基于Unity3D的虛擬現實交互系統的設計與實現

魏育坤

摘要 以真實空間場景為基礎，依托地理信息技術、三維建模技術，借助游戲引擎，構建出三維可視化模型景觀。此外，通過引入漫游邏輯、導航邏輯等控制邏輯，允許使用者于虛擬場景中進行漫游、導航等操作。系統具備真實感強、界面友好、可交互等特征，滿足現代校園在對外宣傳、對內引導、校園規劃、信息化管理等方面的需求。

【關鍵詞】虛擬校園 游戲引擎 三維建模

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是人類在探索自然、認識自然過程中創造產生，逐步形成的一種用于認識自然、模擬自然，進而更好地適應和利用自然的科學方法和科學技術。利用虛擬現實技術，可以真實場景為基礎，依托地理信息技術、三維建模技術及游戲引擎，構建出兼具真實感與交互性的虛擬現實場景。

1 概述

近年來，校園的信息化建設得以迅速發展，而虛擬校園是校園信息化建設的重要組成部分。傳統的虛擬校園大多建立在二維地圖及影像資料上，難以滿足當代校園在對外宣傳、對內引導、校園規劃、信息化管理等方面的需求。而最新的虛擬現實技術具有真實感強、可交互、多設備兼容等特點，將其應用于虛擬校園的建設中可彌補傳統虛擬校園固有的不足，

針對上述背景，本文利用虛擬現實技術，使用3D Max進行三維模型構建，借助Unity3D構建出虛擬場景，并通過c#編程，引入相應的控制邏輯，構建出了兼具真實感及交互性的虛擬校園。虛擬校園支持漫游、導航等操作，并可部署在不同平臺上，為校園宣傳、規劃、信息化管理等方面提供服務。

2 系統設計

2.1 構建流程

系統開發過程中以軟件工程方法學為基礎，以實際需求為導向，設計系統內各模塊的功能。系統的開發流程主要分為三個部分：模型構建、三維虛擬場景搭建及控制邏輯的引入。此外，開發完成的系統還可部署于不同平臺之上，具備跨平臺兼容的特性。圖l給出了系統開發的主要流程。

2.1.1 模型構建

三維模型的構建方法日漸趨于成熟。Autodesk公司推出的3D Max軟件，為快速構建三維模型提供解決方案，是目前最流行的三維建模軟件之一。

要構建三維模型，首先需獲取模型的參數信息。通常地，可通過建筑圖紙、實地觀測、衛星地圖測距等方式獲取到場景內模型的坐標及輪廓信息。本文采用衛星地圖與實地觀測組合的方法進行參數化建模。3D Max支持多邊形建模、NURBS曲線建模、面片建模等多種建模方式，其中，以多邊形建模最為常用。多邊形建模以點、線、面為操縱對象，通過對網格模型的編輯，將基本的幾何體轉換為目標模型。

2.1.2 三維虛擬場景搭建

隨著虛擬現實技術的不斷發展，用以VR系統開發的軟件平臺及建模語言亦應運而生。近年來，Unity Technologies公司開發出了Unity圖形圖像引擎，使得建筑可視化、實時三維動畫的創建變得簡單易行。模型構建完成后，只需將其導入Unity3D并以可視化的方式完成場景中對象的布局即可完成三維虛擬場景的搭建工作。

為增強虛擬場景的真實感，需要對場景中的對象進行進一步的配置。例如，在真實世界中，是不允許對象之間隨意穿行的，根據這一規則，需為虛擬場景中的對象添加碰撞檢測機制以避免剛體間的穿行現象。

2.1.3 控制邏輯的引入

通過控制腳本，可以方便地操作虛擬場景中的對象，以達到人機交互的目的。Unity支持以C#及JavaScript編寫控制邏輯。從功能上劃分，控制邏輯可分為：漫游邏輯（定義了系統內角色的漫游行為，如漫游的方式、漫游的速度等）、導航邏輯（角色的導航方法）、交互邏輯（主要包括用戶與界面的交互、角色同系統內對象的交互）等。

2.2 功能分析

2.2.1 手動漫游

手動漫游即通過外部設備的控制信息操縱系統內角色的移動。在虛擬場景中，可使用鍵盤的“w”“A”“S”“D”鍵控制角色的移動，按下鼠標右鍵并拖拽可進行視角的旋轉，按下空格鍵可以進行跳躍。在漫游過程中，角色碰到障礙物要停止前進。本系統使用了Unity3D中自帶的的第一人稱角色控制預設體，其中定義了角色的移動、跳躍、降落時的加速度等信息，使得角色的移動過程具有真實感。

2.2.2 自動漫游

自動漫游是在漫游事件觸發后無任何輸入的情況下，允許角色沿著既定路線進行漫游?？赏ㄟ^用戶界面層的組件以觸發自動漫游功能，角色會自動按照預置的路徑進行移動。自動漫游功能的實現借助了Unity3D中的外部插件一行為樹來實現，其主要應用于系統內對象的AI行為控制，通過對行為樹上節點的組合，可以實現對角色的控制。

2.2.3 虛擬導航

虛擬導航指的是以角色的當前坐標點為及目標點為輸入，通過對應的導航方法，生成從起點到目標點的路線，該功能也是通過行為樹實現的。與自動漫游不同的是，進行虛擬導航首先要通過Unity3D烘焙出場景的導航網格。為簡化操作、降低使用門檻，可在場景中預先生成靜態的地圖，外部使用者僅需以可視化的方式選擇地圖上的目標位置即可進行導航。

3 系統實現與測試

基于上述構建方法，本文以華北電力大學為例，構建出了三維虛擬校園，如圖2所示。

4 結語

基于本文設計方法的虛擬校園使用3DMax進行模型構建，并借助Uniry3D三維虛擬場景的搭建。此外，控制邏輯的引入解決了外部使用者與虛擬場景的交互問題。構建出的虛擬現實交互系統效果逼真，且兼具實用性。然而，該方法仍存在一定的局限性，如系統的功能相對單一、且數據不具備持久性，在今后的研究中，豐富交互邏輯、與數據庫連接實現數據的動態存取將會是重點。

參考文獻

[1]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009 （01）： 2-46

[2]潘飛，王繼成，高等學校虛擬現實全景技術開發與實踐[J].沈陽農業大學學報（社會科學版），2017，19 （06）： 673-677.

[3]張丹，華北科技學院虛擬校園漫游系統的設計與實現[D].電子科技大學，2012.