基于虛擬現實技術的3D智慧校園設計與實現

王宇琛 黃蓋先 艾鴻

摘 要： 以上海海洋大學為例，基于虛擬現實技術設計出與現實校園相近逼真的虛擬環境，用戶通過計算機的操控與該虛擬環境進行交互，實現對智慧校園的控制。利用Auto Maya、Photoshop、Illustrator等建模、美化軟件，進行校園建筑數據獲取、3D模型的建立以及貼圖紋理的映射等；利用Unity 3D引擎進行用戶交互設計，建立起大學實際仿真景觀的3D智慧校園。在此基礎上，還實現了小地圖的展示、界面多參數的調控、界面定位等個性化功能。

關鍵詞： 3D智慧校園；虛擬現實技術；Auto Maya建模；Unity3D引擎

中圖分類號：TP393 文獻標識號：A 文章編號：2095-2163（2015）02-

Design and Interaction of 3D Digital Campus based on Virtual Simulation Technology

WANG Yuchen1，HUANG Gaixian2，AI Hong2

（1 College of Economics and Management，Shanghai Ocean University， Shanghai 201306，China；

2 College of Information Technology，Shanghai Ocean University， Shanghai 201306，China）

Abstract：Taking Shanghai Ocean University as a studying project， an intelligent 3D campus which is very close to the reality， is designed based on Virtual Reality Technology. Users can interact with this virtual environment by computer， and realize the control of this intelligent campus. Using some modeling， picture processing and engine software such as Maya， unity3D， Photoshop and the Illustrator， the functions of this intelligent 3D campus and the interaction between users and the environment are implemented through a series of steps including collecting data of the building ， establishing the 3D model， texture mapping and the design of the interaction. In the meantime， the paper also achieves some personalized functions， such as showing the map， controlling multiparameter of the interface， and locating.

Keywords：Intelligent 3D Campus； Virtual Reality Technology； Auto Maya Modeling； Unity3D Engine

0引 言

當今，虛擬現實技術已進入了成熟發展期，由此帶動了信息數字化的強勢推進。“數字校園”的概念也隨之應運而生。而在此基礎上衍變更新的“智慧校園”甫一面世，即已成為學界寵兒，獲得了多方的矚目及關注。“智慧校園”是通過對于校園的三維建模，在計算機中構建出校園的整體模型，而后通過一些交互手段來實現用戶對于數字校園的操控，具有信息集中化、界面可視化、操作簡便化等優勢特征。目前大部分學校均已展開有關3D數字校園建設的研究，本文即在此背景下，推出一套設計方案，致力于為各所高校的校園數字化建設提供一種更加可靠高級的建模與交互方法。

傳統的平面地圖以及簡單的用戶操作體驗已經逐漸難以滿足用戶日益增長的需求。本文即以上海海洋大學為案例，設計出的3D智慧校園不僅可以使校內的同學輕松在自己的電腦上模擬行走學校路況，熟悉地形以及各個建筑物的用途，有效利用學校各種資源。不僅如此，還可以將其作為一個對外宣傳推廣的平臺，對外界更加真實立體地傳播校園的實際情況，使人們有如身臨其境，并獲得有關學校的直接貼切的第一手珍貴觀感。與此同時，本文也提供了一個效果良好的3D智慧校園實際案例，在建模、貼圖、引擎以及用戶操作方面，都具有一定的創新價值。

整個軟件主要由三維建模以及引擎設計兩個方面來完成。在建模方面，Vega， AutoCAD ， 3D MAX， ArcGIS， CCGIS， Maya， VRP等都是各具特點的建模軟件。這些軟件或技術在三維數字校園的開發上，其在諸如開發成本、建模速度、建模精度、數據量、工作量、逼真度、沉浸感、實時性、交互性、兼容性、開發周期、實現的難易程度等方面均是各有優劣，難判高下。具體使用時，則需根據實際情況來進行判斷。而智慧校園模型的貼圖以及引擎的搭建也已有多款軟件可供研究者自主選擇使用 [1-2] 。

