大數(shù)據(jù)學院虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)＊

孟慶軒，揚帆凌波，李侍奉

(北京城市學院，北京 101300)

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合應(yīng)用多個學科知識的3D 交互邏輯成像高新實用技術(shù)。它是一種有效地模擬生物在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的交互技術(shù)，其概念是發(fā)展的和變化的。虛擬校園技術(shù)（Virtual campus technology）是指：在計算機中對現(xiàn)實校園中的景觀以及教學設(shè)施、教學環(huán)境等通過數(shù)字化處理，有效再現(xiàn)虛擬校園的技術(shù)。本系統(tǒng)采用3ds Max 進行立體建模，使用Photoshop軟件對于拍攝的大數(shù)據(jù)學院圖片進行處理形成三維模型的貼圖，最后將模型與貼圖導(dǎo)入到Unity3D 引擎中實現(xiàn)交互式功能。采用360 度俯瞰的方式對于大數(shù)據(jù)學院的三號實訓(xùn)樓進行自由瀏覽，對于大數(shù)據(jù)學院內(nèi)部采用第一人稱的方式進行漫游，并對課程與專業(yè)信息、教學設(shè)備進行立體式的展示，以互動的方式為學生與家長提供有趣的虛擬大數(shù)據(jù)學院漫游，并最終發(fā)布為Web 版本，為學生和家長熟悉大數(shù)據(jù)學院提供便利。

1 建模方法

三維建模技術(shù)是在軟件中建立模型的技術(shù)手段。建模就是建立數(shù)字化虛擬模型的過程，又稱模型化。本系統(tǒng)的三維模型采用3ds Max 進行制作，制作之前為了真實還原大數(shù)據(jù)學院樓體的外觀與內(nèi)部房間布局，并按照1：1的方式進行展示，需要對樓體外部與內(nèi)部進行測量，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來進行建模。本系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，需要給人們身臨其境的漫游，模型的貼圖需要通過相機拍攝并使用Photoshop 軟件進行處理的方式來得到。

1.1 數(shù)據(jù)與貼圖的采集

樓體的外部在最終的系統(tǒng)中，是以360 度環(huán)繞漫游的方式進行展示，只需要精確到米就可以。樓體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在最終完成的系統(tǒng)中是以第一人稱方式進行漫游，需要精確到厘米，這樣才能更好的展示樓體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的教學硬件。并且樓體內(nèi)部的設(shè)備：桌椅、投影儀等，也需要進行測量，這樣在模型制作的過程中才能做到樓體內(nèi)部模型比例正確，給人一種真實的感覺。

模型的貼圖需要使用相機拍攝來得到，拍攝時需要拍攝兩套圖片：一套圖片用于查看樓體的外觀與房間結(jié)構(gòu)、教學設(shè)備，方便后期的建模使用，拍攝時可以讓一張圖片盡量放下樓體更多的內(nèi)容，這樣可以方便后期建模時比例的把握；另一套作為樓體外觀與內(nèi)部物體的貼圖，拍攝時需要物體紋理清晰，一張照片最好存放一個物體的紋理情況，方便以后的貼圖制作。

1.2 模型的制作

樓體的外部與內(nèi)部分別進行模型制作，樓體外部的模型重點在于表現(xiàn)樓體的外觀結(jié)構(gòu)，需要將3ds Max 的單位設(shè)置為“米”，這樣在模型制作時方便按照所測量的數(shù)據(jù)進行建模。樓體外觀制作好之后，需要使用Photoshop軟件制作對應(yīng)的貼圖，整個樓體的貼圖是一張，貼圖長寬的大小要是2 的n 次方。樓體貼圖上的樹木可以保留，這樣可以體現(xiàn)細節(jié)信息，并且也能給人以真實感。制作好的貼圖需要使用3ds Max中的展UV 工具賦予到樓體的每一個面上，最終才完成樓體外觀模型的制作，完成的樓體外觀模型與貼圖如圖1所示。

圖1 樓體外觀模型與貼圖

樓體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要單獨進行模型制作，制作之前需要將3ds Max 的單位設(shè)置為厘米，對于樓體內(nèi)部模型貼圖的制作，需要按照材質(zhì)的種類分別放在不同的貼圖中，這樣方面在Unity3D 中的進行著色器設(shè)置，每一張貼圖也需要把亮度調(diào)整一致，并且每一張貼圖的長寬大小也要是2 的n 次方。做好的貼圖需要賦予給樓體內(nèi)部模型，最終才完成樓體內(nèi)部模型的制作，完成的樓體內(nèi)部模型與貼圖如圖2所示。

圖2 樓體內(nèi)部模型與貼圖

2 虛擬大數(shù)據(jù)學院的構(gòu)建

Unity3D 的強大引擎功能具有跨平臺性，通過Unity3D 開發(fā)的軟件可以在手機操作系統(tǒng)和PC 操作系統(tǒng)等諸多操作系統(tǒng)中運行，并且具有可移植性，運行應(yīng)用靈活。Unity3D 強大的插件工具，在設(shè)計開發(fā)上更加簡化，可以有效地縮短設(shè)計周期。所以本系統(tǒng)采用Unity3D引擎進行開發(fā)。

