動(dòng)漫游則通過(guò)規(guī)劃漫游路徑，然后安排攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤拍攝實(shí)現(xiàn)。

三、總結(jié)

實(shí)現(xiàn)校園漫游系統(tǒng)有兩個(gè)現(xiàn)實(shí)意義。其一，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有深入的了解;其二，漫游系統(tǒng)具有實(shí)用性，能促進(jìn)高校的數(shù)字化校園建設(shè)。

借助于數(shù)據(jù)流程，經(jīng)過(guò)解析后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理整合，可對(duì)系統(tǒng)級(jí)功能模塊進(jìn)行初步的劃分，如圖2所示。

系統(tǒng)功能可劃分成四個(gè)一級(jí)模塊（界面、漫游功能、場(chǎng)景切換、系統(tǒng)接口），兩個(gè)二級(jí)模塊（自動(dòng)漫游和自主漫游）。

3、搭建開發(fā)環(huán)境

設(shè)計(jì)校園漫游系統(tǒng)要選擇合適的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)環(huán)境。能支持該技術(shù)的軟件平臺(tái)和腳本語(yǔ)言眾多，通過(guò)對(duì)重要的平臺(tái)和工具軟件做優(yōu)勢(shì)對(duì)比，最終確定系統(tǒng)開發(fā)需使用以下三款軟件。它們應(yīng)用在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的不同環(huán)節(jié)，互相緊密協(xié)同。三者的具體分工如下：在windows 10操作系統(tǒng)下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型貼圖處理，unity 3D用于漫游系統(tǒng)的整合。

漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、設(shè)計(jì)主界面

借鑒web界面的扁平化設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)界面包括以下幾個(gè)元素，具體如圖3系統(tǒng)主界面所示。

（1）導(dǎo)航模式菜單：校園整體的自動(dòng)導(dǎo)航和手動(dòng)導(dǎo)航是首要的功能項(xiàng)。

（2）學(xué)校簡(jiǎn)介：投放校園概括、校史等內(nèi)容。

（3）系部一覽：設(shè)置切換按鈕，訪問(wèn)者可迅速瀏覽到二級(jí)學(xué)院主體建筑。

（4）其他（輔助功能擴(kuò)展：如背景音樂(lè)、全景視圖的整體縮放，旋轉(zhuǎn)等等）。

2、三維建模

模型數(shù)據(jù)的釆集和加工處理是整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中重要的一環(huán)。數(shù)據(jù)釆集質(zhì)量的高低會(huì)直接影響到系統(tǒng)生成后的用戶體驗(yàn)。因此對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理至關(guān)重要。對(duì)于制作虛擬校園系統(tǒng)這樣的應(yīng)用來(lái)講，所要收集的數(shù)據(jù)一般集中在地形數(shù)據(jù)（高度和坡度、面積尺寸，比例等）、校園建筑物信息（包括周邊環(huán)境的詳細(xì)圖片、建筑主體的層數(shù)、層高、總的長(zhǎng)寬高、所處地形、方位）、植被和公共基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體音視頻等。根據(jù)數(shù)據(jù)采集對(duì)象的不同可以采取不同的采集辦法。

虛擬漫游系統(tǒng)是對(duì)實(shí)體校園的模擬，校園里的景觀建筑等等均需要按照1：N的比例以三維對(duì)象的形式呈現(xiàn)在用戶面前。為了完成這種映射關(guān)系，必須借助于3D建模軟件進(jìn)行多邊形建模。

系統(tǒng)以多邊形建模為主，以二維圖形為輔。該建模方法獲得模型速度快，易于修改，便于后期維護(hù)和升級(jí)。建模完成后，要經(jīng)過(guò)檢查，把模型中多余的點(diǎn)、線和面進(jìn)行刪除，最大程度精簡(jiǎn)面數(shù)，減少冗余數(shù)據(jù)。