結合開發成本、開發周期、以及學校的一些特殊情況，本項目選擇了真實感、操作感、沉浸感等方面更勝一籌的maya為基礎先建立起模型，然后通過Photoshop以及Illustrator進行美工圖片處理，最后利用Unity 3D作為整個數字校園的運行引擎來最終實現上海海洋大學的3D智慧校園。

1 軟件功能與規劃

1.1 軟件實現流程

（1）需求分析與功能構想。該流程是整個項目的關鍵，不僅需要考慮項目最終達到的效果，即傳遞智慧校園在時下學生校園生活的應用便利，還需要多方面考慮完成項目所需的人力、物力、時間，由此制定完善的項目設計規劃；

（2）采集校園建筑數據、平面圖。通過google地圖等工具，多角度采集校園平面數據圖，該流程是隨后建立模型的基礎，模型的比例、模型的材質都與采集的素材密切相關；

（3）基于Auto Maya進行3D建模；

（4）利用Photoshop等軟件制作模型與貼圖。一方面為前期制作的3D模型選擇材質、繪制紋理貼圖，另一方面為Unity引擎設計的軟件設計界面UI；

（6）評價調試與功能拓展。Bug檢測與功能改善。

1.2 軟件模塊架構分述

1.2.1建模模塊

校園模型構造大體分為三個階段，如圖1所示。

圖1數字模型的設計步驟

Fig.1 Design steps of the digital model

1.2.2 基于Unity3D引擎設計模塊

在3D建模初具所成之后，便可以開啟Unity3D引擎的搭載進程，其界面顯示以2D與3D相結合的手法實現，用戶導航等功能界面將以2D、GUI進行設計，而在3D虛擬環境中則以3D進行布局。在此過程中，可以將前期Maya中設計的模型導出為obj格式或者fbx格式，導入到Unity3D引擎中進行程序控制。整個程序功能模塊如圖2所示。

圖2程序功能模塊圖

Fig.2 Functional modules of the program

1.3 功能實現

基于3D引擎的搭載主要實現以2D界面的形式宣傳與介紹校園信息，以3D模式進行虛擬環境用戶操控與體驗，且重點以3D功能搭建為例進行介紹：實現以第三人稱視角控制虛擬人物在數字校園環境中的游覽；以基本符合現實的比例構建數字校園環境，力求自然、逼真；構建數字校園水環境，包括不同透明度和折射度的湖、噴泉、瀑布等；仿真多種物理效應，諸如從高空墜落的重力效應、剛體碰撞試驗、對于樓梯還是墻壁的分析以判定其是否可以向上攀爬等機制；營造環境3D聲效，增強現實感；大小地圖切換、定位、導航等基于虛擬數字校園的功能模塊；模擬一天24小時不同時間段的光線的環境氛圍。

2 校園3D建模的設計

2.1數據資料的收集

在數據資料的收集中，上海海洋大學各個教學樓的設計圖紙，實地照片，Google earth的俯視圖，地形圖，剖面圖等，這些都可以作為后期建模的基本數據。學校各建筑的平面圖則如圖3所示。

圖3學校各建筑的平面圖

Fig.3 Plans of different buildings in school

2.2多邊形建模實例

在Maya建模中，大量的運用布爾操作，而布爾操作具體來說可分為三種，分別是：Union， Difference， Intersection。在建模過程當中，樓梯的制作也是通過多邊形建模的整合進行實現的，多個立方體的參數設置如表1所示。

表1長方體的參數設置

Tab.1 Parameter settings of the cuboid

長方體

Scale x

Scale y

Scale Z

Translate

A

4

6

10

（1，2，0）

B

6

3

3

（0.155，6.4，-0.5）

如果要做11階臺階。Y方向每一次改變（6.4-0.8）/11=0.5，Z方向每一次改變[6.4-

（-0.5）]/11=0.6，于是就有11組數據，具體將代表11個長方體的位置。之后，多次使用Mesh->Booleans->Difference命令即可得到樓梯，如圖4所示。

