基于Unity3D的虛擬校園

劉發久

（山西農業大學信息學院，山西太谷030800）

基于Unity3D的虛擬校園

劉發久

（山西農業大學信息學院，山西太谷030800）

虛擬校園是數字校園建設的基礎，它的研究和創建對以后數字校園的建設有重要的現實意義。文章以山西農業大學信息學院為例，采用多場景建模方法，構建了虛擬校園的三維場景。運用Unity3D跨平臺引擎，結合C#腳本語言，實現人機交互控制。在虛擬校園環境中，用戶可進行三維空間的漫游、導覽，并能夠方便、詳盡的查詢校園各部分的相關信息。系統運行效果良好、維護簡單，說明了Unity3D是設計、開發虛擬現實平臺的有效工具。

虛擬漫游；虛擬校園；Unity3D；游戲引擎

近幾年隨著計算機技術的發展，校園信息化建設也快速發展，而虛擬校園是校園信息化建設的重要組成部分［1］。傳統的虛擬校園都是建立在二維平面地圖和影像地圖的基礎上，已經不能滿足學校對外招生宣傳、校園導航、信息化管理的多元化功能需求［2］。三維虛擬校園基于虛擬現實技術和網絡技術，它更直觀形象，更逼近校園的實景，并具有更好的交互性，能夠給使用者一種逼真、身臨其境的感覺。當前，三維虛擬校園已成為校園門戶網不可缺少的重要欄目，對學校的對外形象宣傳、招生宣傳、信息化管理將產生重要的作用。本文采用3DMax為場景建模工具，選用Unity3D游戲引擎為開發平臺，設計、開發了基于Web環境的三維虛擬校園，并深入討論了三維場景建模和漫游、交互設計中的一些關鍵技術。

Unity 3D是一套包括圖形、聲音、物理等功能的游戲引擎，提供了一個強大的關卡編輯器，支持大部分主流3D軟件格式，使用C#或JavaScript等高級語言實現腳本功能，使開發者無需了解底層復雜的技術，快速地開發具有高性能、高品質的游戲產品。Unity3D是跨平臺的3D游戲引擎，支持的平臺包括PC、Mac、Linux、Web、IOS、Android、Xbox360、PS3等大部分主流游戲平臺［3］。在很多時候，可以選擇在PC平臺開發和測試，然后只要很少的改動，就可以將游戲移植到其他平臺。

1　虛擬校園開發流程與設計

1.1虛擬校園開發流程

虛擬校園的開發遵循軟件開發的一般步驟，依次是分析、設計、開發、測試、修改反復且漸進的完成所規劃的功能［4］。系統開發的流程可以分為兩大部分：第一部份是構建校園的三維模型，其工作的主要內容是利用三維建模軟件3DMax對校園地形、建筑和環境建模；第二部分是在虛擬校園環境中實現用戶與環境間的交互，其工作的主要內容是編寫互動腳本，利用腳本把靜態的三維模型與Unity3D連接起來，賦予模型交互的能力。系統開發的詳細流程如圖1所示。

