基于Unity3D的虛擬校園漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王彩玲 劉瑞香 宋 釗

（西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的時(shí)代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為了高等教育機(jī)構(gòu)和國(guó)內(nèi)外商業(yè)搶占市場(chǎng)和提高競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)強(qiáng)有力手段。他們通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓用戶足不出戶就可以了解到他們所需要的東西，而且具有身臨其境地感覺。使用者利用網(wǎng)絡(luò)手段真實(shí)感觸到產(chǎn)品、環(huán)境及體驗(yàn)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求更高更迫切。基于雙方的需求，更加促進(jìn)了web3d技術(shù)的完善和成熟。

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療[1]、教育[2-3]、電子商務(wù)[4-5]等眾多領(lǐng)域。其中，Web3D技術(shù)是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí) 的主流技術(shù)。Web3D又稱網(wǎng)絡(luò)三維，是一種在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)實(shí)世界中有形的物品通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬的三維立體展示并可互動(dòng)瀏覽操作的一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。相比起目前網(wǎng)上主流的以圖片、FLASH、動(dòng)畫的展示方式來(lái)說(shuō)，Web3D技術(shù)讓用戶有了瀏覽的自主感，可以以自己的角度去觀察，還有許多虛擬特效和互動(dòng)操作。Unity3d是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity3D最大的優(yōu)勢(shì)是性價(jià)比高,并且可以發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式,用戶不用下載客戶端,就可以直接體驗(yàn).Unity3D支持各種腳本語(yǔ)言包括Javascript、C#兼容各種操作系統(tǒng),真正的實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。

本論文從創(chuàng)建數(shù)字校園需求分析入手，通過前期測(cè)量，三維建模完成各個(gè)數(shù)字模塊，最終完成一個(gè)數(shù)字化校園。首先應(yīng)該通過CAD平面圖[6-7]和實(shí)地拍攝圖片[8-10]構(gòu)造模型主題，經(jīng)過測(cè)量和分析得到虛擬場(chǎng)景內(nèi)各個(gè)模型的尺寸，利用3dmax建模軟件對(duì)各個(gè)建筑體進(jìn)行建模，然后進(jìn)行場(chǎng)景合并。運(yùn)用3dmax插件導(dǎo)出為FBX格式，將導(dǎo)出文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，在 Unity3D中添加燈光設(shè)置、圖紙?jiān)O(shè)置、及第一人稱角色來(lái)完成人機(jī)交互。利用Unity3d的跨平臺(tái)設(shè)置生成html格式，將html格式文檔發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)中，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬校園的漫游。

1 三維虛擬校園漫游的總體設(shè)計(jì)

1.1 虛擬校園漫游開發(fā)流程

基于西安石油大學(xué)新校區(qū)的虛擬校園漫游開發(fā)流程如圖1所示。

首先，獲取校園地理相關(guān)信息數(shù)據(jù)。在這里首先獲取校園AutoCAD平面圖和相關(guān)建筑物設(shè)計(jì)圖紙。對(duì)建筑物分別從四個(gè)正面及八個(gè)方向拍照，獲取外部輪廓及細(xì)節(jié)圖；對(duì)草地、水域及道路等采用實(shí)景拍照獲取相關(guān)信息。

其次，將所采集到的數(shù)據(jù)及圖片信息利用3Dmax建模軟件，制作三維數(shù)字模型，對(duì)粗糙模型進(jìn)行加工渲染，得到效果逼真的三維模型。

再次，將三維模型利用3Dmax插件導(dǎo)出，由于Unity3D軟件要求輸入模型為FBX類型，因此，按照Unity3D軟件平臺(tái)要求輸出指定模型，進(jìn)行后續(xù)的開發(fā)。

最后，利用Unity3D軟件，使用Javascript和C#語(yǔ)言，添加燈光照射和人物角色，對(duì)人物添加碰撞檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于第一人稱的無(wú)失真漫游。

圖1 虛擬校園開發(fā)流程圖

1.2 開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 漫游功能的實(shí)現(xiàn)

漫游功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校園的關(guān)鍵,交互是實(shí)現(xiàn)漫游的方式.基本的人機(jī)交互方式，例如人物行走，需要采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、跳躍等功能，在Unity3D中可以以WSAD實(shí)現(xiàn)，代碼在FPScontral.js腳本文件中，其關(guān)鍵代碼如下：

var Speed=5;

var RotateSpeed=20;

function Update(){

if(Input.GetKey(KeyCode.W)){transform.Translate(Vector3.forward*Time.deltaTime*Speed);

if(Input.GetKey(KeyCode.S)){transform.Translate(Vector3.forward*Time.deltaTime*-Speed);

if(Input.GetKey(KeyCode.A)){transform.Translate(Vector3.up*Time.deltaTime*RotateSpeed);

if(Input.GetKey(KeyCode.D)){transform.Translate(Vector3.up*Time.deltaTime*-RotateSpeed);}

