基于Unity3D的虚拟校园漫游系统设计

【摘要】    随着科技的进步，部分高校开始采用虚拟现实技术构建交互式虚拟校园，使浏览者足不出户即可尽知校园全貌。设计虚拟校园前应对所需技术及流程做深入了解，然后再制定实施计划。通过实践，可利用3ds Max实现建模，遵照实体建筑外观采样来提高模型真实感，而模型所在的场景及交互可采用Unity 3D设计，进而实现跨平台发布。经测试，给漫游系统提供开发自动导航和自主导航功能后，用户可从不同视角浏览虚拟校园。

【关键词】    虚拟现实    漫游系统   Unity 3D

引言

虚拟现实技术起源于二十世纪初叶，是多种技术的综合体。虚拟现实技术的特别之处在于以模拟的方法为使用者构建一个虚拟的情景。通过触碰和视觉等行为感知触发用户产生沉浸在虚拟世界中的体验。而且当用户参与到与虚拟环境的互动时还会引起虚拟环境的实时变化。虚拟现实技术的应用领域极广，遍及社会生活的各个层面。在教育领域，虚拟现实技术可用于仿真教学，构建虚拟校园、课堂、虚拟实验室等等，提升课堂效率。当前，数字化课堂、智慧校园建设正主导高校信息化教学、管理的方向。虚拟校园建设正是智慧校园建设的主体内容之一，从宏观上讲，它可以引领并实现校园的全面数字化（办公管理、信息采集、基础建设、方案规划、对外交流），从微观上讲，它也可以作为对外交流的窗口和发展规划的模型参考。

下面将对利用该技术导入自定义校园模型，进而实现一个校园漫游系统的设计过程进行详细分析。

一、漫游系统的设计

1.1确立研究对象

系统的主要研究对象是虚拟校园场景。研究重点集中在虚拟场景的搭建和遍历。

场景搭建时，要求虚拟实体的外观与真实的校园环境尽可能保持一致，仿真度高。场景要素主要涉及地形、建筑模型（比例、贴图材质）、植被、景观、公共设施、天空盒子、光照强度等。

场景遍历时，系统能保证浏览者的自主漫游，触及或临近特定建筑后能触发特定行为（碰撞检测），比如属性的修改、语音或文字提示等等，场景的切换既可以由碰撞行为触发也可以通过系统主界面中预留的按钮引导，场景切换后即可进入建筑物内部进行浏览。

1.2划分功能模块

从软件类型划分的角度来看，系统可以归为结合了虚拟现实技术的应用软件。它的主要目标是实现校园漫游功能。系统加载后首先看到的是系统界面，然后才能调用漫游功能。漫游的主体是摄像机（用来模拟人的视角），客体是处于Unity3D游戏引擎场景之下的unity3D虚拟校园模型。漫游功能按模式分成自主漫游和自动漫游两种。在自主漫游模式下可实现场景的切换。另外，因本系统是虚拟校园平台软件的一个子系统，所以在功能上还应预留和平台软件其他子系统共享信息的接口。

基于以上分析，将系统中所涉及的数据独立抽象出来，可得系统数据流程图，如图1所示。

图1    系统数据流程图

借助于数据流程，经过解析后将数据存储和处理整合，可对系统级功能模块进行初步的划分，如图2所示。

图2    功能模块解析图

系统功能可划分成四个一级模块（界面、漫游功能、场景切换、系统接口），两个二级模块（自动漫游和自主漫游）。

1.3搭建开发环境

设计校园漫游系统要选择合适的虚拟现实技术开发环境。能支持该技术的软件平台和脚本语言众多，通过对重要的平台和工具软件做优势对比，最终确定系统开发需使用以下三款软件。它们应用在系统实现的不同环节，互相紧密协同。三者的具体分工如下：在windows 10操作系统下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型贴图处理，unity 3D用于漫游系统的整合。

二、漫游系统的实现

2.1设计主界面

借鉴web界面的扁平化设计理念，系统界面包括以下几个元素，具体如图3系统主界面所示。

（1）导航模式菜单：校园整体的自动导航和手动导航是首要的功能项。

（2）学校简介：投放校园概括、校史等内容。

（3）系部一览：设置切换按钮，访问者可迅速浏览到二级学院主体建筑。

（4）其他（辅助功能扩展：如背景音乐、全景视图的整体缩放，旋转等等）。

图3    系统主界面

2.2三维建模

模型数据的采集和加工处理是整个系统构建过程中重要的一环。数据采集质量的高低会直接影响到系统生成后的用户体验。因此对数据的采集和处理至关重要。对于制作虚拟校园系统这样的应用来讲，所要收集的数据一般集中在地形数据（高度和坡度、面积尺寸，比例等）、校园建筑物信息（包括周边环境的详细图片、建筑主体的层数、层高、总的长宽高、所处地形、方位）、植被和公共基礎设施、多媒体音视频等。根据数据采集对象的不同可以采取不同的采集办法。