圖4所得樓梯效果圖

Fig.4 Design sketch of stairs

2.3 材質與紋理貼圖

在對模型建模以后，便要對建模設定材質，選取貼圖。材質是指定制物體對燈光所做出的自然折射狀態。而貼圖則表示物體表面的色彩，好的貼圖會增加物體的真實性，逼真性。Maya中常用的材質如表2所示。

表2 Maya中主要的材質

Tab.2 Main materials in Maya

名稱

特點

應用

Lambert

無光澤，無亮點

應用在紙，土壤等質感

Phong

光亮透明光滑

應用在塑料，玻璃或金屬等材質上

Phong E

是對Phong的升級

應用和phong類似

Blinn

更為真實，渲染慢

在金屬的應用上比phong更好

Anisotropic

適合表面有紋理的質感上

CD，毛發或絲絨等

貼圖主要分為2D的和3D貼圖，如表3所示。

表3 Maya中的主要貼圖

Tab.3 Main body paint in Maya

種類

作用

Color（色彩）

顯示材質的顏色效果

Transparency（透明度）

調節材質的透明度

Incandesence（白熱光）

能讓物體表面看起來相愛那個發光的效果

Bump（凹凸）

主要是利用貼圖上的紋理來改變表面上的法線

Displacement（置換）

Displacement和 Bump最大的不同是Displacement Map 會實際改變物體的外形。

Diffuse（散射）

決定了表面吸收光及向四周散射光的數量

Translucence

產生半透明的效果，讓材質可以由燈光產生穿透或是散射的能力

Specular

指的是鏡面反射率

Reflectivity

制作金屬反射出環境四周的效果

在Maya中的2D貼圖主要分為3種方式：Normal，Projection和Stencil；這些不同的貼圖方式，主要用來處理貼圖和物體表面之間的關系。而本文獲得貼圖的主要步驟為：獲取UV——>將UV導入到PS中->根據UV繪制貼圖[3]。

3 基于Unity3D引擎的校園人機交互的搭建

3.1 主場景設計與實現

利用人物模型，模擬真實的場景效果。主界面右下角為場景中的應用菜單，具體如圖5所示。

圖5軟件主界面效果圖

Fig.5 Main interface design sketch of the program

3.1.1 小地圖導航的設計與實現

在主界面的左下方是場景中的小地圖模式，點擊地圖按鈕后，小地圖便將從最左邊呈現出來如圖6所示的效果。

圖6小地圖效果圖

Fig.6 Design sketch of the map

圖中圓點表示人物在校園中所在的位置，同時小地圖右邊的的“+”與“-”符號按鈕，通過“-”符號按鈕可以調節小地圖的視野范圍。

小地圖的設計原理：采用在場景中另設一個攝像頭的機制，將新設立的攝像機命名為camera0，而將原主場景中的攝像機設為main camera；Main Cameara負責主場景中景色的渲染；再將Camera0攝像機放在高空中，其鏡頭對向地面，小地圖的成像實際就是高空攝像機對地面的投影；此后再將攝像機的X、Z坐標與場景角色的X、Z坐標完成綁定，由此就實現了小地圖的設計[4]。