三維模型的創(chuàng)建主要涉及到：

（1）地形的創(chuàng)建

這一部分的設(shè)計(jì)分兩步完成：首先在3DS Max中先設(shè)計(jì)一個(gè)二維平面，然后導(dǎo)入Google衛(wèi)星圖片貼圖來(lái)當(dāng)參照物，接著布局校園各個(gè)角落的主體建筑和道路等等。模型整體導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D后，先前的地形平面設(shè)置為隱藏，隨后新創(chuàng)建地形游戲物體對(duì)象，植入草坪、樹木等。

（2）建筑實(shí)體的構(gòu)建

綜合運(yùn)用各種多邊形修改工具，結(jié)合推、拉，旋轉(zhuǎn)、位移、擠出等操作多邊形基本體。對(duì)樓層的設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)體比例，對(duì)平面輪廓進(jìn)行推拉等操作。這一建模過(guò)程需采取分層方式進(jìn)行，即按照建筑體樓層順序進(jìn)行樓體高度的遞增。每推拉一層，需參照實(shí)體，逐一塑造該層的立面元素，諸如立柱、陽(yáng)臺(tái)、門窗、樓梯等。關(guān)于樓頂?shù)臉?gòu)筑，宜采用多邊形工具進(jìn)行編輯，擠出并進(jìn)一步操作制作;大門等方法類似，直至建筑實(shí)體構(gòu)建完畢。

（3）附屬環(huán)境的構(gòu)建

這一部分主要涉及附屬景觀的布局、天空盒的設(shè)置，樹木、花草、廣場(chǎng)、公共設(shè)施的設(shè)計(jì)等等。

樹木等植被如果面片使用過(guò)多，會(huì)加大系統(tǒng)開銷，造成加載物體時(shí)卡頓，沒(méi)流暢感，因此需要采用最簡(jiǎn)單有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2個(gè)面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中該隱去的周圍環(huán)境，留下樹的整體造型。

3、實(shí)現(xiàn)交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其層次關(guān)系已經(jīng)形成多個(gè)不同的實(shí)例對(duì)象，將該文件導(dǎo)出為FBX格式后即可導(dǎo)入到Unity 3D中進(jìn)行游戲物體的轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行此轉(zhuǎn)換過(guò)程前為了確保坐標(biāo)和對(duì)象的比例符合unity 3D的要求，必須在3ds MAX中預(yù)先對(duì)所有的實(shí)例對(duì)象進(jìn)行坐標(biāo)軸的調(diào)整和模型比例的變換。

在整個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)的建立過(guò)程中所需要的全部素材文件，包含模型和貼圖等，在之前的操作過(guò)程中已經(jīng)全部準(zhǔn)備完畢。隨后可一邊制作三維模型一邊同時(shí)導(dǎo)入到Unity 3D軟件中進(jìn)行觀察，這樣做的目的是能夠及時(shí)查看模型導(dǎo)入的效果和優(yōu)缺點(diǎn)，之后再通過(guò)總結(jié)前面的模型遇到的問(wèn)題來(lái)指導(dǎo)后期模型的制作。

交互的實(shí)現(xiàn)主要涉及場(chǎng)景的切換和漫游。場(chǎng)景的切換可通過(guò)UI按鈕調(diào)用自定義腳本完成。漫游分自主漫游和自動(dòng)漫游。自主漫游借助于第一人稱角色控制器觸發(fā)碰撞器來(lái)完成。自動(dòng)漫游則通過(guò)規(guī)劃漫游路徑，然后安排攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤拍攝實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

實(shí)現(xiàn)校園漫游系統(tǒng)有兩個(gè)現(xiàn)實(shí)意義。其一，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有深入的了解;其二，漫游系統(tǒng)具有實(shí)用性，能促進(jìn)高校的數(shù)字化校園建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許徽.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009.

[2]江濤.滁州學(xué)院數(shù)字虛擬校園展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]喻臻鈺.基于3dsMax與Unity3D的三維虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016.

作者簡(jiǎn)介：姜濤（1978.7.14-），男，漢族，講師三級(jí)，本科。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]許徽.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009.

[2]江濤.滁州學(xué)院數(shù)字虛擬校園展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]喻臻鈺.基于3dsMax與Unity3D的三維虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016.