基于Unity的校園漫游VR系統設計與實現

張耀

摘要：隨著信息技術的高速發展和互聯網的快速普及，媒體信息的呈現方式經歷了由純文字信息到圖像、音視頻，由二維靜態的圖片到動態三維的圖像變換。本文研究的虛擬校園漫游VR系統，是以蘇州工業園區服務外包職業學院為虛擬空間，基于3D游戲引擎制作開發的虛擬校園漫游系統。用戶隨時隨地借助計算機設備瀏覽校園，進行查詢信息、互動觀察。

關鍵詞：虛擬現實;虛擬校園;Unity3D

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0124-03

0 前言

虛擬現實（VR， Virtual Reality）是一種充分利用計算機硬件與軟件資源的集成技術，綜合了計算機圖像、數字媒體、人機交互、網絡通信等多種學科技術而發展起來的計算機領域新技術[1]。虛擬校園（Virtual campus）是虛擬現實技術在教育培訓中最早的具體應用。它將校園信息以三維可視化的形式在計算機上呈現，并可以在線的方式通過互聯網，用戶遠程訪問校園空間。

1 Unity3D游戲引擎

Unity3D是時下十分熱門的一款3D游戲引擎，對DirectX和OpenGL擁有高度優化的圖形渲染管道，提供了具有柔和陰影與烘焙Lighting maps的高度完善的光影渲染系統。憑借著其獨特的性能和華麗的3D處理效果以及在視角等方面的優勢，得到了越來越多游戲、虛擬現實開發者的好評。其最新版本支持以WBGL格式發布輸出，更是解決了眾多Web3D虛擬現實制作軟件需要下載瀏覽器插件運行的問題。

2 虛擬校園系統的技術分析

目前在網絡上看到的虛擬校園系統，基本上是基于兩種技術實現的。一種是基于全景攝影技術制作開發，也稱為720全景瀏覽。一種是基于三維模型實時渲染制作開發。

2.1 基于全景攝影技術的展示設計

基于全景攝影技術的展示設計，是以實景拍攝的照片（或3D渲染效果圖）為素材，通過這些素材組合而成球形視圖。導入至相關軟件平臺中，實現動態交互，用戶能用鼠標控制環視上下左右四周。全景瀏覽具有較強的真實感、沉浸感、成熟的技術平臺等優勢。但是基于全景攝影技術的缺點也很明顯，比如說對硬件的投入和依賴度很大，拍攝720實景照片的攝影器材除了要有專業單反相機以外，需要特定的8mm魚眼鏡頭，甚至還要有全景云臺輔助拍攝。只能移動視角，無法真正實現自由走動，不能實現真正意義上的互動，后期更新和改動相當麻煩等。因此，嚴格來說它只能算是技術含量相對較低的偽三維虛擬展示形式。

2.2 基于三維模型實時渲染的展示設計

基于三維模型實時渲染的展示設計，是指根據項目需要，通過各種3D建模軟件（3Ds Max、MAYA等），以幾何模型來構建各種3D虛擬場景物件。通過繪制紋理材質、烘焙貼圖、渲染處理，導入虛擬現實制作軟件進行場景的拼接、設定交互操作，并將文字、圖像、聲音、視頻等多媒體信息整合，最終打包輸出應用。目前主流的虛擬現實制作軟件有：Unity3D、Unreal 4等等。

受軟件技術的制作門檻和硬件設備條件的限制等因素，目前基于三維模型的實時渲染效果制作技術難度較高，普通人很難在短時間內掌握整套制作流程。這也是720全景瀏覽的展示方案能夠與之并存的原因。但由于基于三維模型的實時渲染技術實現的效果立體感、空間感和互動感都更強烈，所以它才是最有發展前景的虛擬現實制作方向。

2.3 開發平臺的選擇

考慮到以往的虛擬校園漫游系統大多采用Virtools、Quest3D、中視典VRP等軟件平臺開發，無論是在交互性、沉浸感等方面都或多或少的存在一些缺陷。由于游戲引擎技術的不斷發展成熟，特別是Unity3D其獨特的性能和華麗的3D處理效果以及在視角等方面的優勢，其運行環境穩定性和可操作性比Virtools要強，復雜模型和地形的展示效果也比Quest3D好，交互性的優勢也非常明顯。所以本項目決定選用Unity3D來實現該系統。