3.1.2 Unisky 插件的有效使用

利用Unisky插件可以在場景中模擬不同的天氣，不同的時間段場景中的景色，其視像可如圖7所示。

圖7不同時間段，不同天氣情況下的效果圖

Fig.7 Design sketch of different times and weathers

3.1.3 設置界面多參數的調控

設置界面中，有五個參數是可以調控的，分別是音效、音樂、行走速度、旋轉速度以及時間軸。研究中采用滾動條的方式進行調控，如圖8所示。

圖8界面參數調控效果圖

Fig.8 Design sketch of the interface parameterss control

由圖8可見，左下角的與時間同步滑動條是可以調控的，以決定進入場景時的時間景色是否與系統時間保持一致，由此看家在不同時間段進入各自場景中的呈現均是不同的。

3.2 角色操縱與調控

3.2.1角色移動控制程序。

首先判別控制的角色是否在地面，倘若處于地面，則可以通過按鍵控制角色移動，同時調用封裝好的角色行走動畫。實現代碼如下：

if （controller.isGrounded == true）{

if （Input.GetKey （KeyCode.W））{

animation.CrossFade（"01_Cool Walk"）；

Vector3 forward = transform.TransformDirection（Vector3.forward）；

controller.Move（forward * movespeed *Time.deltaTime）；

同時，也可以對人物失重后的預設場景，模擬重力加速度，代碼如下：

movedirection.y -= gravity * Time.deltaTime；

controller.Move（movedirection * （Time.deltaTime * 2））；

通過以上代碼便實現了利用鍵盤W、A、S、D鍵對場景中任務的控制。此外，配合Unity引擎自帶的Smothfollow腳本，將會使main camera總是跟隨場景人物移動。

3.2.2 角色視角調控

滑輪調節遠近視角、Q、E鍵調解視角的高低，代碼如下：

varscrollkeyspeed = 5（定義滑輪速度）

if（Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） ！= 0）{

distance = distance + Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"） * Time.deltaTime * scrollkeyspeed * 80；}

if （distance < 10）{distance=10；}

if （distance > 40）{distance=40；}

3.2.3剛體碰撞試驗與重力效應模擬

剛體碰撞參數設置如圖9所示。

圖9剛體碰撞參數設置

Fig.9 Parameter settings of rigid body collision

在設置模型時勾選generate colliders，從而給模型添加剛體，這樣當場景中的人物接觸建筑時，便不會穿過建筑了。

利用下面的條件語句可判斷人物是否落地：if （controller.isGrounded == true）{}倘若人物沒有落地，則movedirection.y -= gravity * Time.deltaTime；否則，人物即可判定為落下。

另外，也可以定義浮點型變量gravity作為重力系數，重力系數越大，人物落下去的速度越快。也就是，將以此來模擬人物的降落特效[5]。

4 結束語

文中基于Auto Maya 3D建模與Unity3D引擎搭載，提出了構建3D校園虛擬與現實人機交互的新思路。該平臺對于各大高校建立數字校園具有很強的指導意義，功能拓展性強，可以將校園信息與3D數字校園進行有機結合，甚至可以與時下電子商務彼此結合。該項目對于高校實用性強，可提高學校的知名度與推廣度。日后可以進一步深入挖掘U3D的功能與應用，其研究成果將具有良好的應用前景。本文研究給3D數字校園環境與用戶間開拓了一種較為新穎的交互思路，為虛擬現實技術在校園中的實際應用提供了一種可用性較高的實現模式。

參考文獻：

[1] 李芳，肖洪，楊波，周亮，劉宇鵬.三維數字校園的設計與實現[J].系統仿真技術，2010（1）：71-75.

[2] 王國棟，任鋼.基于虛擬現實技術的應急推演沙盤系統的設計和實現[J].軟件，2012（8）：23-27.

[3]（美）米德，（美）阿瑞馬.Maya 8完全學習手冊[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] 亞峰，于復興. Unity3D游戲開發技術詳解與典型案例分析[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[5] 宣雨松.Unity 3D游戲開發[M].北京：人民郵電出版社，2012.

基金項目：上海市大學生科創項目（B-5106-13-0005）。

作者簡介：王宇琛（1992-），男，山東濟寧人，本科生，主要研究方向：國際經濟與貿易；

黃蓋先（1994-），男，河南濮陽人，本科生，主要研究方向：空間信息與數字技術；

通訊作者：艾 鴻（1970-），女， 四川新津人，碩士，講師，主要研究方向：數據挖掘、數據安全、計算機教育研究。

1 基金項目：上海市大學生科創項目（B-5106-13-0005）。

作者簡介：王宇琛（1992-），男，山東濟寧人，本科生，主要研究方向：國際經濟與貿易；

黃蓋先（1994-），男，河南濮陽人，本科生，主要研究方向：空間信息與數字技術；

艾 鴻（1970-），女， 四川新津人，碩士，講師，主要研究方向：數據挖掘、數據安全、計算機教育研究。

通訊作者： 艾 鴻