基于3DSMAX和Unity3D的三維虛擬校園漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘 要】本文以廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，論述三維虛擬校園建設(shè)和漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提出通過谷歌地球獲取校園整體地形地貌，采用Photoshop對(duì)實(shí)拍圖片進(jìn)行處理，利用3DsMAX作為建模工具創(chuàng)建教學(xué)樓、辦公樓、宿舍、綜合樓等，運(yùn)用Unity3D制作校園地形并實(shí)現(xiàn)第一人稱校園漫游的交互制作，其逼真的校園環(huán)境模擬和良好的交互性給用戶身臨其境的漫游體驗(yàn)感。

【關(guān)鍵詞】虛擬校園 第一人稱虛擬漫游 3DSMAX Unity3D

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）06C-0187-04

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅猛，它作為一個(gè)體驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)計(jì)工具的共同體，通過計(jì)算機(jī)融合多源信息、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體，創(chuàng)造出一個(gè)讓用戶“身處其中”的模擬環(huán)境，使用戶足不出戶就能獲得“身臨其境”的體驗(yàn)感。三維虛擬校園漫游是通過對(duì)校園環(huán)境、建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等的仿真，以漫游的形式再現(xiàn)一個(gè)三維可視化的、有聲有色的虛擬校園，它基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以真實(shí)校園為藍(lán)本，通過三維實(shí)景模擬的方式構(gòu)建一個(gè)逼真的三維虛擬立體校園空間，實(shí)現(xiàn)了第一人稱的自主漫游，體現(xiàn)了環(huán)境的藝術(shù)性與真實(shí)性，使得學(xué)生和家長能夠提前了解校園教學(xué)和生活環(huán)境，提高學(xué)校的形象和聲譽(yù)，拓展了學(xué)校對(duì)外宣傳、招生、校容校貌展示水平，提升了學(xué)校文化建設(shè)的對(duì)外影響力和知名度，使得學(xué)校在日益激烈的高職生源競爭中脫穎而出。本文以廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院的三維虛擬校園漫游為例，通過3DsMAX進(jìn)行建模和貼圖，使用Unity3D平臺(tái)制作校園地形，結(jié)合C#語言實(shí)現(xiàn)對(duì)三維虛擬校園第一人稱漫游的交互控制。

一、三維虛擬校園漫游開發(fā)流程與設(shè)計(jì)

（一）三維虛擬校園漫游開發(fā)流程。三維虛擬校園漫游的實(shí)現(xiàn)主要分為三大部分：數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、第一人稱漫游制作。

1.數(shù)據(jù)采集。從谷歌地球獲取校園平面布局圖，為校園地形環(huán)境的制作、道路設(shè)置、建筑物布局提供依據(jù)；從學(xué)院后勤獲取各樓棟CAD設(shè)計(jì)圖，為校園建筑建模提供數(shù)據(jù)；拍攝校園中各建筑物細(xì)節(jié)圖，拍攝草坪、花圃、林地、天鵝湖、道路等校園環(huán)境景觀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量門窗等獲取實(shí)景數(shù)據(jù)信息，為后期制作高仿真虛擬校園提供參考。

2.模型構(gòu)建。包括模型創(chuàng)建、優(yōu)化及紋理貼圖處理三個(gè)方面。導(dǎo)入處理好的CAD圖，使用3DMAX軟件創(chuàng)建校園各建筑物模型；刪除建筑物模型中的不可見面，對(duì)同一個(gè)面中多余的線和點(diǎn)進(jìn)行移除，優(yōu)化模型；使用Photoshop軟件裁剪圖片、處理貼圖和繪制建筑物紋理等；依據(jù)校園平面圖，使用Unity3D軟件制作校園地形、道路等。

3.第一人稱漫游制作。使用Unity3D軟件進(jìn)行登錄界面設(shè)計(jì)、場(chǎng)景組建、碰撞設(shè)計(jì)、第一人稱設(shè)計(jì)、漫游設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)等。

