基于校園實(shí)景的虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例

陳淑玲

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

隨著校園信息化和“數(shù)字校園”“智慧校園”建設(shè)的全面推進(jìn)，校園精細(xì)化管理及校園文化推廣迫切需要精準(zhǔn)的、真實(shí)的三維校園地理信息。目前盛行的導(dǎo)航系統(tǒng)如高德地圖、百度地圖等，更新速度快，定位精度已達(dá)到1m級(jí)，但這些導(dǎo)航系統(tǒng)只提供平面化的地理信息，不具備立體空間的信息，更無法根據(jù)用戶的行為實(shí)時(shí)反饋并動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)3D 畫面。因此學(xué)校需要一個(gè)輕量級(jí)的針對(duì)性強(qiáng)的三維校園導(dǎo)航APP，通過移動(dòng)端+VR 端即可游覽校園?；谛@實(shí)景的虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)校園的真實(shí)環(huán)境，使用三維可視化技術(shù)創(chuàng)建三維仿真建筑模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建擬態(tài)環(huán)境來模擬校園場景，設(shè)置人與擬態(tài)校園的交互行為，立體化展示校園自然風(fēng)光和人文文化，是數(shù)字校園建設(shè)的重要組成部分[1-2]。

1 創(chuàng)建三維模型

構(gòu)建校園擬態(tài)環(huán)境首要是創(chuàng)建校園的三維場景模型。三維模型是構(gòu)建虛擬空間的基礎(chǔ)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)具有仿真效果的關(guān)鍵，是用戶能否沉浸于擬態(tài)校園的決定性因素。其主要任務(wù)是使用三維軟件3Ds Max構(gòu)建校園內(nèi)的樓宇、道路、文化長廊、標(biāo)志性建筑等模型，工作量占整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施的70%以上；再直接利用虛擬引擎Unity 3D Object 對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)資源包Standard Assets 中的素材創(chuàng)建校園的地形、湖泊、植被等，在保障虛擬仿真效果的同時(shí)降低建模工作的強(qiáng)度和復(fù)雜度。構(gòu)建校園三維場景模型的主要流程是：測繪校園→構(gòu)建模型→檢測和優(yōu)化模型→材質(zhì)貼圖→烘焙渲染。

1.1 前期準(zhǔn)備

測繪校園作為三維建模的前期準(zhǔn)備工作，為構(gòu)建模型提供豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)和強(qiáng)有力的效果對(duì)比，主要包括勘測校園、繪制CAD 平面圖和立面圖。利用各種測量工具（如激光雷達(dá)、攝像機(jī)等）勘察校園場景布局，收集處理勘測數(shù)據(jù)，利用收集到的信息按1：100 比例繪制建筑物草圖和校園布局圖，并采集各視角的校園景觀圖作為參照，使構(gòu)建的模型更接近于實(shí)物，提高系統(tǒng)的仿真效果。

1.2 創(chuàng)建模型

素材收集好后，選擇最優(yōu)方法快速有效地構(gòu)建單體模型。模型可以逐一載入到Unity 3D 中整合，也可以導(dǎo)入到同一個(gè)三維場景中整合，且以對(duì)象為單位進(jìn)行單體建?？梢蕴岣呓＿^程中視圖的透視度，便于增加細(xì)節(jié)和部分重建，降低系統(tǒng)功耗和建模操作的復(fù)雜度，更易于后續(xù)設(shè)置人與模型間的交互。但建模中使用的單位和比例必須一致；將CAD 圖導(dǎo)入Max 中作為參照圖，提取建筑物的幾何特征并分析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用Edit Poly、Edit Mesh 等建模技術(shù)從點(diǎn)、線、面著手創(chuàng)建模型，布線清晰，盡量使用四邊面并控制模型的點(diǎn)面數(shù)，實(shí)現(xiàn)二維圖映射到三維立體模型[3-4]；建模過程中嚴(yán)格按照物體的實(shí)際縮放比例構(gòu)建，避免模型變型，增強(qiáng)擬態(tài)場景的沉浸感和代入感[5]。