虚拟漫游系统是对实体校园的模拟，校园里的景观建筑等等均需要按照1：N的比例以三维对象的形式呈现在用户面前。为了完成这种映射关系，必须借助于3D建模软件进行多边形建模。

系统以多边形建模为主，以二维图形为辅。该建模方法获得模型速度快，易于修改，便于后期维护和升级。建模完成后，要经过检查，把模型中多余的点、线和面进行删除，最大程度精简面数，减少冗余数据。

三维模型的创建主要涉及到：

（1）地形的创建

这一部分的设计分两步完成：首先在3DS Max中先设计一个二维平面，然后导入Google卫星图片贴图来当参照物，接着布局校园各个角落的主体建筑和道路等等。模型整体导入Unity 3D后，先前的地形平面设置为隐藏，随后新创建地形游戏物体对象，植入草坪、树木等。

（2）建筑实体的构建

综合运用各种多边形修改工具，结合推、拉，旋转、位移、挤出等操作多边形基本体。对楼层的设计要根据实体比例，对平面轮廓进行推拉等操作。这一建模过程需采取分层方式进行，即按照建筑体楼层顺序进行楼体高度的递增。每推拉一层，需参照实体，逐一塑造该层的立面元素，诸如立柱、阳台、门窗、楼梯等。关于楼顶的构筑，宜采用多边形工具进行编辑，挤出并进一步操作制作;大门等方法类似，直至建筑实体构建完毕。

（3）附属环境的构建

这一部分主要涉及附属景观的布局、天空盒的设置，树木、花草、广场、公共设施的设计等等。

树木等植被如果面片使用过多，会加大系统开销，造成加载物体时卡顿，没流畅感，因此需要采用最简单有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2个面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中该隐去的周围环境，留下树的整体造型。

2.3实现交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其层次关系已经形成多个不同的实例对象，将该文件导出为FBX格式后即可导入到Unity 3D中进行游戏物体的转换。在执行此转换过程前为了确保坐标和对象的比例符合unity 3D的要求，必须在3ds MAX中预先对所有的实例对象进行坐标轴的调整和模型比例的变换。

在整个虚拟校园漫游系统的建立过程中所需要的全部素材文件，包含模型和贴图等，在之前的操作过程中已经全部准备完毕。随后可一边制作三维模型一边同时导入到Unity 3D软件中进行观察，这样做的目的是能够及时查看模型导入的效果和优缺点，之后再通过总结前面的模型遇到的问题来指导后期模型的制作。

交互的实现主要涉及场景的切换和漫游。场景的切换可通过UI按钮调用自定义脚本完成。漫游分自主漫游和自动漫游。自主漫游借助于第一人称角色控制器触发碰撞器来完成。自动漫游则通过规划漫游路径，然后安排摄像机进行跟踪拍摄实现。

三、总结

实现校园漫游系统有两个现实意义。其一，对虚拟现实技术在教育领域的应用有深入的了解;其二，漫游系统具有实用性，能促进高校的数字化校园建设。

借助于数据流程，经过解析后将数据存储和处理整合，可对系统级功能模块进行初步的划分，如图2所示。

系统功能可划分成四个一级模块（界面、漫游功能、场景切换、系统接口），两个二级模块（自动漫游和自主漫游）。

3、搭建开发环境

设计校园漫游系统要选择合适的虚拟现实技术开发环境。能支持该技术的软件平台和脚本语言众多，通过对重要的平台和工具软件做优势对比，最终确定系统开发需使用以下三款软件。它们应用在系统实现的不同环节，互相紧密协同。三者的具体分工如下：在windows 10操作系统下，3DS Max用于建模，Photoshop用于模型贴图处理，unity 3D用于漫游系统的整合。