具體流程如圖1所示。

（二）三維虛擬校園漫游設(shè)計(jì)。三維虛擬校園漫游的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用戶在交互的過程中進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺的觸碰，足不出戶就能感受到濃烈的校園氣氛，獲得身臨其境的體驗(yàn)。因此，我們將從以下幾個(gè)方面對(duì)三維虛擬校園漫游進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.資源優(yōu)化。為了避免場(chǎng)景過大而增加網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和設(shè)備的負(fù)擔(dān)，本文所有建筑模型在主場(chǎng)景漫游時(shí)均以只顯示建筑物外觀的形式展現(xiàn)，并通過跳轉(zhuǎn)方式進(jìn)入建筑物內(nèi)部漫游，解決了主場(chǎng)景載入時(shí)負(fù)擔(dān)過大的問題，使得可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問和瀏覽。

2.三維虛擬校園的展示。校園地形、建筑物等均以外觀95%相似度的精細(xì)模型展示，與真實(shí)校園環(huán)境基本吻合。

3.三維虛擬校園漫游。用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤在虛擬校園內(nèi)自由游覽，并通過小地圖了解用戶在虛擬校園中的位置。

4.多媒體展示。用戶在進(jìn)入建筑物內(nèi)部巡游時(shí)，可通過點(diǎn)播視頻、音頻的方式了解該建筑物主要功能及相關(guān)宣傳資料，增強(qiáng)體驗(yàn)感。

二、三維虛擬校園漫游的實(shí)現(xiàn)

（一）三維虛擬校園模型的構(gòu)建。三維虛擬校園模型主要包括大門、教學(xué)樓、宿舍樓、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、路燈、花草樹木、人工湖、道路、地形模型等，可歸為建筑模型、環(huán)境模型、地表模型三大類。

建筑模型的構(gòu)建，首先根據(jù)學(xué)院后勤處提供CAD圖在3DMAX中繪制建筑物二維圖形輪廓，再將其擠出、轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，然后對(duì)該可編輯多邊形進(jìn)行擠出、倒角、橋、調(diào)整頂點(diǎn)等操作得到三維建筑物模型，最后對(duì)建筑物模型進(jìn)行優(yōu)化處理，通過減面、移除多余的邊和頂點(diǎn)、壓縮材質(zhì)貼圖和對(duì)建筑物表面的細(xì)節(jié)如外墻瓷磚、門窗、裝飾物等以紋理貼圖代替等方法達(dá)到優(yōu)化和減少模型所占內(nèi)存空間的目的。

三維虛擬校園的環(huán)境模型中包含大量的花草樹木，為了減少場(chǎng)景所占內(nèi)存空間，樹木均采用十字交叉面制作，花圃花卉采用立面體添加透明貼圖制作，草坪等植被則使用紋理映射的方法。

構(gòu)建地表模型，需要將從谷歌地球上獲取的校園地形圖在CAD上進(jìn)行處理，使用Unity3D的地形（Terrain）繪制高地、人工湖、山坡、平地、道路等，創(chuàng)建出廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園依山而建的地貌形態(tài)。

（二）場(chǎng)景構(gòu)建。場(chǎng)景的構(gòu)建包括登錄界面制作、模型載入、燈光設(shè)置、小地圖制作等。登錄界面以廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院正門照片作為背景，使用Unity3D軟件中UI的Text和Button制作標(biāo)題和按鈕，如圖2所示。

主場(chǎng)景則是將所有在3DsMAX創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到Unity3D系統(tǒng)中并擺放到相應(yīng)的位置，調(diào)整大小和方向，在每個(gè)有宣傳展示功能的建筑物邊上設(shè)置進(jìn)入建筑物的引導(dǎo)按鈕，使得能夠跳轉(zhuǎn)進(jìn)入建筑物內(nèi)部漫游和瀏覽。

為了使得場(chǎng)景看起來更逼真，需要為場(chǎng)景進(jìn)行布光設(shè)置，使用Directional Light方向光充當(dāng)太陽光，在需要的地方適當(dāng)添加Point Light點(diǎn)光源以增強(qiáng)效果。設(shè)置主角外的所有模型為Static靜態(tài)模式，使用Lightmapping技術(shù)將光線效果預(yù)渲染成為貼圖模擬物體上的光影效果，減少光影對(duì)性能的開銷。添加天空盒子skybox，使得虛擬校園更美觀。

