基于Minecraft的虛擬漫游系統(tǒng)①

秦紅志,劉雪紅

1(延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,延安 716000)

2(延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,延安 716000)

隨著硬件設(shè)備性能的提升,促使虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅猛發(fā)展.虛擬校園作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一類應(yīng)用,是當(dāng)下數(shù)字化校園建設(shè)的重要組成.目前國內(nèi)外許多高校、科研機構(gòu)和公司都在從事虛擬場景漫游的研究,目前的虛擬漫游系統(tǒng)主要分為基于全景攝影技術(shù)和基于三維模型實時渲染技術(shù)的兩種主流類型[1].全景攝影技術(shù)所制作的虛擬場景擁有較強的真實感、沉浸感,成熟的技術(shù)平臺使之技術(shù)難度相對簡單,但對硬件的投入和依賴程度較大,交互性也極低.三維模型實時渲染技術(shù)所制作的虛擬場景擁有更好的沉浸感,高自由度的交互性與跨平臺訪問等特性也使之成為目前開發(fā)主流技術(shù),同時以基于Unity3D開發(fā)的虛擬漫游系統(tǒng)更是占據(jù)著主流,但面臨著開發(fā)難度大、相關(guān)硬件設(shè)備價格高昂、交互存在局限性等問題,使其大范圍的推廣面臨阻力.本文參考當(dāng)下各高校基于不同平臺建設(shè)的虛擬校園系統(tǒng),給出新的基于Minecraft的三維虛擬校園建模設(shè)計,借助Minecraft的超高自由度和優(yōu)質(zhì)的渲染效果進一步增強用戶使用虛擬校園系統(tǒng)的交互性與沉浸性體驗,可跨平臺的在電腦、手機上訪問,與全景攝影技術(shù)和主流開發(fā)軟件Untiy3D相比,其開發(fā)過程無需設(shè)計登錄界面、無需添加物理碰撞檢測、無需構(gòu)造虛擬天氣操控,無需復(fù)雜代碼實現(xiàn)交互,Minecraft本身提供登錄界面,可自由切換創(chuàng)造、旁觀者模式開啟或關(guān)閉物理碰撞,更自帶雨、雪、雷暴、晴4種天氣,用戶有新的需求只需添加相應(yīng)模組即可實現(xiàn),便于維護.相較于全景攝影技術(shù)使用的高昂的全景攝影設(shè)備,Unity3D在不同平臺時多版本的大量開發(fā)成本,基于Minecraft平臺的虛擬漫游系統(tǒng)構(gòu)建只需要具備攝影功能的普通設(shè)備如手機來實現(xiàn)信息采集,只需要對地圖格式轉(zhuǎn)換即可在手機上電腦上實現(xiàn)訪問.終由于其較低的開發(fā)難度與低廉的價格,使其可大范圍推廣虛擬場景漫游技術(shù)的應(yīng)用.研究以某大學(xué)為例,通過校園實景數(shù)據(jù)收集、藍圖構(gòu)造、三維建模、模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化、材質(zhì)細節(jié)設(shè)計、渲染輸出等環(huán)節(jié)實現(xiàn),以全新的角度展現(xiàn)了校園全貌,起到良好的宣傳與展示效果.

1 虛擬漫游系統(tǒng)

虛擬漫游系統(tǒng)[2]是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要應(yīng)用之一,虛擬現(xiàn)實又稱VR,近年來智能化VR設(shè)備和相關(guān)平臺的發(fā)展正旺,人們得以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為可視化,可操作,可交互的虛擬環(huán)境.目前,建設(shè)虛擬漫游系統(tǒng)的工具種類繁多,目前主要以基于Unity3D[3]的平臺為主,而當(dāng)下一款沙盒建造類游戲軟件Minecraft憑借高自由度玩法在國內(nèi)外備受歡迎,最終的研究表明,Minecraft是一款優(yōu)秀的建造工具,低成本低門檻的開發(fā)也使得普通高校也得以推廣使用,豐富的自然環(huán)境和優(yōu)質(zhì)的渲染效果使得用戶有極佳的用戶體驗.

