基于Unity 3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析
——以河南工業(yè)大學(xué)校園設(shè)計(jì)為例

汪俊峰 王星東 段智永

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于Unity 3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析
——以河南工業(yè)大學(xué)校園設(shè)計(jì)為例

汪俊峰 王星東 段智永

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

以河南工業(yè)大學(xué)的建筑物和地形為模板，先通過(guò)對(duì)校園中的建筑進(jìn)行拍照取景，獲得建筑物相應(yīng)的真實(shí)畫面，并對(duì)建筑進(jìn)行測(cè)量；接著以CAD的二維校園圖作為模型制作底圖，進(jìn)而以3Ds Max建模軟件來(lái)建立相應(yīng)的三維模型，并進(jìn)行紋理貼圖；最后將三維模型導(dǎo)入到Unity 3D交互軟件中實(shí)現(xiàn)交互及漫游功能，并生成一個(gè)能夠在PC機(jī)上獨(dú)立運(yùn)行的三維漫游系統(tǒng)。

虛擬校園；三維模型；Unity 3D

虛擬校園是數(shù)字化校園的重要內(nèi)容，突破了空間的局限性，能真正直觀地展示沉浸交互式的三維校園場(chǎng)景［1，2］。自從虛擬現(xiàn)實(shí)被提出后，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。美國(guó)宇航局已經(jīng)建立了衛(wèi)星維修仿真系統(tǒng)、航空虛擬仿真系統(tǒng)以及空間站實(shí)訓(xùn)的仿真系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立起了可以供全美教育機(jī)構(gòu)來(lái)使用的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)［2，3］。在2000-2003年，瑞士為大學(xué)撥款3 000萬(wàn)瑞郎來(lái)鼓勵(lì)支持高校虛擬校園項(xiàng)目的創(chuàng)建，與此同時(shí)瑞士幾所學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)聯(lián)合制定并實(shí)施了虛擬校園計(jì)劃［2，4］。截至目前，國(guó)內(nèi)最早開展這項(xiàng)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)，是位于西北工業(yè)大學(xué)電子工程系西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心［5］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成的逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助一些特殊的輸入、輸出設(shè)備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進(jìn)行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感覺和體驗(yàn)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為信息技術(shù)中繼多媒體技術(shù)領(lǐng)域后，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中另一個(gè)廣泛關(guān)注、研究及開發(fā)的重點(diǎn)，成為了一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng)，與人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手，對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。

1 數(shù)據(jù)的采集和處理

1.1 CAD處理

把學(xué)校整體的CAD規(guī)劃圖通過(guò)CAD軟件進(jìn)行處理，刪除掉多余的注釋及標(biāo)記，只保留建筑物和地形等物體，加上從Local Space View截取的二維衛(wèi)星圖，通過(guò)對(duì)比進(jìn)行校正處理，最后得到符合現(xiàn)在真實(shí)地形的CAD地形圖。

1.2 建筑物尺寸的測(cè)量及照片采集

建立建筑物模型時(shí)，必須具有其高度信息，在構(gòu)建虛擬三維模型的過(guò)程中一般采用少量的測(cè)量，同時(shí)結(jié)合大量的估算來(lái)估量出建筑物的對(duì)應(yīng)高度尺寸。為保證建筑物的高度真實(shí)，對(duì)樓層的階梯高度進(jìn)行多次測(cè)量然后取平均值，之后就能得到相對(duì)準(zhǔn)確的一階樓梯的高度，然后再用一階樓梯的高度與階梯的數(shù)量相乘就能得到樓層的高度，進(jìn)而再根據(jù)建筑物的總層數(shù)即可計(jì)算得出建筑物的整體高度。

用單反相機(jī)拍攝到的照片經(jīng)Photoshop軟件處理后可以用作建筑物模型的外部紋理貼圖。拍攝的照片質(zhì)量將會(huì)直接影響到校園虛擬漫游場(chǎng)景的整個(gè)效果。所以，對(duì)拍攝時(shí)間、光照條件、拍攝的位置、拍攝時(shí)相機(jī)的傾斜角度及拍攝方式等均有很高的要求。整個(gè)過(guò)程中采集照片時(shí)一定要保證照片的質(zhì)量，一般包含建筑物的整體遠(yuǎn)景照片和細(xì)節(jié)照片，同時(shí)要在這個(gè)基礎(chǔ)上盡量減少拍攝照片的數(shù)量，從而減少拍攝照片的負(fù)擔(dān)。