小地圖的制作需要添加新的攝像機(jī)作為小地圖專用攝像機(jī)，從上往下垂直拍攝校園道路層。創(chuàng)建一個(gè)球體，去掉其Sphere Collider屬性，放置在第一人稱膠囊體的層級(jí)之下作為第一人稱的替代體，跟隨主攝像機(jī)移動(dòng)并在小地圖中顯示出來。保持小地圖視圖是正方形的攝像機(jī)主要代碼為：

float px=（float）Screen.width/（float）Screen.height；//獲取分辨率比例

this.camera.rect=new Rect（（1-0.2f），（1-0.2f*px），0.2f，0.2f*px）；//保持?jǐn)z像機(jī)視圖為正方形

（三）第一人稱漫游設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本部分主要分為第一人稱移動(dòng)控制、場(chǎng)景切換設(shè)置、媒體播放設(shè)置三個(gè)部分。

1.第一人稱移動(dòng)控制。首先，選中場(chǎng)景中的所有物體，為它們添加Mesh Collider多邊形碰撞組件設(shè)置為不可穿越的對(duì)象，取消Is Trigger屬性使其僅作為觸發(fā)器使用。使用Cretate Empty創(chuàng)建空游戲體作為第一人稱的替代體，為其添加Character Controller角色控制器組件使其變?yōu)槟z囊體以模擬人體的大致形狀。為膠囊體添加Rigidbody剛體組件，使其在移動(dòng)的過程中與環(huán)境產(chǎn)生碰撞交互，避免發(fā)生穿墻撞樹的行為。使用鍵盤、鼠標(biāo)控制攝像機(jī)跟隨第一人稱移動(dòng)的代碼分別如下。

（1）使用鍵盤WSAD鍵控制第一人稱替代體移動(dòng)的C#腳本代碼。

void Control（） {

//獲取鼠標(biāo)移動(dòng)距離

float m_h=Input.GetAxis（“Mouse X”）；

float m_v=Input.GetAxis（“Mouse Y”）；

//旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)

m_camRot.x-=m_v；

m_camRot.y+=m_h；

m_camTransform.eulerAngles=m_camRot；

//使主角的面向方向與攝像機(jī)一致

Vector3 camrot=m_camTransform.eulerAngles；

camrot.x=0； camrot.z=0；

m_transform.eulerAngles=camrot；

if （Input.GetKey（KeyCode.W））

{ m_Transform.Translate（Vector3.forward * 0.1f， Space.Self）； }

if （Input.GetKey（KeyCode.S））

{ m_Transform.Translate（Vector3.back * 0.1f， Space.Self）； }

if （Input.GetKey（KeyCode.A））

{ m_Transform.Translate（Vector3.left * 0.1f， Space.Self）； }

if （Input.GetKey（KeyCode.D））

{ m_Transform.Translate（Vector3.right * 0.1f， Space.Self）； }

}

（2）使用鼠標(biāo)控制第一人稱替代體移動(dòng)的C#代碼。

protected Transform m_transform；

protected Vector3 targetPos；//目標(biāo)位置

void Start（） {

m_transform = this.transform；

targetPos = this.m_transform.position； }

void MoveTo（） {

if （Input.GetMouseButton（0））

{ Vector3 mousePos = Input.mousePosition； //獲得鼠標(biāo)屏幕位置

Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay（mousePos）； //將屏幕位置轉(zhuǎn)為射線

RaycastHit hitInfo； //用來記錄射線碰撞記錄

bool isCast = Physics.Raycast（ray， out hitInfo， 1000， inputMask）； //產(chǎn)生射線

if （isCast） {

targetPos = hitInfo.point； //如果射中目標(biāo)，記錄射線碰撞點(diǎn)