1.3 優(yōu)化模型

虛擬現(xiàn)實(shí)在仿真過程中強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和交互性[1]。此系統(tǒng)須具備高響應(yīng)能力，應(yīng)從以下方面規(guī)范優(yōu)化模型：盡量控制模型的點(diǎn)面數(shù)，刪除沒有外露的元素，如看不見的底面、重面，刪除對(duì)模型結(jié)構(gòu)不起作用的點(diǎn)線面，同時(shí)合并斷開點(diǎn)、移除孤立點(diǎn)；可以復(fù)制的模型盡量復(fù)制，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的模型充分利用鏡像功能制作，模型的點(diǎn)與點(diǎn)之間要對(duì)齊，點(diǎn)之間不能有縫隙或錯(cuò)位，避免漫游場景時(shí)出現(xiàn)閃面、破面或交叉面；對(duì)于有重疊結(jié)構(gòu)且邊緣無需用貼圖細(xì)致表現(xiàn)的模型，采取落搭的方式制作；模型網(wǎng)格應(yīng)盡量是分布均勻的四邊面或三邊面[6]，為賦予模型材質(zhì)貼圖奠定基礎(chǔ)，模型導(dǎo)入引擎中也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為規(guī)整三邊面，減少渲染過程產(chǎn)生的鋸齒和閃爍；模型的復(fù)雜構(gòu)造盡量由貼圖補(bǔ)充展現(xiàn)，使用渲染到紋理、渲染曲面貼圖、渲染法線貼圖等烘焙方法代替建模方式實(shí)現(xiàn)；模型的命名要規(guī)范，不使用中文，也不重名，避免模型導(dǎo)入到Unity 3D引擎時(shí)出錯(cuò)。

1.4 材質(zhì)貼圖

良好的材質(zhì)可以彌補(bǔ)模型先天的粗糙與不足，使用紋理映射技術(shù)為模型賦予貼圖，可以增強(qiáng)模型細(xì)節(jié)特征和仿真效果。Unity 3D不支持3Ds Max 中的大部分材質(zhì)類型，可以支持Standard 和Multi/Sub-Object 材質(zhì)中的Diffuse Color 以及Self-illumination貼圖通道[7]，但只支持Bitmap 貼圖類型。光照不同時(shí)材質(zhì)所呈現(xiàn)的特征和紋理也不盡相同。為了避免場景中光傳遞、光線跟蹤等計(jì)算消耗大量資源，模型外形的色相、飽和度、亮度直接由Bitmap 貼圖呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)擬態(tài)場景中光線與模型材質(zhì)的和諧統(tǒng)一。首先，使用“UVW 展開”修改器或展UV 專用軟件如Unfold3D、UVLayout等將模型的曲面展為平面，將展好的UV 渲染成UVW 模板，保存為.tga 格式或.png格式的圖像；其次，將UV 模板圖導(dǎo)入繪圖軟件Photoshop 或Illustrator 中，根據(jù)需求繪制材質(zhì)貼圖；最后，將繪制好的貼圖通過材質(zhì)位圖通道賦給模型，實(shí)現(xiàn)二維平面精準(zhǔn)映射到三維模型的立體表面上。另外，材質(zhì)和貼圖的命名應(yīng)該與模型對(duì)應(yīng)，貼圖文件的尺寸必須是2n，從呈現(xiàn)的效果和占用的資源綜合考慮，貼圖尺寸通常不超過1024 px×1024 px[7]，如果有特殊需求可以調(diào)整尺寸。展UV 時(shí)，必須遵守以下規(guī)則：UV 區(qū)塊應(yīng)該盡量分成較大的區(qū)塊；盡量減少UV貼圖的變形、扭曲和拉伸，可以使用棋盤格檢測；UV 必須在有效方形區(qū)域內(nèi)，充分利用空間合理布局，不可重疊；必須保持UV區(qū)塊間比例大小。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)