圖1　虛擬校園開發流程

1.2虛擬校園設計

虛擬校園的設計目標是給使用者提供一個盡可能逼真的校園仿真環境，并實現用戶與環境間的交互。虛擬校園的設計、規劃如下：

1）用戶可通過網絡訪問、瀏覽。為了適應不同的網絡環境和硬、軟件設備，仿真場景不能過大，本文將校園劃分為6個子場景，并解決了子場景間的不可見問題。

2）校園三維展示功能。建立學校主要景觀如教學樓、體育場、圖書館、宿舍樓等建筑物的精細模型，盡量接近現實。

3）漫游功能。用戶可以通過鍵盤、鼠標控制在校園內隨意游覽，也可以通過導航菜單直接到達指定區域。

4）多媒體展示服務。可以在場景中嵌入視頻、音頻、文字等宣傳資料，訪問者到達特定區域后，可通過點播列表選擇播放內容，現場感更強、三維展示更生動。

5）設置鳥瞰圖、導航圖方便用戶對校園整體的了解。

2　虛擬校園的實現

2.1模型的構建

模型是虛擬校園的基礎，能夠直接影響到系統的仿真效果。校園模型主要包地表模型、建筑模型和環境模型。

地表模型可根據校園的等高線地形圖生成，首先用CAD對其進行預處理，然后導入3DMax生成由不規則三角形面構成的地表模型。建筑模型可根據校園平面規劃設計圖和樓宇的立面圖生成，將這些圖導入3DMax中生成精確的三維建筑模型。對于建筑物表面的細節例如陽臺、門窗、護欄等并沒有單獨建模，而是采用紋理映射的方法，用紋理圖片來代替復雜的模型結構。環境模型主要包括樹木、花草和植被。校園場景中有大量的樹木，為了降低場景的復雜度，并未對樹木建模，而是采用廣告牌的制作方式。花草和植被采用了紋理映射的方法。在模型的構建中還考慮到對模型的優化，通過采用刪除不可見面、減少材質數量、壓縮貼圖等優化方法，簡化了模型，減少了模型的大小［5］。

圖2　虛擬校園模型

2.2場景設計

如果場景中包含了過多的模型，就會增加系統的載入時間和執行時間，導致用戶在操作上出現長時間的等待。為了改善這種情況，系統采用了多場景模式，即將校園劃分為多個完全獨立的子場景，并對每個子場景單獨建模。通過對校園的分割，減少了子場景中的模型數量，降低了子場景的復雜度，提高了渲染速度。在多場景模式中，用戶希望在哪個子場景中漫游，就載入哪個子場景而無須載入全部校園信息，這減少了系統的載入時間，使其更適合網絡瀏覽。本文將校園分為校門、教學樓和實驗樓，圖書館，體育館，體育場和宿舍區1，食堂和宿舍區2等6個子場景，子場景間按“九宮格”的方式排布，其分布如圖3所示。

圖3　校園場景布局

由于子場景的獨立性，各子場景之間是完全不可見的，也就是說用戶在某個子場景中不可能看到其它子場景中的景物，但這并不符合實際情況，比如，站在圖書館門前應該能看到體育館的側面輪廓。傳統的解決方法是在子場景的邊界設置綠化帶、雕塑等建筑物來遮擋用戶的視線，但這會影響仿真效果，降低用戶的體驗感。本文通過對子場景的擴展有效解決了子場景間的不可見問題，其擴展原則是：擴展有相鄰子場景的邊界，擴展的寬度為用戶的視距，然后將相鄰子場景邊界處視距范圍內的景物映射到擴展區域的相應位置。圖4為擴展后的教學樓和實驗樓子場景，圖中實線矩形框表示擴展前的場景區域，虛線矩形框表示擴展區域，實心矩形表示建筑物，可以看到在擴展區域的景物實際上是相鄰子場景對應區域的映像。

圖4　擴展后的教學樓和實驗樓場景

2.3交互設計與實現

將創建好的校園場景模型導入Unity3D開發環境，然后使用C#編寫互動腳本實現用戶與環境間的交互［6］。系統的交互設計主要包括校園漫游、場景鏈接交互和信息交互。

2.3.1校園漫游

漫游是虛擬校園的主要功能，系統支持用戶以第一人稱視角在校園中參觀、瀏覽。用戶借助鼠標和鍵盤在校園中運動，↑、↓、←、→鍵分別控制向前、向后、向左、向右運動，鼠標用于改變行進方向。實現校園漫游功能的步驟如下：

1）構建虛擬人物。導入人物模型，并命名為Player；新建一臺攝影機（Camera），將攝影機放到Player的頭部，并將其設置為Player的子對象，將環境觀察視角切換到攝影機，實現了第一人稱視角；為Player添加一個膠囊碰撞體（CapsuleCollider）組件，用來感知碰撞和模擬碰撞后的效果，例如，碰到墻后會停下來，調節膠囊的大小，使其剛好包裹Player；為Player添加一個剛體（Rigibody）組件，使Player的運動符合物理規則，例如，由于受到重力作用，跳起后不會飛向天空而是會重新落回地面。

2）控制虛擬人物運動。為了使虛擬人物運動，需要創建腳本PlayerMove，并將腳本指定給Player。下面舉例向前運動的代碼。

3）實例化虛擬人物。由于在每個場景中漫游都需要使用虛擬人物，因而創建Player的Prefab，并命名為PlayerPrefab；使用PlayerPrefab，通過編寫腳本InstantiatePlayer實例化虛擬人物，并將腳本指定給每個場景中的空對象。下面舉例實例化虛擬人物的代碼。

