基于虛擬展廳的學生作品展示系統設計與實現

孟慶軒 劉洋 趙海峰

摘 要： 在分析學生圖像作品與動畫作品展示方式的基礎上，基于虛擬現實技術與Unity3D開發工具，設計并完成了一個基于虛擬展廳的學生作品展示系統。重點論述了利用3ds Max進行虛擬展廳的模型制作和利用Photoshop進行虛擬展廳的貼圖制作，利用Unity3D平臺完成虛擬展廳的第一人稱自由瀏覽的交互式開發，并對整個開發流程與關鍵技術進行了探討。

關鍵詞： 虛擬展廳； 學生作品展示； Unity3D； 自由瀏覽

中圖分類號：P209 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-41-03

Design and realization of virtual student works show system based on virtual exhibition

Meng Qingxuan， Liu Yang， Zhao Haifeng

（Beijing Morden Vocational and Technical College， Beijing 101300， China）

Abstract： After analyzing the current students' image and animation works display mode， based on virtual reality technology and Unity3D development tools， students' works show system is designed and realized based on the virtual exhibition. Both the models making of virtual exhibition by 3ds Max and corresponding textures making by Photoshop are introduced in detail. The interactive development for the free browsing of virtual exhibition from first person is elaborated using Unity 3D. Some of the key points of technique during the whole development process are expounded.

Key words： virtual exhibition； student works show； Unity3D； free browsing

0 引言

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實技術已經廣泛應用到了各個領域，通常用于對某一真實場景的虛擬或還原，并可以根據設計者的意圖完成真實世界中無法的操作或展示[1]。

現階段我計算機應用技術專業的學生已設計并完成了若干優秀的專業作品。對于靜態作品，如Photoshop作品可以通過打印展覽的方式進行展示，而對于動畫作品，如：flash動畫作品、3ds Max動畫作品，并不能采取這種方式進行展示。針對以上問題，本文介紹了以Unity3D為技術手段采用虛擬現實技術實現的一個虛擬展廳，實現對學生的圖像作品與動畫作品的第一人稱交互式自由瀏覽。

1 Unity3D介紹

Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開發的多平臺的游戲開發引擎，是一個全面整合的專業游戲制作工具。它的最大特性就是出色的夸平臺性，用Unity3d制作的游戲軟件或虛擬現實系統發布在PC、Mac、Android以及微軟、任天堂、索尼這些公司推出的主流家用游戲機平臺上，一經推出就受到了游戲和虛擬現實開發人員的青睞，成為近幾年發展極快的一款3D制作引擎。此外，Unity3D也可以用于開發基于虛擬現實技術的展示系統，并廣泛應用于旅游、醫療等很多領域[2]。

2 系統概述

本系統的虛擬展廳設計分為四個部分：學校與計算機專業展示部分、flash動畫作品展示部分、3ds Max靜態與動畫作品展示部分、indesign靜態作品展示部分。

根據學生的作品風格，設計了展廳的外觀與布局。所實現的功能主要有：①對于虛擬展廳場景第一人稱的自由瀏覽；②學生動畫作品的交互式瀏覽；③每個場景的搭建與載入。

在具體開發過程中，首先對于展廳的模型部分采用3ds Max進行建模，之后對于展廳的貼圖采用Photoshop進行制作，最后將展廳模型、展廳貼圖、要展示的作品導入到Unity3D中并進行特效添加與交互式開發和最終系統的發布。

3 系統實現

3.1 展廳模型的制作

由于Untiy3D系統中的單位是米，并且Unity3D與3ds Max的系統單位比例為100：1，所以為了便于以后將模型導入到Unity3D中進行系統開發，首先將3ds Max軟件的系統單位比例與顯示單位比例都設置為厘米，之后根據展廳的設計進行建模，在建模時重點在于把握模型的尺寸比例，一定要與真實世界的尺寸比例一致。在建模時需注意以下幾點：①為了提高系統的運行效率，需要盡量減少模型的面數并刪除模型中看不見的面與多余的頂點；②模型之間不能出現相互重疊的面與破面；③根據需要調整模型軸心；④模型的命名與材質的命名都必須是英文名字[3]。