虛擬漫游平臺搭建需要將3ds Max制作好的場景以FBX 格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入Unity3D 中進行場景搭建，該步驟主要分為五個環(huán)節(jié)，分別是場景導(dǎo)入、環(huán)境燈光、障礙物設(shè)置、攝像機布置、攝像機和燈光切換設(shè)置。本系統(tǒng)先導(dǎo)入模型貼圖到Unity3D 引擎的texture 文件夾中，再導(dǎo)入FBX 格式的模型，再為場景設(shè)置燈光、為模型添加碰撞器、設(shè)置攝像機。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

虛擬漫游分為大數(shù)據(jù)學院室外樓體漫游展示與室內(nèi)第一人稱漫游展示兩種方式。系統(tǒng)運行后首先進入主界面，如圖3 所示。主界面有兩個選項，點擊“進入”后加載三號實訓(xùn)樓室外樓體的場景進行漫游展示，并進行大數(shù)據(jù)學院室內(nèi)場景的后臺異步加載；點擊“關(guān)于”，將進入對于系統(tǒng)進行介紹與操作說明的場景，對于本系統(tǒng)的開發(fā)背景與操作進行介紹。

圖3 系統(tǒng)主界面

2.2 功能設(shè)計

本系統(tǒng)包含兩個場景：三號實訓(xùn)樓室外場景與三號實訓(xùn)樓室內(nèi)場景。在主界面點擊“進入”，會加載三號實訓(xùn)樓樓體外觀展示的場景，并可采取俯瞰的方式對于大數(shù)據(jù)學院所在的三號實訓(xùn)樓進行展示，通過Cinemachine 插件中的FreeLook 虛擬攝像機進行環(huán)繞式360 度自由瀏覽，此時也會在后臺異步加載三號實訓(xùn)樓室內(nèi)的場景，場景的預(yù)加載通過SceneManager.LoadSceneAsync()函數(shù)實現(xiàn)。

當點擊“返回”按鈕時，會返回到主界面；當點擊“退出”按鈕時，會退出系統(tǒng)；當點擊“回車”鍵或者界面底部的黃色按鈕“單擊回車鍵”的時候，會切換到注視鷹游戲物體的Virtual Camera，會通過鷹俯沖飛行的視角進入三號實訓(xùn)樓內(nèi)部，如圖4 所示。三號實訓(xùn)樓內(nèi)部是在另一個場景中，由于使用了異步加載方式，所以在鷹俯沖到三號實訓(xùn)樓的時候，會自動進入三號實訓(xùn)樓內(nèi)部所在的場景，沒有場景的加載等待。

圖4 三號實訓(xùn)樓外部場景

進入三號實訓(xùn)樓內(nèi)部所在的場景后，可以進行第一人稱漫游，并在后臺異步加載三號實訓(xùn)樓的室外場景。當?shù)谝蝗朔Q的游戲物體與場景中的黃色桌子發(fā)生觸發(fā)檢測時，會進入課程與教師介紹的展示，并可以查看任意課程與對應(yīng)教師的介紹，如圖5所示，當?shù)谝蝗朔Q物體不與黃色桌子發(fā)生觸發(fā)檢測時，會退出課程與教師介紹的展示界面，繼續(xù)進行第一人稱漫游。當點擊界面下方的“退出”按鈕時，可以退出本系統(tǒng)；當點擊“返回”按鈕時，會返回到主界面。

圖5 室內(nèi)場景第一人稱漫游

在第一人稱漫游的過程中，當?shù)谝蝗朔Q游戲物體與教室的門發(fā)生碰撞時點擊“F”鍵，門可以自動打開。漫游進入某一個教室區(qū)域后，界面下方會出現(xiàn)對應(yīng)的按鈕：點擊“打開屏幕”可以將投影屏幕降下；點擊“關(guān)閉屏幕”可以將投影屏幕升起；點擊“課程介紹”可以播放教師的語音，對課程進行介紹，如圖6 所示。漫游離開教室區(qū)域后，語音播放會自動停止，三個按鈕也會消失。開門動畫與投影屏幕的上升與下降通過Animation 組件實現(xiàn)。當漫游到115 會議室區(qū)域時候，界面下方會出現(xiàn)對應(yīng)的按鈕，通過多個教室屏幕同時播放同一個視頻的方式，展示115 會議室控制113、115、117 教室同步播放開展會議的功能。對于會議室115 的多個屏幕同時播放筆記本電腦的PPT 內(nèi)容，也采取同樣的技術(shù)實現(xiàn)方式進行展示。當漫游到玻璃門時，會自動進入三號實訓(xùn)樓的室外場景，以此完成室內(nèi)與室外場景的切換。

圖6 系統(tǒng)交互功能

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過3ds Max、Photoshop 與Unity3D 的技術(shù)方式實現(xiàn)了一個可以全景展示大數(shù)據(jù)學院的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)了多個交互的功能，可以讓學生與家長全方位了解大數(shù)據(jù)學院。最終系統(tǒng)以Web 方式進行發(fā)布，方便學生與家長的使用，以第一人稱漫游的方式進行交互，為學生與家長了解我校的大數(shù)據(jù)學院提供了一個很好的平臺。以后可以結(jié)合VR 設(shè)備進行開發(fā)與發(fā)布，提供身臨其境的交互。