基于Unity的虛擬校園漫游系統的實現

天津職業技術師范大學 秦 凡 朱 澤 胡松花 段海龍

1.引言

目前國內的虛擬校園建設大部分采取的是外景的漫游系統,用戶利用鍵盤和鼠標對場景進行漫游。具體的例如重慶郵電大學和天津科技大學的三維虛擬漫游、哈爾濱工業大學的矢量圖漫游系統。但是目前的虛擬校園系統存在以下幾個缺陷：

（1）單一的漫游模式：目前無論是虛擬校園還是商業的漫游系統都存在用戶體驗性單一的問題。用戶只能利用前進,后退和水平方向的平移來進行瀏覽，一旦漫游場景太大就會讓用戶覺得乏味，缺少了交互性和沉浸感。

（2）不夠理想的視覺效果：在大多數虛擬現實的建設過程中，貼圖的改進和優化往往被忽略。真實性和用戶體驗不夠好。

（3）沒有語音導航功能：在網絡上的虛擬校園中基本沒有出現帶有導航功能。在目前各大高校越來越大的新校區建設和復雜的路況信息情況下,對于虛擬導航的需求也提升到了用戶的需求層面。

2.系統總體設計

本項目首先研究了虛擬現實技術的特點，以及其在虛擬校園漫游系統中的應用，在此基礎上基于幾何造型和圖像的建模技術完成整個虛擬校園系統的體系結構和場景地景的建模。根據圖形學原理，建立校園內建筑物的三維模型，并建立戶外草地、道路、樹木等虛擬景物。從本系統需求出發，我們選擇了利用3ds Max搭建模型，利用Unity3d搭建場景，利用Unity3d自帶的monodevelop編輯軟件，采用c#的編程語言來實現功能的編寫，最后確立如何在虛擬建筑中漫游的方法和策略，最后以天職師大學校園為背景建立虛擬環境，以第一人稱視角進行虛擬校園漫游，使用者可通過模擬騎行來游覽校園，使用Socket強連接的通信方式，通過服務器myrio發送自行車的實時速度及角度的數據到客戶端unity上，實現對虛擬場景的實時漫游功能。（見圖1）。

圖1

3.上位機部分（unity3D）的實現

3.1 虛擬場景構建

（1）信息采集

①通過查詢資料，得到了學校的CAD規劃平面圖，并根據CAD的圖例得到需要的信息，基本確定建筑物的布局。

②為了將校園環境中的建筑物、道路表現的更加真實，對具體對象用數碼相機拍攝清晰照片，并用Photoshop等軟件對照片進行雜質去除、大小調整、對比度、亮度等處理。

③為了虛擬模型中環境更加生動逼真，在unity中制作了車輛、花草樹木等預制體。

④根據校園實景，對于學校的CAD規劃平面圖中不準確的布局信息進行修改優化。

（2）模型構建

模型構建主要包括建筑物構建與環境構建。建筑構建是包括校園里的地形、建筑物，以學校的CAD規劃平面圖作為數據參考，選擇合適的比例尺，在Unity3D中進行地形和建筑物的構建。環境部分主要包括花草樹木、路燈、車輛、涼亭及垃圾桶，這些在Unity3D中有自帶的多種模型可以選擇。在模型的構建中需要注意的是各建筑物材質球的制作及模型各面的優化，貼圖除盡量真實外，還要注意與建筑物的大小相匹配，避免影響模型美觀與系統運行速度。對模型比例尺的正確選擇，建筑物的合理布局可以減少最終文件的大小，利于存儲運行及用戶的快速瀏覽。

3.2 建筑物的碰撞檢測與觸發檢測

①在Unity3D建模過程中，為了模擬真實環境中遇到障礙物時物體的本能反應，我們需要做一些碰撞事件的處理，例如物體不能穿墻而過。在 Unity3d 中，能檢測碰撞發生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發器。碰撞器是一群組件，根據應用場合的不同，碰撞器又分為多種，例如：Box Collider、Sphere Collider等。此外，碰撞器的使用需要加在游戲對象的身上，并且它要與剛體一起添加到游戲對象上才能觸發碰撞。

②如果既要檢測到物體接觸又不想碰撞檢測影響物體移動，則可用觸發器。觸發器只是碰撞體身上的一個屬性，即在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性選擇框。

3.3 校園漫游與語音播放

為讓使用者更清晰地了解校園各建筑的結構及其作用，同時增加漫游的趣味性，我們為各個建筑添加了AudioSource組件，將聲音資源添加到AudioSource中的AudioClip上面,并在Camera上添加了AudioListener組件。利用觸發檢測可以捕捉攝像機的動作，我們設置當攝像機進入觸發范圍內，語音播放，離開觸發范圍，語音播放結束。

4.下位機myrio軟件設計

以下分別為myrio在labview中的編程結果，見圖2。

①角度計算：用myrio采集自行車的車把轉動角度，用myrio接收到的滑動變阻器兩端的電壓值，從而換算出對應相對角度，每200ms采集一次，后一次角度值減前一次角度值即角度變化量。

②速度計算：用myrio采集自行車的實時轉速。把小磁鐵固定在車輪上，小磁鐵通過霍爾傳感器時，霍爾傳感器產生一個相應的脈沖，計算兩個連續脈沖的時間差，乘以磁鐵個數即車輪轉一圈所用時間，再依據公式v=2πr/t，計算出車輪實時速度。

圖2 Labview前面板程序

5.網絡通信

labview網絡通信的程序：該通信程序利用tcp協議，將下位機myrio計算出的速度值和角度值，利用WiFi傳給上位機unity使unity作出相應動作。見圖3。

圖3 tcp網絡通信程序

使用Socket強連接的通信方式，通過服務器labview發送自行車的實時速度及角度的數據到客戶端unity上，使用unity建立Socket客戶端去連接服務器，進行數據通信。Socket支持TCP/IP協議網絡通信。

6.系統性能測試與實例驗證

以天職師大校園為模型，通過3D MAX三維建模和ps修圖等處理，在Unity3D上實現虛擬校園漫游系統如圖所示，瀏覽者可以對場景進行全方位瀏覽，而且也可以通過myrio傳送以騎行的方式漫游，還可以選擇不同視角進行瀏覽。該系統設計與實現方法具有很好的應用價值。

7.結論

總體來說虛擬校園作為虛擬現實的一個應用，可以讓學生或家長在虛擬環境下漫游學校，對校園有較直觀的了解。不用實際漫步整個校園就能對校園內各個方位的建筑有較好的了解，虛擬的現實場景給人身臨其境的感覺，也為我們提供了便利。此外，在實際操作中通過模擬騎行自行車，體驗穿梭于校園的真實感受，也能讓人體會到游戲的樂趣。

本項目的技術方案是首先進行圖像的采集，接著完成模型的建立，然后用Unity3D完成場景的搭建，并實現功能的編寫，最后用網絡通信實現建模與程序之間的通訊。虛擬校園項目的運行載體為普通的計算機，大大降低了項目成本，并且在地點設置上也沒有確切的限制。

天津職業技術師范大學虛擬漫游系統是數字化校園建設的基礎，它是一個三維可視化的，有聲有色的仿真校園景觀，該系統的研究和實現對后續數字校園的建設有重要的現實意義