2 Minecraft平臺

Minecraft[4,5]是一款基于Java開發(fā)的高自由度的沙盒建造類游戲,其開源的屬性致使其可以添加大量模組,特別是1.4.2版本之后命令方塊的開發(fā),使得其一躍成為了一款優(yōu)秀的打造系統(tǒng)的軟件.Minecraft最大的優(yōu)勢是開發(fā)難度低,由于可以實現(xiàn)多人互聯(lián),使得用戶們可以輕松的聯(lián)合打造期望中的“世界”.Minecraft支持物理邏輯上的紅石電路系統(tǒng),支持JSON、Python等腳本語言,兼容各類操作系統(tǒng),實現(xiàn)跨平臺的使用.

2.1 開發(fā)流程

開發(fā)過程基于軟件工程思想[6],分析需求得到可行性報告,進而設(shè)計各個功能.圖1所示,首先通過實地照片拍攝、校園內(nèi)街景地圖采集等方式,搜集構(gòu)建虛擬校園所需的建筑外觀、位置分布和園林植被等基本數(shù)據(jù).然后基于SRTM數(shù)據(jù)庫[7],使用Microdem[8]導(dǎo)出校園的地形分布灰度圖,并進一步通過WorldPainter[9]軟件制作校園地形模型.基于此地形模型,利用Sketch-Up[10]構(gòu)建校園建筑的三維模型并以特定格式導(dǎo)入MCEdit做園林植被、校園設(shè)施等細節(jié)修飾.然后在Minecraft中打開地圖并構(gòu)建紅石電路,利用命令方塊代碼實現(xiàn)交互設(shè)計,完成后進行測試并加載在服務(wù)器上.

圖1 虛擬校園系統(tǒng)開發(fā)流程

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 場景地形建模技術(shù)

對于處于復(fù)雜地形的校區(qū),采取直接利用現(xiàn)有的地形數(shù)據(jù)做建模.用由美太空署NASA和美國防部國家測繪局NIMA以及德意航天機構(gòu)聯(lián)合測得的陸地數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)庫SRTM,導(dǎo)入數(shù)據(jù)到MicroDem當(dāng)中,根據(jù)已知經(jīng)緯度得到校區(qū)地形灰度圖,并將所得灰度圖導(dǎo)入WorldPainter修飾細節(jié),從而建立起地形模型.圖2給出了DEM數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出的地形模型灰度圖與衛(wèi)星地形地圖的對比圖,結(jié)果顯示前者符合真實地形的樣貌.

2.2.2 場景建筑建模技術(shù)

首先使用SketchUp對建筑進行三維建模,并將.3ds格式的模型導(dǎo)出到poly2vox[11]當(dāng)中,將三維模型轉(zhuǎn)化為體素模型,并進一步導(dǎo)出.kv6格式文件,運行kv6ToSchematic.jar程序,依次選擇使用默認調(diào)色、使用彩色黏土,將.kv6文件轉(zhuǎn)換成schematic格式文件并導(dǎo)入到MCEdit當(dāng)中,并對地圖物體材質(zhì)、光源、植被等進行細節(jié)修飾.圖3所示給出建模的整體效果圖.

圖2 導(dǎo)出地形灰度圖與衛(wèi)星三維地圖對比

圖3 建設(shè)完成的校園模型鳥瞰圖

其中建筑的3DS模型向體素模型的轉(zhuǎn)化過程,結(jié)合現(xiàn)有研究方法[12-14],采用OpenGL對三維模型的數(shù)據(jù)進行讀取,得到如表1的數(shù)據(jù)塊,由此得到三維模型頂點坐標(biāo)Pmin=(Xmin,Ymin,Zmin)和Pmax=(Xmax,Ymax,Zmax),計算得到模型的AABB包圍盒的中心質(zhì)點坐標(biāo)Pcenter、邊長LX、LY、LZ和體積Vsize等數(shù)據(jù)并建立虛擬包圍盒.

