基于Unity3D的虛擬校園漫游系統設計

【摘要】? ? 隨著科技的進步，部分高校開始采用虛擬現實技術構建交互式虛擬校園，使瀏覽者足不出戶即可盡知校園全貌。設計虛擬校園前應對所需技術及流程做深入了解，然后再制定實施計劃。通過實踐，可利用3ds Max實現建模，遵照實體建筑外觀采樣來提高模型真實感，而模型所在的場景及交互可采用Unity 3D設計，進而實現跨平臺發布。經測試，給漫游系統提供開發自動導航和自主導航功能后，用戶可從不同視角瀏覽虛擬校園。

【關鍵詞】? ? 虛擬現實? ? 漫游系統? ?Unity 3D

引言

虛擬現實技術起源于二十世紀初葉，是多種技術的綜合體。虛擬現實技術的特別之處在于以模擬的方法為使用者構建一個虛擬的情景。通過觸碰和視覺等行為感知觸發用戶產生沉浸在虛擬世界中的體驗。而且當用戶參與到與虛擬環境的互動時還會引起虛擬環境的實時變化。虛擬現實技術的應用領域極廣，遍及社會生活的各個層面。在教育領域，虛擬現實技術可用于仿真教學，構建虛擬校園、課堂、虛擬實驗室等等，提升課堂效率。當前，數字化課堂、智慧校園建設正主導高校信息化教學、管理的方向。虛擬校園建設正是智慧校園建設的主體內容之一，從宏觀上講，它可以引領并實現校園的全面數字化（辦公管理、信息采集、基礎建設、方案規劃、對外交流），從微觀上講，它也可以作為對外交流的窗口和發展規劃的模型參考。

下面將對利用該技術導入自定義校園模型，進而實現一個校園漫游系統的設計過程進行詳細分析。

一、漫游系統的設計

1.1確立研究對象

系統的主要研究對象是虛擬校園場景。研究重點集中在虛擬場景的搭建和遍歷。

場景搭建時，要求虛擬實體的外觀與真實的校園環境盡可能保持一致，仿真度高。場景要素主要涉及地形、建筑模型（比例、貼圖材質）、植被、景觀、公共設施、天空盒子、光照強度等。

場景遍歷時，系統能保證瀏覽者的自主漫游，觸及或臨近特定建筑后能觸發特定行為（碰撞檢測），比如屬性的修改、語音或文字提示等等，場景的切換既可以由碰撞行為觸發也可以通過系統主界面中預留的按鈕引導，場景切換后即可進入建筑物內部進行瀏覽。

1.2劃分功能模塊

從軟件類型劃分的角度來看，系統可以歸為結合了虛擬現實技術的應用軟件。它的主要目標是實現校園漫游功能。系統加載后首先看到的是系統界面，然后才能調用漫游功能。漫游的主體是攝像機（用來模擬人的視角），客體是處于Unity3D游戲引擎場景之下的unity3D虛擬校園模型。漫游功能按模式分成自主漫游和自動漫游兩種。在自主漫游模式下可實現場景的切換。另外，因本系統是虛擬校園平臺軟件的一個子系統，所以在功能上還應預留和平臺軟件其他子系統共享信息的接口。

基于以上分析，將系統中所涉及的數據獨立抽象出來，可得系統數據流程圖，如圖1所示。

圖1? ? 系統數據流程圖

借助于數據流程，經過解析后將數據存儲和處理整合，可對系統級功能模塊進行初步的劃分，如圖2所示。

圖2? ? 功能模塊解析圖

系統功能可劃分成四個一級模塊（界面、漫游功能、場景切換、系統接口），兩個二級模塊（自動漫游和自主漫游）。

1.3搭建開發環境

設計校園漫游系統要選擇合適的虛擬現實技術開發環境。能支持該技術的軟件平臺和腳本語言眾多，通過對重要的平臺和工具軟件做優勢對比，最終確定系統開發需使用以下三款軟件。它們應用在系統實現的不同環節，互相緊密協同。三者的具體分工如下：在windows 10操作系統下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型貼圖處理，unity 3D用于漫游系統的整合。