1.3 貼圖處理

因拍攝所用的單反相機(jī)拍攝出來(lái)的照片的像素較高，如果直接用在建筑物上進(jìn)行貼圖，整個(gè)模型的大小就會(huì)非常大，在進(jìn)行渲染時(shí)將增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，到最后把所有模型合并在一起時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的超負(fù)荷現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)漫游系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢。因此，在能夠基本保持原有模型精細(xì)程度的前提下，盡量降低紋理圖片的分辨率和貼圖尺寸的大小，從而能夠保證數(shù)據(jù)正常傳輸和場(chǎng)景流暢運(yùn)行。將所有的單反相機(jī)拍攝的照片紋理素材在Photoshop軟件中處理編輯完成以后，在不影響漫游系統(tǒng)的顯示效果前提下盡量選擇分辨率比較小的貼圖，這樣能夠節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存和資源，提高系統(tǒng)的流暢性。

2 三維模型的建立

三維模型是校園場(chǎng)景中十分重要的一部分，主要通過(guò)3Ds Max建模軟件完成。如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單，模型的許多細(xì)節(jié)都不能展示出來(lái)，將導(dǎo)致模型失真；但建筑物的面數(shù)也不能太多，因?yàn)樘嗟拿鏁?huì)加重模型的渲染負(fù)擔(dān)。如果很多精度比較高的模型合并在一起，在漫游時(shí)很容易產(chǎn)生卡頓，所以采用折中的方法進(jìn)行處理，即用最少的面來(lái)模擬出最真實(shí)的三維建筑物。整個(gè)場(chǎng)景中需要制作的模型主要有學(xué)校的建筑物、地形和其他小品物體等三維模型。對(duì)于那些棱角分明、輪廓明顯的三維建筑物來(lái)說(shuō)，可采取直接用貼圖的方式來(lái)制作完成粗略的模型；而對(duì)于那些層次比較明顯的模型來(lái)說(shuō)，就需要進(jìn)行相對(duì)比較精細(xì)的建模，因此需要使用大量的面片來(lái)模擬真實(shí)的建筑物。

3 基于Unity 3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 模型導(dǎo)入

把在三維建模軟件中制作好的模型導(dǎo)入到Unity 3D軟件中。三維模型在3Ds Max軟件中制作完成并賦予正確的貼圖和材質(zhì)后，將三維模型導(dǎo)出為FBX格式的文件，再把FBX格式的文件導(dǎo)入到Unity 3D軟件中，會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)材質(zhì)的材質(zhì)球，但此時(shí)的材質(zhì)球還沒(méi)有貼圖，而且貼圖的類型一般也不匹配，需要進(jìn)行手動(dòng)匹配，然后再把所有的材質(zhì)球重新設(shè)置一遍，如果這些材質(zhì)球還有其他的顯示效果，就需要選擇對(duì)應(yīng)的渲染器進(jìn)行貼圖的設(shè)置。把相同材質(zhì)的建筑物模型附加在一起，然后再把模型導(dǎo)入到Unity 3D軟件，同時(shí)把所有用到的對(duì)應(yīng)的貼圖都放在Unity 3D軟件中對(duì)應(yīng)的文件夾中。

