虛擬校園建模與漫游技術分析

（湖南國防工業職業技術學院，湖南 湘潭 411207）

0 引言

虛擬校園漫游系統利用計算機圖形圖像、虛擬現實等多種數字化技術將校園內的主要場景進行模擬構建，并基于相應的人機交互技術讓用戶可以根據自己的需求在方便的時間與地點訪問校園系統，并通過界面進行一定的交互操作[1]。下面結合實際，就虛擬校園建模與漫游技術相關問題做具體分析。

1 虛擬校園建模與漫游關鍵技術分析

1.1 3dsmax建模技術

在進行建模時，以幾何建模技術為基礎將場景實體的主要輪廓構建起來，然后對其進行繪制渲染，讓場景物體的細節更加逼真。研究與實踐證明，在進行校園內建筑建模時，使用混合建模技術能有效降低建模難度，提高建模效率與質量，讓構建出的場景實物更加逼真，從而讓系統更加實用。在進行建模時，三維模型構建軟件平臺是影響場景模型顯示效果的最關鍵因素。因此在建模過程中一定要做好對軟件的選擇與應用。當前，市面上表常見的幾款建模軟件是Maya，Sketch up，3ds Max，這幾款軟件各有優缺點以及一定的適用范圍。如Maya比較適用于特效合成以及制作場景動畫；Sketch up專攻室內場景建模；而3ds Max就比較適合用于建筑類場景建模。相較于其他幾款軟件，3ds Max具有較好的渲染效果，較強的建模能力以及較高的實用性。因此本項目系統選擇3ds Max軟件進行建模[2]。

1.2 Unity 3d漫游技術

Unity 3d軟件有較多的編輯指令以及用戶操作界面與可視化功能命令集，其的適用范圍也比較廣，可運用于創建建筑、動畫、場景漫游等三維模型的互動內容。隨著科學技術的發展，Unity 3d軟件的功能也越來越豐富，如其擁有了交互的圖形化編輯環境等，能有效滿足各項使用需求。因而本項目系統選用Unity 3d作為設計與開發平臺。Unity 3d具有十分詳細的邊際屬性功能，支持動態檢查場景設計或運行效果，同時也能在項目運行過程中根據實際情況對項目做出必要修改，可以說具有很強的實用性?？偟膩碚f，Unity 3d功能強大，能同時滿足用戶虛擬物體交互以及場景漫游功能，更重要的是該軟件具有強大的地形編輯器以及豐富的天空盒資源，可以構建出逼真的三維場景[3]。Unity 3d技術的多感知性會直接影響到用戶的沉浸感。當對人體多種感知，如嗅覺、觸覺、聽覺、視覺等感官感受模擬的更真實、更逼真時，用戶的沉浸感也就更強。

2 虛擬校園漫游系統開發結構設計實踐

2.1 系統實現的功能模塊劃分

虛擬校園漫游系統要具備一定的交互功能、展示功能等。用戶根據該系統漫游場景中的提示信息能確定校園地理位置，能了解校園內部詳細情況。系統場景漫游分為四大模塊：攝像機、第一人稱角色控制器、視角控制和地圖導航。攝像機模塊與第一人稱角色控制器相互搭配，讓使用者能夠完成場景漫游、角色控制、場景特征觀察等，系統中的視角控制模塊則是通過對攝像機對象的控制來模擬人眼所觀察到的場景，并以此達到目的。通過對視角控制模塊的設計與開發，使用者可在虛擬的漫游場景中進行360°無死角觀察。系統中地圖導航模塊的主要功能作用是：當人進入場景時，可以定位并展示人的所在位置，該模塊為用戶提供的服務是三維地理位置服務。系統場景交互又由四大功能模塊構成，分別是模型控制、場景轉換、主界面設置以及信息顯示模塊。其中的模型控制模塊主要是讓用戶身處系統場景中時能夠完成對場景中各項物體的控制，如調節燈光、開關門、移動物體等。場景轉換主要是為用戶進入到新的場景服務。當用戶想要進入到新的場景時，通過這一模塊用戶可直接將場景中的匾額、路牌等進行點擊轉換進而完成場景的轉換。系統中的主界面設置模塊主要與背景音樂、地圖操作等有關，如當用戶想要開啟背景音樂或全局地圖時就可以通過這一模塊來滿足需求[4]。

2.2 系統開發設計流程

在進行該系統的設計與開發時，主要按照以下思路進行：首先，在前期的分析階段通過實地觀察、查閱文獻資料等方法將系統的功能與非功能需要確定下來。其次，在構建三維模型階段的階段主要完成對各項參照物的獲取，各項數據信息的測量等。基于顯示數據利用3ds Max完成場景建模，并在建模技術后對場景模型圖片做適當的渲染與后期處理，讓最終的效果更加逼真。第三個階段就是漫游交互階段，在這一階段以Unity 3d游戲開發平臺為基礎進行設計與開發，讓系統具備第一人稱在場景中的手動、自動漫游功能，同時也實現系統的虛擬交互功能，以便讓用戶的場景體驗更加真實。最后，發布、測試與優化。