基于校園實(shí)景的虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)流程見圖1，每個(gè)流程環(huán)環(huán)相扣、緊密銜接。項(xiàng)目實(shí)施過程中將流程拆分成“積木”，對(duì)每個(gè)“積木”進(jìn)行制作整理。

圖1 基于校園實(shí)景的虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)流程

2.1 3Ds Max與Unity 3D銜接

Unity 3D 中使用3Ds Max 構(gòu)建的模型，須注意以下幾方面：確保模型的軸心與中心一致，物體模型的軸心不一定在自身的中心，導(dǎo)出前需將模型的軸心與中心對(duì)齊重合；確保模型的貼圖可用，Max 中構(gòu)建好的模型以Autodesk（*.FBX）格式導(dǎo)出，在導(dǎo)出設(shè)置中“嵌入媒體”，所使用的貼圖將隨模型一并導(dǎo)出，再將導(dǎo)出的FBX 文件存放于該Unity 項(xiàng)目下的Assets 文件夾中，載入模型時(shí)將自動(dòng)生成貼圖文件，模型也自動(dòng)顯示貼圖材質(zhì)；導(dǎo)出模型時(shí)需修正坐標(biāo)，確保Unity 3D加載模型時(shí)坐標(biāo)正確，Unity 3D采用標(biāo)準(zhǔn)的笛卡爾坐標(biāo)系，是左手坐標(biāo)系，而Max 采用右手坐標(biāo)系，導(dǎo)出模型時(shí)必須將軸轉(zhuǎn)化的向上軸改為“Y-up”[8]。

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施

創(chuàng)建Unity 3D 項(xiàng)目，導(dǎo)入SDK，添加Terrain 對(duì)象根據(jù)校園的地理信息創(chuàng)建地形；加載三維場景模型，模型按實(shí)際位置放置，搭建校園的擬態(tài)環(huán)境，盡可能真實(shí)地反映校園環(huán)境，包括建筑物的外形、顏色、紋理，道路的路徑，樹木的位置和形狀等。依據(jù)模型的形狀和剛體特性，為各模型添加不同類型的碰撞體組件，如Box Collider、Mesh Collider 等，在Unity 3D中添加的3D對(duì)象自帶碰撞體。樓宇的外形結(jié)構(gòu)類似長方體，選擇為其添加Box Collider，避免用戶漫游場景時(shí)發(fā)生穿透現(xiàn)象，并添加VR Interactive Item事件，做好人機(jī)交互活動(dòng)的準(zhǔn)備工作，見圖2。

圖2 Box Collider的設(shè)置

在工程項(xiàng)目中，導(dǎo)入Standard Assets、Enviromment資源包，直接使用資源包中花草樹木的素材搭建校園景觀。花草樹木具有自然的光影且隨風(fēng)搖擺，在構(gòu)建景觀時(shí)一定要控制植被的數(shù)量，以免占用太多資源影響實(shí)時(shí)效果的呈現(xiàn)；運(yùn)用資源包中的Water素材構(gòu)建波光粼粼的湖泊，并加載Bridge 中的模型補(bǔ)充完善擬態(tài)環(huán)境；再導(dǎo)入Sky.unitypackage 天空素材包，設(shè)置天空背景并調(diào)整燈光，使光影與日照協(xié)調(diào)，擬態(tài)場景符合現(xiàn)實(shí)景觀；然后確保將與用戶發(fā)生交互行為的所有模型添加碰撞體組件。同時(shí)，創(chuàng)建并利用攝像機(jī)StartCamera 設(shè)置導(dǎo)航起始點(diǎn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)航路線；使用SendMessage函數(shù)提供指引和指示功能，顯示路線提示信息及樓宇功能信息等，宣傳校園人文文化；通過Button 控件組收集用戶的動(dòng)態(tài)反饋信息，選擇觸發(fā)不同事件。