漫游系统的实现

1、设计主界面

借鉴web界面的扁平化设计理念，系统界面包括以下几个元素，具体如图3系统主界面所示。

（1）导航模式菜单：校园整体的自动导航和手动导航是首要的功能项。

（2）学校简介：投放校园概括、校史等内容。

（3）系部一览：设置切换按钮，访问者可迅速浏览到二级学院主体建筑。

（4）其他（辅助功能扩展：如背景音乐、全景视图的整体缩放，旋转等等）。

2、三维建模

模型数据的釆集和加工处理是整个系统构建过程中重要的一环。数据釆集质量的高低会直接影响到系统生成后的用户体验。因此对数据的采集和处理至关重要。对于制作虚拟校园系统这样的应用来讲，所要收集的数据一般集中在地形数据（高度和坡度、面积尺寸，比例等）、校园建筑物信息（包括周边环境的详细图片、建筑主体的层数、层高、总的长宽高、所处地形、方位）、植被和公共基础设施、多媒体音视频等。根据数据采集对象的不同可以采取不同的采集办法。

虚拟漫游系统是对实体校园的模拟，校园里的景观建筑等等均需要按照1：N的比例以三维对象的形式呈现在用户面前。为了完成这种映射关系，必须借助于3D建模软件进行多边形建模。

系统以多边形建模为主，以二维图形为辅。该建模方法获得模型速度快，易于修改，便于后期维护和升级。建模完成后，要经过检查，把模型中多余的点、线和面进行删除，最大程度精简面数，减少冗余数据。

三维模型的创建主要涉及到：

（1）地形的创建

这一部分的设计分两步完成：首先在3DS Max中先设计一个二维平面，然后导入Google卫星图片贴图来当参照物，接着布局校园各个角落的主体建筑和道路等等。模型整体导入Unity 3D后，先前的地形平面设置为隐藏，随后新创建地形游戏物体对象，植入草坪、树木等。

（2）建筑实体的构建

综合运用各种多边形修改工具，结合推、拉，旋转、位移、挤出等操作多边形基本体。对楼层的设计要根据实体比例，对平面轮廓进行推拉等操作。这一建模过程需采取分层方式进行，即按照建筑体楼层顺序进行楼体高度的递增。每推拉一层，需参照实体，逐一塑造该层的立面元素，诸如立柱、阳台、门窗、楼梯等。关于楼顶的构筑，宜采用多边形工具进行编辑，挤出并进一步操作制作;大门等方法类似，直至建筑实体构建完毕。

（3）附属环境的构建

这一部分主要涉及附属景观的布局、天空盒的设置，树木、花草、广场、公共设施的设计等等。

树木等植被如果面片使用过多，会加大系统开销，造成加载物体时卡顿，没流畅感，因此需要采用最简单有效的建模方式，即常用的十字交叉法建模，采用2个面垂直交叉，然后用遮罩去掉素材中该隐去的周围环境，留下树的整体造型。

3、实现交互

利用3ds MAX建模后得到的模型按照其层次关系已经形成多个不同的实例对象，将该文件导出为FBX格式后即可导入到Unity 3D中进行游戏物体的转换。在执行此转换过程前为了确保坐标和对象的比例符合unity 3D的要求，必须在3ds MAX中预先对所有的实例对象进行坐标轴的调整和模型比例的变换。

在整个虚拟校园漫游系统的建立过程中所需要的全部素材文件，包含模型和贴图等，在之前的操作过程中已经全部准备完毕。随后可一边制作三维模型一边同时导入到Unity 3D软件中进行观察，这样做的目的是能够及时查看模型导入的效果和优缺点，之后再通过总结前面的模型遇到的问题来指导后期模型的制作。

交互的实现主要涉及场景的切换和漫游。场景的切换可通过UI按钮调用自定义脚本完成。漫游分自主漫游和自动漫游。自主漫游借助于第一人稱角色控制器触发碰撞器来完成。自动漫游则通过规划漫游路径，然后安排摄像机进行跟踪拍摄实现。

总结

实现校园漫游系统有两个现实意义。其一，对虚拟现实技术在教育领域的应用有深入的了解;其二，漫游系统具有实用性，能促进高校的数字化校园建设。

参考文献：

[1]许徽.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009.

[2]江涛.滁州学院数字虚拟校园展示系统的设计与实现[D]. 北京工业大学，2014.

[3]喻臻钰.基于3dsMax与Unity3D的三维虚拟校园系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016.

作者简介：姜涛（1978.7.14-），男，汉族，讲师三级，本科。

参  考  文  献

[1]许徽.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009.

[2]江涛.滁州学院数字虚拟校园展示系统的设计与实现[D]. 北京工业大学，2014.

[3]喻臻钰.基于3dsMax与Unity3D的三维虚拟校园系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016.