3ds Max做好的模型需要借助插件導出為FBX格式，導出時需要注意設定向上軸為Y軸，這主要是因為Unity3D中的默認軸Y軸是向上的。

3.2 展廳貼圖的制作

展廳貼圖的制作與展廳模型的制作一般同步進行，為了盡可能地優化系統性能，展廳的許多細節需要通過貼圖來表現，例如：展廳的地板紋理都是通過貼圖來進行刻畫的。對于模型的貼圖一般需要通過3ds Max進行UV展開，之后在Photoshop中完成貼圖的制作。為了提高系統性能，需要盡量減少貼圖個數即使用量。這是因為在最終導入到Unity中時，每一個材質球都使用一張貼圖。貼圖數量越多就需要越多的材質球進行材質表現。同一個場景模型中，所需的材質球越多，系統性能越差。

為了要減少貼圖的使用量，需要將貼圖進行合并。合并的原則是同一材質的貼圖可以合并到一起，此時只需要制作模型的漫反射貼圖即紋理貼圖，對于反射與折射等效果需要在Unity3D中完成。例如：可以將學生的靜態作品分類合并到一張貼圖中，也可以將展廳墻體的貼圖合并到一張貼圖中。

3.3 展廳的交互式開發

⑴ 展廳場景漫游主要實現了基于鍵盤的控制，能讓用戶通過第一人稱的方式在虛擬展廳的場景中自由瀏覽。其中，可控制的第一人稱游戲物體是由一個具備了Character Controller組件、Audio Source組件和Camera子物體的游戲物體來擔當，通過腳本來實現它的自由行走。具備Character Controller組件可以控制此游戲物體的移動、具備Audio Source組件可以讓用戶實時聽到場景中的音效與學生動畫作品的聲音[4]。

系統實現了用戶點擊鍵盤上的A、D進行旋轉；點擊鍵盤上的W或光標控制上鍵向前移動；點擊鍵盤上的S或光標控制下鍵向后移動；點擊光標控制左鍵與光標控制右鍵向左和向右移動。其中Rotate虛擬鍵對應鍵盤上的A、D，Vertical虛擬鍵對應鍵盤上的W、S、光標控制上鍵、光標控制下鍵，Translate虛擬鍵對應光標控制左鍵、光標控制右鍵。最終第一人稱的移動通過CharacterController組件的SimpleMove（）方法來完成，第一人稱的旋轉通過Transform組件的Rotate（）方法來完成。

⑵ 學生動畫作品的交互式展示主要實現了用戶控制的第一人稱游戲物體對動畫作品碰撞的檢測與動畫的播放。

采用數組的形式存儲學生的flash作品，通過觸發器的碰撞檢測確定碰撞到的場景中的物體，并通過循環檢測碰撞到的物體對應的flash作品，通過鼠標點擊圖片按鈕來控制學生flash作品的播放、暫停與停止。在播放學生flash作品的時候不進行場景的渲染并禁用鍵盤操作以實現全屏放映，停止學生flash作品的播放時再次渲染展廳場景并回復鍵盤的操作。

⑶ 場景切換。

本系統共包括三個場景：系統開始場景、系統關于場景與展廳場景。系統首先進入系統開始場景，之后通過鼠標點擊界面按鈕的方式進入其他兩個場景。

其中的每一個界面元素，如背景、按鈕等都作為獨立的圖片導入到Unity3D中。Unity3D支持透明通道，所以可以將界面元素通過PS等二維軟件繪制成各種形狀并將圖片背景設置為透明即可。之后通過Unity3D中的GUITexture組建完成界面的搭建，對于場景的載入需要通過腳本完成[5]。點擊進入系統按鈕載入展廳場景，點擊關于系統按鈕載入系統關于場景，點擊退出系統按鈕關閉系統界面。