}

另一種重要的交互功能是GUI界面設(shè)計(jì)，在虛擬校園中，需要場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)，如圖2所示，根據(jù)選擇進(jìn)入場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的漫游模式。核心代碼如下：

function OnGUI(){

GUI.Label(Rect(280,150,400,200),str);

if(GUI.Button(Rect(250,320,100,25),"進(jìn)入校園"))

{

Application.LoadLevel("xishiyou02");

}

if(GUI.Button(Rect(600,320,100,25),"退出系統(tǒng)")){

Application.Quit();

}

}

圖2 場(chǎng)景切換界面

1.2.2 碰撞檢測(cè)設(shè)計(jì)

碰撞檢測(cè)[11-12]是模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的人物及物體在遇到障礙物時(shí)發(fā)生的本能反應(yīng),例如，當(dāng)角色遇到墻壁,如果沒有設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)，則角色會(huì)出現(xiàn)穿墻而過的失真現(xiàn)象，在現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)該是當(dāng)發(fā)現(xiàn)墻壁與角色存在一定距離時(shí)，則需要停止前進(jìn)。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員需要添加碰撞檢測(cè)函數(shù)。碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)及性能是整個(gè)數(shù)字校園漫游的性能指標(biāo)之一。Unity3d開發(fā)平臺(tái)默認(rèn)給每個(gè)對(duì)象(GameObject)添加一個(gè)碰撞組件(ColliderComponent)，一些背景對(duì)象則可以取消該組件。在unity3d中，能檢測(cè)碰撞發(fā)生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。這兩種方法應(yīng)用都非常廣泛。

在Unity3d中，主要有以下接口函數(shù)來(lái)處理這兩種碰撞檢測(cè)：

觸發(fā)信息檢測(cè)：

1）MonoBehaviour.OnTriggerEnter(Collider other)當(dāng)進(jìn)入觸發(fā)器

2）MonoBehaviour.OnTriggerExit(Collider other)當(dāng)退出觸發(fā)器

3）MonoBehaviour.OnTriggerStay(Collider other)當(dāng)逗留觸發(fā)器

碰撞信息檢測(cè)：

1）MonoBehaviour.OnCollisionEnter(Collision collisionInfo)當(dāng)進(jìn)入碰撞器

2）MonoBehaviour.OnCollisionExit(Collision collisionInfo)當(dāng)退出碰撞器

3）MonoBehaviour.OnCollisionStay(Collision collisionInfo) 當(dāng)逗留碰撞器

2 虛擬校園的實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬校園漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

虛擬校園提供三維瀏覽功能有利于用戶通過網(wǎng)絡(luò)直觀地獲取信息，可以自主控制前進(jìn)方向。構(gòu)建這樣的虛擬校園系統(tǒng)，在開發(fā)過程中需要解決的問題如下：

1）可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽,文件不能過大,要保證適合大多數(shù)計(jì)算機(jī)可以訪問;

2）以一定的比例真實(shí)縮小實(shí)體校園,所有重要的場(chǎng)景要盡量真實(shí)還原;

3）提供比較人性化的GUI界面,比如“幫助導(dǎo)航”用來(lái)給用戶提示信息;

4）設(shè)置與學(xué)校官網(wǎng)鏈接的頁(yè)面導(dǎo)航;

5）配備背景音樂,并可以由用戶自行設(shè)置關(guān)閉或打開;

6）設(shè)置導(dǎo)航圖方便用戶了解校園的整體;

7）通過服務(wù)器多用戶交互。

2.2 構(gòu)建過程

2.2.1 數(shù)據(jù)收集

通過實(shí)地考察量，測(cè)量，拍照等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集。

2.2.2 模型構(gòu)建

學(xué)校模型通常為學(xué)校大門，教學(xué)樓，路燈，花池，樹木，草地等元素構(gòu)成。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)通過3dmax對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行平面建模，在模型構(gòu)建過程中添加貼圖，材質(zhì)，燈光，效果等構(gòu)建出逼真的模型。在模型的構(gòu)建中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化.一個(gè)虛擬校園系統(tǒng)還是比較大的,對(duì)模型充分的優(yōu)化可以減小最后網(wǎng)絡(luò)文件的大小,利于用戶瀏覽。