二、漫游系統的實現

2.1設計主界面

借鑒web界面的扁平化設計理念，系統界面包括以下幾個元素，具體如圖3系統主界面所示。

（1）導航模式菜單：校園整體的自動導航和手動導航是首要的功能項。

（2）學校簡介：投放校園概括、校史等內容。

（3）系部一覽：設置切換按鈕，訪問者可迅速瀏覽到二級學院主體建筑。

（4）其他（輔助功能擴展：如背景音樂、全景視圖的整體縮放，旋轉等等）。

圖3? ? 系統主界面

2.2三維建模

模型數據的采集和加工處理是整個系統構建過程中重要的一環。數據采集質量的高低會直接影響到系統生成后的用戶體驗。因此對數據的采集和處理至關重要。對于制作虛擬校園系統這樣的應用來講，所要收集的數據一般集中在地形數據（高度和坡度、面積尺寸，比例等）、校園建筑物信息（包括周邊環境的詳細圖片、建筑主體的層數、層高、總的長寬高、所處地形、方位）、植被和公共基礎設施、多媒體音視頻等。根據數據采集對象的不同可以采取不同的采集辦法。

虛擬漫游系統是對實體校園的模擬，校園里的景觀建筑等等均需要按照1：N的比例以三維對象的形式呈現在用戶面前。為了完成這種映射關系，必須借助于3D建模軟件進行多邊形建模。

系統以多邊形建模為主，以二維圖形為輔。該建模方法獲得模型速度快，易于修改，便于后期維護和升級。建模完成后，要經過檢查，把模型中多余的點、線和面進行刪除，最大程度精簡面數，減少冗余數據。

三維模型的創建主要涉及到：

（1）地形的創建

這一部分的設計分兩步完成：首先在3DS Max中先設計一個二維平面，然后導入Google衛星圖片貼圖來當參照物，接著布局校園各個角落的主體建筑和道路等等。模型整體導入Unity 3D后，先前的地形平面設置為隱藏，隨后新創建地形游戲物體對象，植入草坪、樹木等。

（2）建筑實體的構建

綜合運用各種多邊形修改工具，結合推、拉，旋轉、位移、擠出等操作多邊形基本體。對樓層的設計要根據實體比例，對平面輪廓進行推拉等操作。這一建模過程需采取分層方式進行，即按照建筑體樓層順序進行樓體高度的遞增。每推拉一層，需參照實體，逐一塑造該層的立面元素，諸如立柱、陽臺、門窗、樓梯等。關于樓頂的構筑，宜采用多邊形工具進行編輯，擠出并進一步操作制作;大門等方法類似，直至建筑實體構建完畢。

（3）附屬環境的構建

這一部分主要涉及附屬景觀的布局、天空盒的設置，樹木、花草、廣場、公共設施的設計等等。

樹木等植被如果面片使用過多，會加大系統開銷，造成加載物體時卡頓，沒流暢感，因此需要采用最簡單有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2個面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中該隱去的周圍環境，留下樹的整體造型。

2.3實現交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其層次關系已經形成多個不同的實例對象，將該文件導出為FBX格式后即可導入到Unity 3D中進行游戲物體的轉換。在執行此轉換過程前為了確保坐標和對象的比例符合unity 3D的要求，必須在3ds MAX中預先對所有的實例對象進行坐標軸的調整和模型比例的變換。

在整個虛擬校園漫游系統的建立過程中所需要的全部素材文件，包含模型和貼圖等，在之前的操作過程中已經全部準備完畢。隨后可一邊制作三維模型一邊同時導入到Unity 3D軟件中進行觀察，這樣做的目的是能夠及時查看模型導入的效果和優缺點，之后再通過總結前面的模型遇到的問題來指導后期模型的制作。

交互的實現主要涉及場景的切換和漫游。場景的切換可通過UI按鈕調用自定義腳本完成。漫游分自主漫游和自動漫游。自主漫游借助于第一人稱角色控制器觸發碰撞器來完成。自動漫游則通過規劃漫游路徑，然后安排攝像機進行跟蹤拍攝實現。

三、總結

實現校園漫游系統有兩個現實意義。其一，對虛擬現實技術在教育領域的應用有深入的了解;其二，漫游系統具有實用性，能促進高校的數字化校園建設。

借助于數據流程，經過解析后將數據存儲和處理整合，可對系統級功能模塊進行初步的劃分，如圖2所示。

系統功能可劃分成四個一級模塊（界面、漫游功能、場景切換、系統接口），兩個二級模塊（自動漫游和自主漫游）。

3、搭建開發環境

設計校園漫游系統要選擇合適的虛擬現實技術開發環境。能支持該技術的軟件平臺和腳本語言眾多，通過對重要的平臺和工具軟件做優勢對比，最終確定系統開發需使用以下三款軟件。它們應用在系統實現的不同環節，互相緊密協同。三者的具體分工如下：在windows 10操作系統下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型貼圖處理，unity 3D用于漫游系統的整合。