3.2 三維虛擬場(chǎng)景的建立

在整個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)的建立過(guò)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(guò)程中已經(jīng)全部準(zhǔn)備完畢，一般可以一邊制作三維模型一邊同時(shí)導(dǎo)入到Unity 3D軟件中進(jìn)行觀察，這樣做的目的是能夠及時(shí)查看模型導(dǎo)入的效果和優(yōu)缺點(diǎn)，之后再通過(guò)總結(jié)前面的模型遇到的問(wèn)題來(lái)指導(dǎo)后期模型的制作。在構(gòu)建整個(gè)三維場(chǎng)景時(shí)，首先需要加載二維平面圖，然后就是學(xué)校整體的建筑物模型，把模型導(dǎo)入到Unity 3D引擎軟件之前，先要把場(chǎng)景中用到的全部貼圖都導(dǎo)入到項(xiàng)目相應(yīng)的文件夾下，然后在Unity 3D自帶的模型庫(kù)中選擇比較適合的模型，調(diào)整適當(dāng)?shù)某叽绾皖伾Ｔ購(gòu)恼w上和細(xì)節(jié)上把握三維場(chǎng)景漫游系統(tǒng)的整體狀況。在系統(tǒng)的構(gòu)建制作過(guò)程中，可以適當(dāng)調(diào)整建筑物周圍的環(huán)境及場(chǎng)景屬性，還可以進(jìn)一步調(diào)整光源的顯示效果，同時(shí)可以添加一些粒子效果等。所構(gòu)建的虛擬河南工業(yè)大學(xué)校園漫游系統(tǒng)的部分場(chǎng)景如圖1～4所示。

圖2 辦公樓

圖3 圖書館和湖

圖4 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院

3.3 生成exe格式的可執(zhí)行文件

河南工業(yè)大學(xué)虛擬校園漫游系統(tǒng)有2個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)是首頁(yè)登陸界面的場(chǎng)景，一個(gè)是三維漫游時(shí)的校園場(chǎng)景。因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先載入的是首頁(yè)界面的場(chǎng)景，所以要添加首頁(yè)界面場(chǎng)景，并確保序號(hào)為0，然后再添加三維校園漫游場(chǎng)景。

對(duì)于最后生成的.exe格式的可執(zhí)行文件和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件夾，文件夾的名稱與可執(zhí)行文件的名稱要相同，必須要保持一致，否則可能會(huì)出現(xiàn)程序無(wú)法正常運(yùn)行的狀況。

4 結(jié)論

本文通過(guò)使用三維建模軟件制作完成了大量的建筑物模型、地形、樹木以及其他校園環(huán)境的三維模型來(lái)構(gòu)建虛擬校園漫游系統(tǒng)，不但可以讓用戶在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的交互式漫游，還可以通過(guò)空中俯視、地面瀏覽等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校虛擬場(chǎng)景的交互式漫游。使用戶在虛擬漫游系統(tǒng)中有很強(qiáng)的真實(shí)感，并可以對(duì)虛擬校園漫游系統(tǒng)中的相關(guān)建筑物進(jìn)行訪問(wèn)、查看等。

［1］陳立，王文開，胡嫣，等.基于3ds Max的三維虛擬校園動(dòng)畫漫游的實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)教育信息化，2010（5）：81-84.

［2］黃濤.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］.桂林：廣西師范大學(xué)，2014.

［3］陳濤，田海晏，岑學(xué)學(xué)，等.三維校園虛擬現(xiàn)實(shí)研究［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（2）：45-49.

［4］馬萍.三維虛擬校園立體場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2013.

［5］王富偉.基于3dmax和VRP-Builder平臺(tái)的數(shù)字校園虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)科技信息，2009（24）：95-96.

Design and Analysis of the Virtual Campus Roaming System
Based on 3D Unity --Taking the campus design of Henan University of Technology as an example

Wang Junfeng Wang Xingdong Duan Zhiyong
（College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

In this paper,with the buildings of Henan University of technology and terrain as a template,first through the construction of the campus view photograph,the construction corresponding real picture was obtained,and the school buildings were measured;Then CAD 2D campus figure was made as model production base,and 3Ds Max modeling software was used to establish the corresponding 3D model,and texture map;Finally the 3D model was im?ported into 3D Unity interactive software to realize the function of interaction and roaming.,and a 3D roaming system that can run independently on the PC machine was generated.

virtual campus；3D model；Unity 3D

TP391.9

A

1003-5168(2016)09-0045-03

2016-08-10

汪俊峰（1992-），男，本科，研究方向：虛擬三維研究。