3 虛擬校園系統的構建

虛擬校園系統包括一個高度仿真的特定區域的虛擬環境。它是對人的肉眼所看到的學院景物進行的高度擬真，通過計算機形成的三維模型再現了真實校園的景物。它使用先進的計算機圖形圖像技術，形成了一個高度擬真的3D視、聽覺的感官世界，用戶借助某些設備對這些生成的虛擬校園進行瀏覽和交互。有效地實現具有虛擬現實沉浸感的三維虛擬校園[2]。如圖1所示：

3.1 數據的收集和整理

為了盡可能真實的展現校園環境中的樓宇建筑，地形地貌，規劃布局，植被綠化，實現寫實逼真的擬真效果，必須收集獲取現實環境中的數據和參考素材。 首先，根據校園規劃圖紙，掌握整個校園的建筑樓宇布局，有條件的話，借助專業測繪儀器進行實地測量，獲取更為精準的數據。這個對校園中各部分的空間構成十分重要。其次為了了解較為精細的局部情況，使用數碼單反相機在現場拍攝數碼照片，對于樓宇建筑物，花卉，綠植和附屬設施來說，紋理貼圖主要來自照片的后期加工處理。在Photoshop中對數碼照片進行必要的處理，例如圖像的尺寸大小調整，去除噪點雜質，調節亮度，對比度和銳化等效果，按制作規范形成模型的紋理貼圖，按命名規范進行存放匯總。

3.2 場景模型的數據庫組織

對前期收集的資料和數據進行規整后，整個場景中的數據模型按照一定的邏輯規則進行組織，數據模型以模塊化結構的形式組織，有利于模型的構建 、場景的整合、優化等維護和管理。模塊化結構根據對象的類型劃分， 相同類型的物件歸為同一個模塊，并且可以在每個模塊中再細分。 例如，整個場景可以由樓宇建筑，附屬設施和配件，綠植地形等組成。同時樓宇建筑又可以教學樓，實訓樓，圖書館，行政樓、宿舍樓等。以此規范組織數據庫，層次結構清晰，一目了然。如圖2所示。

3.3 三維模型的建立

即通過計算機，按真實的尺寸比例將校園中的各樓宇建筑和綠化景觀等物件建立三維模型并繪制材質貼圖。形成虛擬校園三維模型庫，主要包括樓宇建筑、地形綠化、橋梁景觀和路燈等其他物件模型等等。建模步驟主要有模型布線—拆分UV—貼圖處理—材質渲染等步驟。以下將以行政樓為例介紹具體制作流程。

首先是采用單反相機進行拍攝的整棟樓宇的正面視角圖像，為了提高系統的運行效率，必須在保證建筑物形狀的情況下最小化多邊形的數量，例如基本在同一平面內的門和窗，可以采用貼圖來表現效果。 突出建筑的四面必須遵循建筑的原型進行建模布線。

拍攝的照片主要用來參考制作紋理貼圖的素材，根據樓宇的對稱特性以及表面裝飾的顏色紋理與材質，經過Adobe Photoshop軟件處理后導出為貼圖文件。根據前期獲取的參考素材和數據，按大樓的長寬高比例，在3DS Max中進行建模布線。

校園環境復雜，物件種類繁多，虛擬校園中的場景模型是一個比較復雜的3D模型資源庫，這些資源對系統內存的占用較高，當模型資源消耗了大部分計算機硬件的內存空間后，就會拖慢整個系統的運行速度。如果在3Ds Max中進行建模時不注意控制模型資源，在進行相應的接口轉換時就容易導致系統崩潰。在建立模型時一般采用單元分割的方法來提高系統運行的實時性。貼圖方面，需要使用標準的紋理尺寸，如128×128、128×256、1024×1024等2的倍數，并且分辨率越小占用顯存資源越少，兩者的關系如表1所示。

由此可知，顯存的占用隨著貼圖分辨率的提高也大幅增加。因此，對于一些遠景物體或者顯示效果要求不是很高的物件，可以使用低分辨率的圖像進行紋理處理。

3.4 用Unity3D實現漫游

3.4.1 模型的導入與設置參數

由于3Ds Max與Unity3D使用的3維坐標體系不同，3Ds Max中是Z軸向上，而Unity3D中是Y軸向上，如果不注意導出格式的話，導入后會出現模型錯位的問題。注意導出格式選用FBX格式可以規避出現此類問題。導出的時候，可以將模型簡單的分類，如地面、植被、樓房等，也可以將模型分為幾個區域，如教學區，宿舍區，操場等等分開導出。