2.2.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備,以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù).在本系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互包括GUI界面設(shè)計(jì)和漫游設(shè)計(jì).。用戶通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽器打開該系統(tǒng)，在系統(tǒng)的介紹下進(jìn)行校園漫游，用戶以第一人稱視角進(jìn)行瀏覽，增強(qiáng)體驗(yàn)感，通過控制鍵盤wasd控制視角的移動(dòng)同時(shí)鼠標(biāo)控制視角的旋轉(zhuǎn)。音樂可以給用戶帶來(lái)試聽上的快感，結(jié)合視角，使其有種身臨其境的感覺，同時(shí)用戶可以自己開關(guān)音樂。系統(tǒng)添加碰撞檢測(cè)系統(tǒng)使得用戶不會(huì)出現(xiàn)穿墻現(xiàn)象，完善虛擬環(huán)境的真實(shí)性。

3 效果展示

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行截圖1（地點(diǎn)為西安石油大學(xué)東方廣場(chǎng)）

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行截圖2（地點(diǎn)為西安石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓）

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行截圖3（地點(diǎn)為西安石油大學(xué)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)一角）

4 軟件測(cè)試與優(yōu)化

任何系統(tǒng)都需要進(jìn)行黑盒子測(cè)試以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題和漏洞。本系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)存在占用網(wǎng)絡(luò)流量大，運(yùn)行緩慢的現(xiàn)象。分析原因是因?yàn)闇y(cè)試電腦配置較低及網(wǎng)絡(luò)帶寬限制。這就要求我們從用戶角度出發(fā)，在保證真實(shí)度的情況下盡量減少模型的數(shù)量，大部分建筑需要通過平面建模來(lái)優(yōu)化模型的復(fù)雜度，在建模過程中盡量減少模型頂點(diǎn)和分段數(shù)，在unity3d處理過程中，盡量使用靜態(tài)燈光，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)燈光相比靜態(tài)燈光，非常耗費(fèi)資源。所以除了能動(dòng)的角色和物體靜態(tài)的地形和建筑。盡量減少視角范圍和距離，減少不必要的運(yùn)行消耗。

具體實(shí)施方案有：

1）模型設(shè)計(jì)方向：

a）使用層距離來(lái)控制模型的顯示距離；

b）陰影其實(shí)包含兩方面陰暗和影子，建議使用實(shí)時(shí)影子時(shí)把陰暗效果烘焙出來(lái)，不要使用燈光來(lái)調(diào)節(jié)光線陰暗；

c）少用像素?zé)艉褪褂孟袼責(zé)舻腟hader；

d）如果硬陰影可以解決問題就不要用軟陰影，并且使用不影響效果的低分辨率陰影；

e）實(shí)時(shí)陰影很耗性能，盡量減小產(chǎn)生陰影的距離；

f）允許的話在大場(chǎng)景中使用線性霧，這樣可以使遠(yuǎn)距離對(duì)象或陰影不易察覺，因此可以通過減小相機(jī)和陰影距離來(lái)提高性能。

2）程序優(yōu)化方向：

a）刪除腳本中為空或不需要的默認(rèn)方法；

b）只在一個(gè)腳本中使用OnGUI方法；

c）避免在OnGUI中對(duì)變量、方法進(jìn)行更新、賦值，輸出變量建議在Update函數(shù)中調(diào)用；

d）同一腳本中頻繁使用的變量建議聲明其為全局變量，腳本之間頻繁調(diào)用的變量或方法聲明為全局靜態(tài)變量或方法；

e）不去頻繁獲取組件，將其聲明為全局變量；

f）需要隱藏/顯示或?qū)嵗瘉?lái)回切換的對(duì)象，不使用SetActive Recursively或active，使用將對(duì)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)移出相機(jī)范圍和移回原位的做法；

g）盡量少用模運(yùn)算和除法運(yùn)算，比如a/5f，需改寫成a*0.2f。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以西安石油大學(xué)新校區(qū)為例，基于Unity3d平臺(tái)開發(fā)的系統(tǒng)運(yùn)行效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)用3dmax建模軟件進(jìn)行對(duì)場(chǎng)景建模，通過Javascript和C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，最后結(jié)合html進(jìn)行融合導(dǎo)出，從而完成虛擬校園的開發(fā)。在論文中重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)以及對(duì)系統(tǒng)從模型設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)兩方面的優(yōu)化。該系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，基本實(shí)現(xiàn)學(xué)生用戶的使用需求。

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