基于SketchUp 和Unity3D 的虛擬校園漫游系統

陳睿

（1.太原理工大學現代科技學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學藝術學院，山西 太原 030024）

20 世紀80 年代由美國人拉尼爾提出的虛擬現實技術，巧妙靈活地結合人的視、聽、觸感官系統及運動行為，在計算機中逼真地模擬出現實世界，將人與計算機融為一體，從而使人置身于真實世界中[1]。這種技術可以真實模擬現實環境，讓體驗者通過多種感官的結合沉浸于虛擬環境中，同時具有交互性強的特點。

近年來，隨著各高校招生規模的不斷擴大，建立數字校園可提高大眾對學校的認知，國內部分高校紛紛利用此技術模擬校園現狀，為社會群眾和校園師生提供一個直觀、交互性強的交流平臺。此外，這也是一種很好的展示校園文化、提高師生生活質量的有效方式；作為遠程教育的基礎平臺，也可為社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。為此，提出了建立虛擬校園的想法。

作為我國在山西省唯一的“211 工程”重點建設大學，太原理工大學也緊跟時代腳步，做好創新工作，建立數字校園建設平臺。明向校區，是高新區內所有高校中規模最大的校區，它的建設也將成為學校乃至全省教育發展的重中之重。因此，簡單地模擬三維可視化校園環境可在一定程度上滿足師生在教學、教務、校園生活等方面的基本需求。本文以太原理工大學明向校區為研究對象，基于SketchUp 和Unity3D開發平臺，重點討論虛擬現實中的關鍵技術，建立校園的三維模型，實現校內行走狀態和飛行狀態下的自主漫游。

1 SketchUp 和Unity3D 概述

三維建模階段采用簡單且易上手的Google SketchUp 軟件建立校園的立體模型，并利用自帶的優化功能減少模型的數據量，提高系統的運行效率[2]。其導出的3D 模型文件可以直接導入功能較為強大的綜合型開發引擎Unity3D 中。相比其他制作三維場景的軟件而言，該軟件支持的文件格式更多，兼容性更強，對于互動性較強的大型場景，更能發揮其優越性，且具有良好的實時交互性，支持多平臺發布，在三維游戲、動畫、建筑等開發中應用自如[3]。另外，可以與其他大多數的相關程序一同工作。

2 技術路線

本研究借助SketchUp 軟件，建立虛擬的三維校園模型，然后基于Unity3D 引擎實現用戶與校園的交互。系統的開發主要分為以下三個階段：①根據學校實際建設情況，獲取準確的地形圖、各建筑物的準確數據等，進而建立三維模型；②優化單體模型，進行貼圖，以便提高物體的真實度，建立完整的校園場景；③基于Unity3D 引擎實現物體的碰撞檢測及動態加載，完成校園漫游。

3 場景建立

3.1 收集數據

建立三維模型之前，需要收集的數據內容包括：校園各樓的大概尺寸、二維平面圖、實景照片等。這些數據的準確度直接影響著三維建模的真實程度，所以實地采集數據時均采用專業數碼相機，盡量減小因拍攝的傾斜度帶來的誤差。之后，所有的照片都采用圖形編輯軟件Photoshop 進行處理，以輔助三維建模。

3.2 建立初步模型

使用SketchUp 軟件，根據收集到的數據按照“從大到小，從整體到布局”的原則依次建立單個的建筑模型，過程中盡可能地減少多余的面和線。對于結構比較特殊的建筑，需要耐心修改，通過削減面等復雜操作才能完成。

3.3 紋理貼圖

使用處理好的照片對物理模型貼圖，來提高模型的真實度。對于景觀模型（植物、水體等）和人文要素模型（路燈、車輛等），可以在Sketchup 組件庫中搜索到，再結合實際要求靈活改動，以實現景觀和人文要素的快速表現。對于道路、草坪等的建模，仍在SketchUp 中根據獲取的平面圖先簡單勾勒，再貼上相應的材質。部分模型如圖1、圖2 所示。

圖1 行知樓模型

3.4 建立虛擬場景

在完成所有的單體模型后，需要將這些模型放置在特定的具有交互功能的三維環境中。在SketchUp 中選擇文件，導出命令項，然后在導出為fbx 文件對話框中可以看到信息提示：已處理的SketchUp 圖元（組、實例、面、材質、紋理），已導出的fbx 圖元（面、材質、紋理）個數等信息，這樣就成功導出了fbx 文件。之后在Unity3D 中導入fbx 文件，并將模型拖拽到場景中的合適位置，如圖3、圖4 所示。

圖3 東南俯視圖

圖4 東北俯視圖

這個過程容易出現兩個問題：一是材質丟失，二是模型比例問題。對于材質，建議一律采用標準材質，并且有統一的命名規范，所有模型中不同的材質不能出現相同的命名，否則會在unity3D 中出現材質替換的問題。在導入fbx 文件前，必須導入貼圖，一并放在assets 文件夾下。模型的比例則是要處理好Unity3D 中的默認單位及SketchUp 中的單位換算。在Unity3D 中導入校園地圖，再依次按照地圖顯示的位置導入各個建筑物的模型，并添加其余景觀模型和人文要素模型；接下來使用Unity3D 自帶的烘焙、渲染等功能調整場景燈光亮度、太陽光暈等自然環境，添加天空盒更增強了場景的立體感和真實感。

4 場景漫游

4.1 碰撞檢測

實現三維場景漫游的首要問題是實現虛擬人物與地面、建筑物、景觀等的碰撞檢測。通俗的說，碰撞檢測就是為了解決現實生活中諸如人不能穿過墻，人不能直接從車所在的區域直接穿過等問題，即不同實物在同一三維空間中不能同時占有同一區域，并且不能發生穿透等行為。

作為虛擬現實中的關鍵技術之一，他的主要作用是要準確判斷任意兩個實體之間能否穿透及碰撞，并且提供穿透碰撞的精確位置。該平臺中實現碰撞檢測的方式較靈活，本系統采用了包圍盒法。

4.2 動態加載

動態加載物體類主要實現了動態添加物體模型到場景中的功能。實現過程是獲取IP 地址，將客戶端與服務器進行連接，通過在給定目錄下獲取所需模型的文件來加載模型，調用add（）方法將實物添加到模型數組，以便對不在視角范圍的場景進行刪除操作。

4.3 實現漫游

本系統采用第一人稱主視角的方式進行漫游，給觀賞者更強的代入感，如圖5、圖6 所示。

圖5 俯視游覽

圖6 游覽學生公寓

利用平臺中存在的FirstPersonController 作為用戶的控制對象。在工程面板中顯示出該對象由4 個組件組成，分別是Transform、FPSWalker、CharacterController、MouseLook。此外，在Unity3D 中，是以層次關系來組織相關物體的。用戶以第一人稱視角在校園中進行漫游，按住W、S、A、D鍵攝像機對應前后左右移動，按住鼠標左鍵攝像機隨鼠標轉動方向觀察當前位置，按住空格鍵可以實現跳躍。另外系統中加入了背景音樂，增強了環境的真實感。

5 結論

本項目成功構建了校園場景，實現了虛擬漫游，同時具有良好的沉浸性與交互性，并且利用圖像、聲音相結合的方式開發整個系統，科學性與趣味性并存，是虛擬現實技術在校園建設中的良好應用。使用當前較為流行的Unity3D 開發平臺，引入虛擬現實技術和游戲開發的一些思想，讓用戶以良好的客戶體驗方式全面直觀地獲取校園信息，提高工作學習的效率。