（1）將包含FBX文件和Textures文件夾的文件夾拷貝到Unity3D項目的Assets目錄下，啟動Unity3D編輯器。選擇剛才拷貝進來的文件中的FBX文件，修改其中的Meshes下的Scale Factor和Generate Colliders。點擊其他FBX文件或者單擊其他區域將彈出對話框。點擊Apply即可，類似的方式設置其他FBX文件。注意，其中植物/植被類的FBX文件不需要設置Generate Colliders項。

（2）鼠標左鍵點選FBX文件拖拽到Hierarchy窗口區域，點擊Hierarchy區域中的GameObject對象，如需近距離三維顯示目標區域，則點擊鍵盤F鍵，該對象自動適配顯示到三維區域中心。將全部三維模型的FBX文件導入完成后，可以調節場景燈光亮度。單擊Ambient Light調整設置合理的參數即可設置完成。

（3）設置第一人稱瀏覽。首先導入Standard Assets資源包，然后將資源包目錄Prefabs下的First Person Controller拖拽到Hierarchy窗口區域中。點選First Person Controller，通過Inspect窗口中的Transform屬性值，調整到場景中合適的坐標位置，同時調節其高度位置在場景地面以上，數值的合理區間一般在1.6到2.2左右。

（4）完成模型的導入后，加載SteamVR資源包，調用VR相關組件，調整好參數設置后。點擊運行按鈕，即可運行場景，連接HTC VIVE虛擬現實頭盔設備，可進行真機測試。

3.4.2 場景的技術優化

在Unity3D中每一個被展示的獨立的部分都被放在了一個特別的包中，稱之為“描繪指令”（draw call），然后這個數據包傳遞3D部分在屏幕上呈現出來。通過CPU來完成包裝和傳遞這些過程，同時會消耗很多的帶寬，所以最終分配好這些關鍵性資源很重要。為了降低CPU和網絡帶寬的占用。 就需使用Culling（剔除）技術來有效減少“描繪指令”（draw call），以大幅提高系統的網絡傳輸速度和系統運行的流暢性。

Culling（剔除）技術目前主要分為兩種：視錐體剔除（Frustum Culling）和遮擋剔除（Occlusion Culling），前者Unity3D系統已自帶，為默認的優化功能。Unity 3專業版內置了一個免費的強大的Occlusion Culling 插件Umbra。遮擋剔除（Occlusion Culling）是Unity中被用于游戲場景后期優化的一種有效手段，它的具體作用是只將攝像機能看到的物體渲染出來，而攝像機無法看到的物體，將會被計算機自動從內存中除去，不進行渲染。如此便極大地提高了計算機的運行效率。

4 結語

本文從前期收集資料和素材整理，到中期使用3Ds Max和Photoshop進行三維建筑模型制作，后期運用Unity3D整合模型資源，建立場景，用C#腳本語言實現人機交互，最終實現了一個完整的虛擬漫游系統。針對項目三維場景的特殊需求，對遮擋剔除相關技術作了系統深入的研究，大幅優化了系統的運行效率和流暢度。

參考文獻

[1]邱有春.虛擬校園場景建模和漫游系統的實現[D].電子科技大學，2009.

[2]楊琳.虛擬校園三維全景漫游技術研究[J].計算機工程與科學，2009（10）：35-41.

[3]鄒靜.迎接互聯網的明天——玩轉3D Web.[M]電子工業出版社，2011：87.

Design and Implementation of Campus Roaming VR System Based on Unity

ZHANG Yao

（Suzhou Industrial Park Service Outsourcing Vocational College， Suzhou Jiangsu 215123）

Abstract：With the rapid development of information technology and the rapid spread of the Internet， the presentation of media information has gone from pure text information to images， audio and video， from two-dimensional static images to dynamic three-dimensional image transformation. The virtual campus roaming VR system studied in this paper is a virtual campus roaming system based on the 3D game engine. Users can browse the campus with computer equipment anytime and anywhere， and query information and interactive observation.

Key words：virtual reality; virtual campus; Unity3D