漫游系統的實現

1、設計主界面

借鑒web界面的扁平化設計理念，系統界面包括以下幾個元素，具體如圖3系統主界面所示。

（1）導航模式菜單：校園整體的自動導航和手動導航是首要的功能項。

（2）學校簡介：投放校園概括、校史等內容。

（3）系部一覽：設置切換按鈕，訪問者可迅速瀏覽到二級學院主體建筑。

（4）其他（輔助功能擴展：如背景音樂、全景視圖的整體縮放，旋轉等等）。

2、三維建模

模型數據的釆集和加工處理是整個系統構建過程中重要的一環。數據釆集質量的高低會直接影響到系統生成后的用戶體驗。因此對數據的采集和處理至關重要。對于制作虛擬校園系統這樣的應用來講，所要收集的數據一般集中在地形數據（高度和坡度、面積尺寸，比例等）、校園建筑物信息（包括周邊環境的詳細圖片、建筑主體的層數、層高、總的長寬高、所處地形、方位）、植被和公共基礎設施、多媒體音視頻等。根據數據采集對象的不同可以采取不同的采集辦法。

虛擬漫游系統是對實體校園的模擬，校園里的景觀建筑等等均需要按照1：N的比例以三維對象的形式呈現在用戶面前。為了完成這種映射關系，必須借助于3D建模軟件進行多邊形建模。

系統以多邊形建模為主，以二維圖形為輔。該建模方法獲得模型速度快，易于修改，便于后期維護和升級。建模完成后，要經過檢查，把模型中多余的點、線和面進行刪除，最大程度精簡面數，減少冗余數據。

三維模型的創建主要涉及到：

（1）地形的創建

這一部分的設計分兩步完成：首先在3DS Max中先設計一個二維平面，然后導入Google衛星圖片貼圖來當參照物，接著布局校園各個角落的主體建筑和道路等等。模型整體導入Unity 3D后，先前的地形平面設置為隱藏，隨后新創建地形游戲物體對象，植入草坪、樹木等。

（2）建筑實體的構建

綜合運用各種多邊形修改工具，結合推、拉，旋轉、位移、擠出等操作多邊形基本體。對樓層的設計要根據實體比例，對平面輪廓進行推拉等操作。這一建模過程需采取分層方式進行，即按照建筑體樓層順序進行樓體高度的遞增。每推拉一層，需參照實體，逐一塑造該層的立面元素，諸如立柱、陽臺、門窗、樓梯等。關于樓頂的構筑，宜采用多邊形工具進行編輯，擠出并進一步操作制作;大門等方法類似，直至建筑實體構建完畢。

（3）附屬環境的構建

這一部分主要涉及附屬景觀的布局、天空盒的設置，樹木、花草、廣場、公共設施的設計等等。

樹木等植被如果面片使用過多，會加大系統開銷，造成加載物體時卡頓，沒流暢感，因此需要采用最簡單有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2個面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中該隱去的周圍環境，留下樹的整體造型。

3、實現交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其層次關系已經形成多個不同的實例對象，將該文件導出為FBX格式后即可導入到Unity 3D中進行游戲物體的轉換。在執行此轉換過程前為了確保坐標和對象的比例符合unity 3D的要求，必須在3ds MAX中預先對所有的實例對象進行坐標軸的調整和模型比例的變換。

在整個虛擬校園漫游系統的建立過程中所需要的全部素材文件，包含模型和貼圖等，在之前的操作過程中已經全部準備完畢。隨后可一邊制作三維模型一邊同時導入到Unity 3D軟件中進行觀察，這樣做的目的是能夠及時查看模型導入的效果和優缺點，之后再通過總結前面的模型遇到的問題來指導后期模型的制作。

交互的實現主要涉及場景的切換和漫游。場景的切換可通過UI按鈕調用自定義腳本完成。漫游分自主漫游和自動漫游。自主漫游借助于第一人稱角色控制器觸發碰撞器來完成。自動漫游則通過規劃漫游路徑，然后安排攝像機進行跟蹤拍攝實現。

總結

實現校園漫游系統有兩個現實意義。其一，對虛擬現實技術在教育領域的應用有深入的了解;其二，漫游系統具有實用性，能促進高校的數字化校園建設。

參考文獻：

[1]許徽.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].現代商貿工業，2009.

[2]江濤.滁州學院數字虛擬校園展示系統的設計與實現[D]. 北京工業大學，2014.

[3]喻臻鈺.基于3dsMax與Unity3D的三維虛擬校園系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016.

作者簡介：姜濤（1978.7.14-），男，漢族，講師三級，本科。

參? 考? 文? 獻

[1]許徽.虛擬現實技術的國內外研究現狀與發展[J].現代商貿工業，2009.

[2]江濤.滁州學院數字虛擬校園展示系統的設計與實現[D]. 北京工業大學，2014.

[3]喻臻鈺.基于3dsMax與Unity3D的三維虛擬校園系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016.