3.4 展廳的優化

⑴ 光照貼圖技術的使用。為了增加系統的真實性，需要生成物體的陰影。實時陰影會消耗大量的系統資源，為了提高系統的性能，對于場景中大量不移動的物體，可以采用Unity3D中的光照貼圖技術。例如展廳外面場景中的樹木，可以通過Unity3D中的lightmap（光照貼圖技術）將場景的陰影信息寫入到相應的文件中，在場景的運行期間實時調用，可以節省大量的系統資源。本系統展廳場景的主光源是Directional Light，在使用上，①首先檢查將要烘培的模型上是否存在一個合適的用來定位光照貼圖的UVs，如果不存在，可以從mesh import settings面板中的勾選Generate Lightmap UVs選項來生成一個用于定位光照圖UV的集；②在物體面板中將要烘培光照貼圖的物體設置為Static，這樣Unity就會知道哪些物體是需要被烘培的；③選擇Window->Lightmapping打開光照圖工具窗口進行設置，點擊Bake，等待烘培完成即可[6]。

⑵ 遮擋剔除技術的使用。Occlusion Culling，即遮擋剔除。當使用遮擋剔除時，會在渲染對象被送進渲染流水線之前，將因為被遮擋而不會被看到的隱藏面或隱藏對象進行剔除，從而減少了每幀的渲染數據量，提高了渲染性能。對于本虛擬展廳而言，攝影機并不能每幀都看到場景的全部，可以采用遮擋剔除技術來進行優化。在本系統展廳場景中應用了遮擋剔除技術，在使用上，①對于場景中的小物體或者透明物體設置為Occludees Static，對于其他靜止的物體設置為Occlusion Static；②打開Window->Occlusion Culling，不用創建遮擋區域，遮擋剔除將應用到整個場景，點擊Bake，等待烘培完成即可[7]。

3.5 展廳的發布

本系統的最終發布版本為網頁平臺，點擊File->Building Setting，將本系統的三個場景拖動到窗口的Scences In Build中，并保證系統開始場景處于序號0的位置；在窗口中選擇Streamed選項使得場景可以通過流的方式從服務器進行下載；設置屏幕寬為800，屏幕高為600；設置完成后點擊Bulid即可完成發布。

發布后，通過修改發布生成的html代碼可以定義加載屏幕的外觀，包括logo以及進度條等[8]。設置如下：

var config = {

width： 800，

height： 600，

params：

{ backgroundcolor："f3fd81"， //加載期間，顯示的背景顏色

logoimage："image/logo.png"， //自定義logo

progressbarimage："image/bar1.png"， //加載期間，進度條圖片

progressframeimage："image/bar2.png"， //加載期間，幀進度條圖片

disableContextMenu：true， //禁止鼠標右鍵操作

disableFullscreen：true //禁止全屏

}

完成以上設置后，就完成了最后的發布工作。最終完成的系統如圖1、圖2和圖3所示。

4 結束語

本文探討了使用Unity3D平臺開發一個基于虛擬展廳的學生作品展示系統，重點討論了模型的制作、貼圖的制作、交互式開發等技術關鍵點。對于本系統而言，將更多有趣的互動引入到系統中，進而提供更加友好的交互將成為下一步研究的重點。

參考文獻：

[1] 歐陽攀，李強，盧秀慧.基于Unity3D的虛擬校園開發研究與實現[J].

現代電子技術，2013.4：27-30

[2] 蔡翊.基于Unity3d的金絲峽地質公園虛擬旅游系統的研究與實現[D].

西安科技大學，2012.

[3] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜等.Unity3d產品虛擬展示技術的研究與應用[J].

數字技術與應用，2010.9：56-57

[4] 朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統[J].計算機系統應用，

2012.10：38-41

[5] 干建松.基于Unity3d的室內漫游仿真系統[J].淮陰師范學院學報：自

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[6] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜等.Unity3d產品虛擬展示技術的研究與應用[J].

數字技術與應用，2010.9：56-57

[7] 呂蓮.基于3ds MAX建模技術的校園建筑漫游的實現[J].南京工業

職業技術學院報，2010.2：53-56

[8] 王星捷，李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J].計

算機技術與發展，2013.4：247-250