2.3.2場景鏈接交互

虛擬校園由6個場景構成，用戶可通過場景間的交互鏈接自由地選擇漫游場景。系統提供兩種場景鏈接方式：其一是當用戶到達場景中的特定位置時，通過觸發碰撞事件實現場景間的鏈接；其二是用戶通過導航菜單直接鏈接到指定場景。文中主要介紹通過觸發碰撞事件實現場景鏈接的方法，其實現步驟如下：

1）創建Cube對象，調整Cube的位置和大小，使其剛好包括場景中的某個擴展區域；將Cube的Box Collider組件的Is Trigger屬性設為真；刪除Cube的Mesh Renderer組件；用擴展區域所對應的場景名命名對象。

2）編寫場景鏈接腳本，并將其添加到Cube對象上。下面舉例場景鏈接的代碼。

3）重復執行以上操作，為場景的每一個擴展區域創建對應的Cube對象

2.3.3信息交互

用戶在漫游的過程中，可以通過信息交互，方便、快捷地查詢校園各部分的相關信息。系統提供兩種信息交互方式：其一是通過點擊物體實現信息交互。例如，用戶點擊公告板可以彈出信息瀏覽子窗體，查詢學校最新公告和課程表等信息；其二是通過觸發碰撞事件實現信息交互。比如，當用戶到達圖書館門口，就會出現圖書館的信息提示菜單，用戶可選擇通過視頻、音頻或文字介紹，查詢圖書館的歷史、建筑布局和館藏書籍等信息。碰撞交互的過程與場景鏈接的過程類似，本文主要介紹點擊交互的實現方法。點擊交互應用了3D拾取技術，即由攝影機和屏幕上的點擊位置確定一條射線，射線射向世界空間，最先和射線相交的物體就是被選中的物體。下面舉例是查詢公告板信息的部分代碼。

3　結束語

文中將虛擬現實技術應用到數字化校園建設中，采用多場景建模方法，利用3DMax構建了三維校園模型。借助Unity3D游戲引擎實現了校園漫游，場景鏈接交互和信息交互。最后利用Unity3D的多平臺部署功能，將其發布到Web平臺。用戶通過網絡在計算機上進行漫游，對校園景觀、校內的各種設施和服務等獲得身臨其境的感受。通過系統的開發，也證明了Unity3D是設計、開發虛擬現實平臺的有效工具。

［1］朱惠娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統［J］.計算機系統應用，2012，21（10）:36-38.

［2］歐陽攀，李強，盧秀慧.基于Unity3D的虛擬校園開發研究與實現［J］.現代電子技術，2013，4（2）:19-22.

［3］金璽曾.Unity 3D手機游戲開發［M］.北京:清華大學出版社，2013.

［4］李遠鑫，蔣海鷗，徐亦飛，等.基于Web3D的交互式虛擬社區［J］.計算機工程，2011，37（11）:289-290.

［5］劉海川，王小鵬，王磊.虛擬校園模型構建及優化［J］.電子科技，2010（11）:1-3.

［6］任宏萍，周犇.基于Virtools的虛擬校園在線交互設計與實現［J］.計算機工程與科學，2011，33（11）:117-119.

Virtual campus based on Unity3D

LIU Fa-jiu
（College of information，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

Virtual campus is the foundation of digital campus construction，the research on it has great significance to the further study on digital campus.Taking college of information，Shanxi Agricultural University as an example，this paper adopt the modeling method in multi-scene and build 3D scene of virtual campus.The Unity3D cross-platform engine and C#script language are applied on man-machine interactive control.The virtual campus enables the users to navigate the 3D virtual space，to guide and browse，and to inquire conveniently about relevant campus information at full length.The system runs well and maintain expediently，which means Unity3D is an effective tool for designing and developing a virtual reality platform.

virtual system of navigating；virtual campus；Unity3D；game engine

TN02

A

1674－6236（2016）12-0037-03

2015-06-27稿件編號：201506227

劉發久（1958—），男，遼寧大連人，碩士，教授。研究方向：游戲開發、虛擬現實、人工智能。