2.3 系統總體結構設計

虛擬校園漫游系統設計的最終目的是為了使用戶能隨時隨地進行校園的虛擬漫游，并獲得良好的交互體驗。因此校園虛擬漫游系統設計一定要力求達到場景畫面逼真，運行速度流流暢，系統靈活方便易于操作。為達到以上要求，本系統采用三層模型架構設計的方式進行，如圖1所示。

圖1 系統總體結構設計

2.3.1 建模處理

在系統設計時，運用地圖軟件、航拍無人機、數碼相機等設備拍攝獲得場景照片并繪制出場景平面圖，然后利用相關圖像處理軟件對所獲取的圖像進行處理建模，獲得三維場景模型。在本系統設計中，首先，對學校內的相關的道路、地形、主要建筑、植被、照明設備、裝飾物、池塘等進行了拍攝，對學校主要建筑、道路等室外場景的尺寸以及建筑物的高度等進行了測量記錄。獲得各項數據信息后利用3ds Max進行了場景建模，在建模過程中對各圖片、圖像做了一定的優化。完成建模后將拍攝的圖片進行了保存，利用其作為場景模型的紋理貼圖。其次，對已經完成的場景三維模型進行貼圖渲染與紋理材質方面的處理，讓其更加逼真。最后，分類導出模型。在建模時首先要合理選用場景建模方法。經過分析研究后發現，在建模時將基于圖像與基于幾何的兩大建模技術混合使用，使其優勢互補或獲得最佳的建模效果。因此，在設計與開發過程中使用基于幾何建模技術構建出物體的主要輪廓特征，再利用基于圖像的建模技術精細表現出模型的細節特征，讓模型更具真實感、現實感。

在進行系統三維模型貼圖時，結合使用3ds Max與Photoshop兩項技術進行。3ds Max有功能非常強大的材質編輯器，能滿足對多種材質的編輯處理，并且能通過對模擬物體平整度、透明度等的設置讓模型有更真實的質感。在應用該技術對系統模型進行處理時，先通過位圖將計算機中的貼圖資源確定出來，再對三維模型做相應處理。

對三維模型做適當的優化，在優化時主要注意場景中兩模型接縫的位置，要注意該位置的點與面是否對其，如沒有對齊，要將多余的點及時刪除，并對重合的點做焊接處理，將邊與點的數目減少，以保證最終的建模效果。除此之外，還可在這一階段將場景中某些模型對象看不到的面做適當的刪除，確保場景中不會有無效面。對場景中模型的段數進行精簡，對于模型的平直部位，直接減少分段，在彎曲部位也要盡可能避免出現過多段數。最后是設置與調整貼圖文件的分辨率，一般要將其調整為2的倍數。

完成模型的調整后及時導出模型，將模型的導出格式設置為FBX等Unity 3d支持的文件格式，為后期的人機交互系統開發提供便利。

2.3.2 三維場景模型導入與場景配置

進行三維場景模型導入處理時，最常見的方式是將FBX文件及其貼圖資源進行拷貝，儲存到Unity 3d項目Assets下面的一個子文件夾之中。這樣的方式方便簡潔且能盡可能確保貼圖安全，保證貼圖不會被丟失。在Unity 3d軟件平臺中，通過Game object-Camera的方式創建出一個攝像機。在該系統中，筆者采用的是第一人稱漫游方式，當用戶進入系統時，攝像機就是用戶的眼睛，虛擬角色在虛擬場景中能夠看到的范圍直接由攝像機對象的照射范圍決定。用戶進入系統后，在角色控制器上添加控制腳本，這樣就能讓虛擬角色在場景中的位置發生改變，攝像機對象的視角也隨之發生變化，虛擬角色就能在虛擬場景中進行漫游與觀察。

2.3.3 虛擬校園漫游交互功能

要想讓用戶獲得良好的漫游體驗，就必須優化設計系統操作界面。在設計時，先于貼圖文件夾中放入操作界面的背景圖片資源；再建立Title，構建系統的場景背景；最后在該場景中進行相應UI設計，讓系統操作界面更加精美、合理。

在進行場景漫游設計時，自動漫游設計可以通過為項目添加一個自動漫游插件來實現，其中漫游過程中的路線點需要手動添加結合手動漫游與自動漫游兩種方式。在手動漫游模式下，用戶控制虛擬遙感就能根據自己的想法或需求在虛擬場景中漫游。在自動模式下，用戶根據系統以及設定好的路線進行行走與觀察。

3 結語

綜上所述，3ds Max與Unity 3d技術具有強大的功能，較高的實用性，能為虛擬校園建模與漫游系統設計與開發帶來很大幫助。合理應用這兩項先進技術可讓虛擬場景更加真實、逼真，讓校園內的各項信息得到充分展示，也讓用戶的漫游體驗更加真實有趣。因此，在當前背景下應持續推進對3ds Max與Unity 3d技術的研究與應用。