表1 三維模型數(shù)據(jù)塊

隨后將模型中其他的點P=(X,Y,Z)與頂點坐標(biāo)進行比較,當(dāng)點P坐標(biāo)值滿足如下條件：

添加點P至包圍盒中.部分代碼如下：

建立三維數(shù)據(jù)包圍盒后,輸入分辨率N,將包圍盒劃為N×N×N個大小為Lx/N×Ly/N×Lz/N的列表,隨后遍歷列表對其中的三角面片體素化.將得到的體素化數(shù)據(jù)進一步渲染材質(zhì),顏色并導(dǎo)出體素模型.算法流程圖如圖4所示.

2.2.3 交互技術(shù)

該系統(tǒng)使用Minecraft提供的交互底層作為運行機制,可通過WASD實現(xiàn)前左后右的行走,shift和空格分別實現(xiàn)下落和浮空,鼠標(biāo)拖動實現(xiàn)自由移動視角.到達特定建筑時,通過紅石電路和命令方塊代碼實現(xiàn)如圖5所示的文字講解功能.可以依照需求實現(xiàn)白天至黑夜特定時段的切換,雨、雪、晴 3種天氣的自由切換和不同建筑間傳送切換等交互功能,下面列舉以上交互命令：

圖4 算法流程圖

圖5 到達不同位置的文字介紹界面

2.2.4 地圖權(quán)限保護技術(shù)

加載地圖至服務(wù)器時,需設(shè)置不同的權(quán)限,管理員有對地圖的包括插件、模組、地圖本身的全部的修改權(quán)以及對訪問地圖用戶的管理、封禁等權(quán)限,普通用戶無法使用包括TNT、熔巖、高頻紅石等在內(nèi)破壞地圖樣貌的方塊.通過服務(wù)器管理命令和相關(guān)檢測插件保證正常訪問的用戶的使用.

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 總體規(guī)劃

本漫游系統(tǒng)不僅僅提供一般漫游系統(tǒng)單純的瀏覽參觀,還可以讓用戶實現(xiàn)在現(xiàn)有建筑群里構(gòu)造自己的寢室、花園等個性功能,多模式的操控性和自由添加模組的特性方便系統(tǒng)可根據(jù)新的需求來增加新的功能,不同的光影材質(zhì)包使得該漫游系統(tǒng)沉浸感和代入感更強也更具個性化,將大大提升用戶的使用感官.由于開發(fā)難度較低,所需硬件設(shè)備相較于其他系統(tǒng)無需投入高昂費用,使其可以廣泛推廣應(yīng)用.要的設(shè)備包含拍照設(shè)備,擁有4 GB及以上內(nèi)存和四核處理器的電腦一臺,軟件包括SketchUp、MicroDem、WorldPainter、poly2vox、kv6toSchematic、MCEdit、Minecraft.漫游系統(tǒng)的開發(fā)總體規(guī)劃和具體工作步驟如下,開發(fā)完成的漫游系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：

(1)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線互聯(lián)瀏覽,多平臺的可移植性訪問；

(2)按比例縮小或放大真實校園,場景盡量保證還原的真實性；

(3)提供自動游覽和手動游覽模式；

(4)設(shè)置縮略地圖和快捷傳送功能；

(5)設(shè)置信息交互功能和生態(tài)環(huán)境交互功能；

(6)設(shè)置加載在服務(wù)器上.

3.2 場景建模的實現(xiàn)

場景建模的實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集和三維建模過程.可以通過衛(wèi)星地圖和實地拍攝獲得具體的建筑體態(tài)數(shù)據(jù).地形環(huán)境模型則可以使用現(xiàn)有的地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件自動生成.