用戶與導(dǎo)航系統(tǒng)的交互主要通過用戶的注視行為模擬實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)航系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)時(shí)獲取用戶眼睛的聚焦點(diǎn)，以確定用戶在擬態(tài)場景中的位置和移動(dòng)軌跡，同時(shí)利用捕獲到的碰撞檢測信息觸發(fā)交互事件，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互，實(shí)時(shí)切換場景中的3D畫面，完成交互細(xì)節(jié)。用戶與導(dǎo)航系統(tǒng)的交互流程見圖3。

圖3 用戶與導(dǎo)航系統(tǒng)的交互流程

用戶與導(dǎo)航系統(tǒng)的交互實(shí)現(xiàn)如下：創(chuàng)建VR Eye Raycaster、VR Input 和VR Interactive Item 類處理用戶與系統(tǒng)的交互事件[9]。將VR Eye Raycaster 掛在主攝像機(jī)StartCamera（見圖4），每次調(diào)用Update()時(shí)向用戶凝視的方向發(fā)射一條射線，再調(diào)用Physics.Raycast()檢測射線是否擊中場景中的某個(gè)碰撞體[10]。當(dāng)射線擊中碰撞對(duì)象時(shí)，在被擊中的對(duì)象上查找VR Interactive Item（Script）控件，判斷用戶聚焦的目標(biāo)對(duì)象，顯示提示信息，根據(jù)用戶的反饋動(dòng)作觸發(fā)后繼的響應(yīng)事件；否則根據(jù)用戶聚集點(diǎn)的靠近，沿導(dǎo)航路線模擬用戶移動(dòng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呈示擬態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。

圖4 攝像機(jī)上的主要控件

這系統(tǒng)在PC端進(jìn)行功能開發(fā)，測試通過后再移至VR 端。VR Input 控件在直接注冊監(jiān)聽事件的同時(shí)，需能夠兼容動(dòng)作發(fā)生源，可以是Gear VR上輸入觸發(fā)的click 事件、taps 類事件和swipes 事件[11]，也可以是使用Oculus Rift 時(shí)專為PC 端準(zhǔn)備的鼠標(biāo)鍵盤的輸入事件。

2.3 運(yùn)行調(diào)試

完善虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)行測試，修正錯(cuò)誤，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行具有低時(shí)延、高仿真的效果，具備人性化操作功能，最后導(dǎo)出APK文件。以Android應(yīng)用平臺(tái)為例，安裝Android Build Support 和Java SDK、Android SDK Tools 插件搭建發(fā)布平臺(tái)，將導(dǎo)航系統(tǒng)打包成APK 安裝包，安裝運(yùn)行于手機(jī)終端，再佩戴上VR 眼鏡測試體驗(yàn)效果，發(fā)現(xiàn)問題和不足，及時(shí)調(diào)試并改進(jìn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行效果

以閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)參照校園的平面圖，利用三維可視化建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)施整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)建了與校園實(shí)景幾乎一致的擬態(tài)環(huán)境，在擬態(tài)校園里花草樹木搖曳生姿、湖面波光粼粼，完全符合自然景觀。用戶佩戴VR 眼鏡即可突破時(shí)空的限制以第一人稱的視角沉浸式地游走于校園，達(dá)到身臨其境的體驗(yàn)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)以學(xué)校西門為導(dǎo)向起點(diǎn)，通過用戶眼睛的凝視行為指引導(dǎo)航系統(tǒng)沿規(guī)劃路線呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)3D 畫面，展現(xiàn)校園立體風(fēng)光；當(dāng)系統(tǒng)捕捉檢測到用戶駐足注視某個(gè)建筑物的行為時(shí)，系統(tǒng)提供此建筑物的關(guān)鍵信息，激發(fā)用戶深入了解的興趣，利于宣傳學(xué)校的人文景觀和辦學(xué)理念。