基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維虛擬校園系統(tǒng)的制作開發(fā)與研究

（青島濱海學(xué)院 266555）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)與藝術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)，其涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、三維軟件建模等多種技術(shù)，以構(gòu)造一個(gè)真實(shí)的“虛擬世界”為目的；具有創(chuàng)造性、交互性、情境性、沉侵性、多元性的特點(diǎn)。本文依托校級(jí)校級(jí)三維虛擬校園系統(tǒng)的制作開發(fā)與研究撰寫以濱海校園虛擬系統(tǒng)來對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行介紹，虛擬校園是校區(qū)內(nèi)地形、建筑、植被等為模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)校的三維虛擬環(huán)境，其可以起到對(duì)外宣傳校園與校園文化交流的作用，使人足不出戶就可了解我校的全貌，也有利于校園管理者對(duì)校園各區(qū)域的規(guī)劃與管理。

三維虛擬校園系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：整體校園模型的創(chuàng)建與unity交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本文以我校為例，采用基礎(chǔ)幾何建模方法建立虛擬校園系統(tǒng)，首先需要整理學(xué)校建筑的CAD圖紙，然后導(dǎo)入3ds max中建立校園建筑模型，之后對(duì)模型貼圖進(jìn)行烘焙以得到具有真實(shí)感的三維模型，最后在unity交互軟件中實(shí)現(xiàn)自主漫游。下圖為整個(gè)制作流程：

一、校區(qū)建模存儲(chǔ)管理要求

在模型制作過程中，CAD和3ds max單位要求統(tǒng)一為米；模型制作中不能使用鏡像、縮放復(fù)制；貼圖繪制要統(tǒng)一顏色，不能使用多維子材質(zhì)球；存儲(chǔ)命名也是是比較重要的，如果命名不當(dāng)，在后期漫游合成時(shí)會(huì)出現(xiàn)貼圖丟失。模型命名要求使用樓名簡(jiǎn)稱加數(shù)字符號(hào)等，例如：20181010HDL；紋理命名要求根據(jù)模型命名進(jìn)行，例如20181010HDL001，每張紋理名稱都以模型命名基礎(chǔ)加001，002，003……以此類推。模型存儲(chǔ)時(shí)使用歸檔存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)，防止更換電腦造成貼圖丟失。

二、校區(qū)三維模型制作

1.校區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理

本項(xiàng)目是根據(jù)我校校園整理規(guī)劃圖、建筑樓群圖、平面建筑CAD圖紙進(jìn)行建模。首先深入考察校區(qū)地形、建筑分布，然后嚴(yán)格按照?qǐng)D紙中校區(qū)布局按實(shí)際比例建模，從而有效提高建模質(zhì)量與工作效率，防止出現(xiàn)模型比例失調(diào)。

校區(qū)制作根據(jù)規(guī)劃分為北校區(qū)、西校區(qū)、南校區(qū)三部分，每個(gè)校區(qū)包括教學(xué)樓、綠化植被、道路、人工湖等，對(duì)校區(qū)細(xì)分，這樣有利于模型建立優(yōu)化與擺放。建立虛擬校園的第一步為整理校園CAD設(shè)計(jì)圖紙，圖紙是建模的依據(jù)，整理圖紙需要把無用的標(biāo)識(shí)、雜線等去除掉，保留基礎(chǔ)輪廓線、位置等 。

2.校區(qū)三維模型建立

創(chuàng)建虛擬校園系統(tǒng)的關(guān)鍵在與三維模型的制作，模型制作的效果直接影響虛擬系統(tǒng)的畫面質(zhì)量與運(yùn)行效果。建模前要對(duì)軟件但對(duì)進(jìn)行檢查，其次在建模過程中一般選擇的建模方式是基礎(chǔ)的多邊形建模。將校區(qū)整理好的CAD圖導(dǎo)入MAX中開始建立校園模型，該模型分為地面環(huán)境模型、校區(qū)建筑模型、校園綠化模型、路燈等道具模型。在校園地形環(huán)境建立中，偉偉樣條線的繪制是重點(diǎn)，相似樣條線可以直接進(jìn)行復(fù)制，然后修改設(shè)置參數(shù)。校區(qū)綠化模型中樹木植被是比較難達(dá)到真實(shí)效果的，若將樹模型細(xì)化制作會(huì)導(dǎo)致模型復(fù)雜、線面數(shù)量成倍增加，故在本系統(tǒng)制作中采用了十字交叉面透明貼圖法表示，在減少面的同時(shí)可以再視覺上看到一顆完整的樹木。由于本系統(tǒng)后期是要在unity中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的，顧建筑模型要盡量減少模型面數(shù)，所以在制作中凹凸不超過0.5米的造型不在模型表現(xiàn)，使用貼圖表現(xiàn)。

3.校區(qū)三維模型優(yōu)化

校園建筑模型建立后要對(duì)其優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果將直接影響虛擬漫游系統(tǒng)的運(yùn)行速度。三維模型主要優(yōu)化內(nèi)容包括：精簡(jiǎn)模型面數(shù)與精簡(jiǎn)模型個(gè)數(shù)；本課題所采用的優(yōu)化方式是合并相鄰模型減少模型個(gè)數(shù)，清除多余的點(diǎn)線減少模型面數(shù)。優(yōu)化模型保證漫游交互系統(tǒng)的漫游速度。

三、校區(qū)文理材質(zhì)貼圖制作

在虛擬校園漫游系統(tǒng)中，我們需要的是將整個(gè)校園環(huán)境進(jìn)行呈現(xiàn)，想要實(shí)現(xiàn)這一目的，就要依靠大量的真實(shí)拍攝圖片，包括各個(gè)角度及局部的拍攝圖片。圖片是要用到模型中進(jìn)行仿真貼圖制作使用，故在圖片采集時(shí)應(yīng)盡量排除雜質(zhì)的干擾，比如，陰影、遮擋、等，以減少后對(duì)圖片后期處理的工作量。拍攝圖片時(shí)應(yīng)當(dāng)注意建筑物的整體造型與局部造型。此外，在貼圖處理顏色校正時(shí)所有同色建筑的貼圖顏色要統(tǒng)一。

四、虛擬校園漫游實(shí)現(xiàn)

將制作好的建筑模型、地形、植被等導(dǎo)入unity系統(tǒng)中進(jìn)行編輯，并為畫面添加音樂、霧化、陰影等效果。設(shè)置第一人稱角色控制器，并設(shè)置其位置高于地面位置，防止角色控制器運(yùn)行時(shí)有穿越。

碰撞檢測(cè)是模擬物體遇到障礙時(shí)的物理反應(yīng)，也是漫游系統(tǒng)最基本的條件，碰撞檢測(cè)簡(jiǎn)單來說就是當(dāng)人物碰到建筑物時(shí)候會(huì)停止前進(jìn)或者在距離建筑物一定距離時(shí)停止，如果人物直接穿越了建筑，會(huì)產(chǎn)生失真的現(xiàn)象。Unity提供了五種碰撞器，分別是：box collider、sphere collider、capsule collider、mesh collider和wheel collider。碰撞的發(fā)生方式有碰撞器方式和觸發(fā)器方式兩種。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的校園漫游系統(tǒng)越來越多的被各高校接受，既可以提高校園的知名度，又可以為學(xué)校眾多學(xué)子提供方便。下圖為虛擬校園系統(tǒng)畫面展示：