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對校園更具真實性的還原上,因此數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分類將使建模過程更為高效和細致.通過街景地圖、衛(wèi)星地圖、實地拍攝等方式獲得建筑的分布、外墻材質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過依照建筑外觀、墻面貼圖、建筑信息等屬性歸類以上數(shù)據(jù),增強后期拼合和渲染模型的效率.

3.2.2 三維建模

三維建模是指對建筑、地形和環(huán)境的建模.獲得具體的數(shù)據(jù)后,可以選擇在SketchUp構(gòu)建基礎(chǔ)模型,在將多邊形模型轉(zhuǎn)為體素模型后在MCEdit中進一步實現(xiàn)細節(jié)上的建模與修飾,環(huán)境部分包括天空和植被,Minecraft中提供了多種植被模型和材質(zhì)光影可供選擇.注意的是,由于Minecraft加載和實時渲染的機制為設(shè)置區(qū)域邊界內(nèi)所有實體方塊的加載,因此需要將轉(zhuǎn)化后的體素模型去除不影響整體顯示的無用方塊,利于用戶更快速的加載與瀏覽.其中SketchUp中的部分多邊形模型以及轉(zhuǎn)化后的對應(yīng)體素模型如圖6所示.

圖6 多邊形模型和轉(zhuǎn)化后的對應(yīng)體素模型

3.3 系統(tǒng)交互設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)中主要的交互設(shè)計包括漫游導(dǎo)航設(shè)計,用戶可以通過手機端和電腦端的Minecraft平臺直接登錄進入該地圖,地圖中提供自動觀賞和自由觀賞兩種模式,自動觀賞模式用戶可通過乘坐地圖中的礦車按照既定軌道實現(xiàn)自動漫游,同時兩種模式都可激活紅石信號,觸發(fā)校園信息簡介在屏幕中顯示；系統(tǒng)設(shè)置了可任意調(diào)節(jié)時間、天氣的功能,實現(xiàn)真實的環(huán)境體驗.通過添加旅行地圖插件,啟動按下J鍵即可顯示如圖7所示的地圖,并可對建筑設(shè)定快捷傳送點.同時可以和其他在線游覽地圖的用戶實現(xiàn)交流,在線建造自己的寢室等,以此增強沉浸感.

圖7 導(dǎo)航地圖

4 系統(tǒng)優(yōu)化

該系統(tǒng)基于Minecraft上開發(fā)使用,對硬件的CPU和顯卡有較強要求,運行卡頓和掉幀將會很大影響用戶的使用體驗,因此,系統(tǒng)的優(yōu)化從設(shè)計之初就應(yīng)考慮周全,本研究通過對物體建模和Minecraft中的配置上進行優(yōu)化,來實現(xiàn)系統(tǒng)上的進一步優(yōu)化.

4.1 建模優(yōu)化

Minecraft顯示圖像運用的是區(qū)塊加載技術(shù),區(qū)塊加載的越多消耗的系統(tǒng)資源就越大,因此將不影響觀看的無用方塊刪除,同時盡量減少不同材質(zhì)的區(qū)塊的使用,從而進一步加快加載的速度.

4.2 配置優(yōu)化

Minecraft中可設(shè)置視距,動態(tài)光影,陰影精細程度等參數(shù),用戶可根據(jù)自己設(shè)備的性能自行調(diào)節(jié)合適的參數(shù)進行優(yōu)化,以便較好的運行.

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用Minecraft軟件自身的優(yōu)勢,結(jié)合各類開發(fā)軟件為同學(xué)們構(gòu)建了一個可以更好的探索了解學(xué)校的途徑,對學(xué)校本身起到了重要的宣傳作用.此系統(tǒng)開發(fā)難度低,玩法多樣性使其可以更好的推廣,這表明基于Minecraft構(gòu)建虛擬環(huán)境的極大便捷性和更高的交互性、沉浸性.