}

}

//使用Vector3提供的MoveTowards函數(shù)，獲得朝目標(biāo)移動(dòng)的位置

Vector3 pos = Vector3.MoveTowards（this.m_transform.position， targetPos， speed * Time.deltaTime）；

this.m_transform.position = pos； //更新當(dāng)前位置

}

2.場(chǎng)景切換設(shè)置。為了減少虛擬校園主場(chǎng)景載入負(fù)擔(dān)，本次設(shè)計(jì)將進(jìn)入建筑物內(nèi)部的漫游采用場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)切換的方式進(jìn)行，在相應(yīng)的建筑物邊上加入U(xiǎn)I控件Button設(shè)置進(jìn)入內(nèi)部漫游指示牌，使用代碼Application.LoadLevel（“scence_n”）；跳轉(zhuǎn)切換場(chǎng)景。

3.媒體播放設(shè)置。在游覽時(shí)播放相應(yīng)的音樂，可以增加漫游的趣味性。在主場(chǎng)景中為地面或主攝像機(jī)添加audio source組件，在其屬性面板的AudioClip項(xiàng)中添加背景音樂文件，保持play on Awake和Loop選項(xiàng)的選擇以保證在運(yùn)行場(chǎng)景時(shí)循環(huán)播放音樂即可實(shí)現(xiàn)背景音樂的添加。

當(dāng)進(jìn)入建筑物內(nèi)部瀏覽時(shí)，可以選擇播放相關(guān)的講解音頻或宣傳視頻，增強(qiáng)宣傳效果。添加講解音頻主要代碼如下：

public AudioClip audioClip； //定義聲音文件

private AudioSource m_audioSource； //定義聲音源

void Awake（） {

m_audioSource = this.gameObject.AddComponent（）； //為腳本對(duì)象添加聲音源組件

m_audioSource.loop = true； //設(shè)置聲音的循環(huán)播放

m_audioSource.volume = 1.0f； //設(shè)置最大音量值

m_audioSource.clip = audioClip；

}

void OnGUI（） {

if（GUI.Button（new Rect（10， 10， 80， 30），"播放"）） {

m_audioSource.Play（）； }

if（GUI.Button（new Rect（10，50，80，30），"停止"）） {

m_audioSource.Stop（）； }

}

目前比較流行的視頻播放方式有兩種，一種是直接在場(chǎng)景的物體上播放，另一種是在GUI層面上播放。不管哪一種視頻播放方式，其主要代碼如下：

public MovieTexture m_movTexture； //定義視頻紋理

void Start （） {

……

M_movTexture.loop = true； //設(shè)置視頻紋理的播放方式為循環(huán)播放

}

void OnGUI（）{

if （GUILayout.Button （"播放"）） {

if（！m_movTexture.isPlaying）

m_movTexture.Play（）； }

if （GUILayout.Button （"停止"））

m_movTexture.Stop （）；

}

三、測(cè)試與分析

在完成所有功能后運(yùn)行場(chǎng)景測(cè)試其流暢性，觀察模型、貼圖與實(shí)際是否相符等，修改并重復(fù)測(cè)試，最后導(dǎo)出為EXE格式。測(cè)試證明，采用上述的設(shè)計(jì)理念和方法實(shí)現(xiàn)了基于3DSMAX和Unity3D的三維虛擬校園漫游，其運(yùn)行流暢、逼真程度高、交互性強(qiáng)，能夠滿足不同用戶的需求。

總之，本次漫游設(shè)計(jì)使用了AutoCAD、Photoshop、3DMAX、Unity3D等軟件，以廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)景校園為藍(lán)本進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬校園的漫游。在后續(xù)還可對(duì)漫游設(shè)計(jì)進(jìn)行二次開發(fā)，加入更多元素以豐富虛擬校園漫游，使漫游更真實(shí)；同時(shí)開發(fā)適用于多平臺(tái)的版本，以增強(qiáng)對(duì)外宣傳的效果。

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【作者簡介】蒙秋瓊（1984— ），廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)教研室主任，講師。

（責(zé)編 盧 雯）