基于VR技術的虛擬校園漫游系統設計與關鍵技術研究

張曉琪 唐天國 李欣 胡振 張海波 楊華

摘要：隨著計算機技術與網絡技術的迅猛發展，VR技術在軍事、國防、教育、建筑等眾多領域得到廣泛應用。虛擬校園是VR技術在教育方面的重要應用之一。闡述VR技術特征及應用，分析虛擬校園漫游系統的設計，探討虛擬校園漫游系統設計中的關鍵技術。為學校數字化校園的建設起到一定借鑒與參考作用。

關鍵詞：VR技術;虛擬校園;漫游;Unity3D

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0227-04

虛擬校園是將真實的校園場景用3D可視化的形式虛擬呈現出來，通過使用輸入設備進行實時交互操作。讓使用者沉浸在虛擬現實環境中，體驗到一種身臨其境的感覺，使人們足不出戶就可以極其方便地瀏覽及訪問虛擬校園。通過對校園三維虛擬建模和交互平臺的設計，構建虛擬校園漫游系統，系統將校園的展示和游覽有機的結合，為此改變了學校傳統的紙質畫冊宣傳方式，為師生提供嶄新的虛擬校園的三維空間環境。本項目的研究對建設智能化校園有一定的現實意義。

1 VR技術

虛擬現實技術（Virtual Reality）簡稱VR技術，同時又被稱為”靈境”技術。它是計算機圖形學、計算機仿真技術、多媒體技術、網絡技術等多門學科融合于一體的新興技術。它以計算機為核心的現代高科技手段模擬產生一個逼真的虛擬三維空間一體化環境，現已廣泛應用于醫學研究、軍事仿真、環境規劃、教育應用、數字城市、游戲娛樂、虛擬旅游、工程訓練、科學可視化等各個領域。虛擬校園系統是VR技術在教育中的具體應用。

1.1 VR技術特征

VR技術是一種新型的綜合技術，它呈現“31”特性，即沉浸性、交互性和想象性3個特性。

1）沉浸性（Immersion）：是指人們沉浸在虛擬環境中，具有和在真實環境中一樣的感覺。這種真實感程度越強，表明沉浸性就越強，讓用戶完全將自己沉浸于虛擬的世界之中，如果讓用戶產生一種完全難辨真假感受，這將是模擬場景達到了理想的程度[1]。

2）交互性（interactivity）：是指用戶對于物體或者對象的互動可操作性和從現實或者模擬的環境中所獲取信息得到反饋的自然程度，在虛擬仿真環境中，用戶通過主動參與和反饋，這將大力改變和豐富當今人們與電腦或計算機的信息交流互動方式，同時有利于提升用戶的學習興趣和互動參與度，充分激發用戶體驗現實虛擬環境的樂趣和真實感。

3）想象性（Imagination）：虛擬現實技術為人們提供了豐富的想象空間，極大地拓展了人們對虛擬世界的認知范圍，利用廣闊的可想象空間來展示既可能存在的真實的虛擬世界，或是不容易接觸到的虛擬場景，又能構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。構建中可以發揮廣泛的想象，既有客觀的數據支持，又有主觀的想象空間。

1.2 VR技術的應用

隨著各種技術的快速發展，深度融合，虛擬現實技術在軍事、教育、醫療、工業、城市仿真、科學計算可視化等不同領域得到了廣泛的應用與發展。

1）教育

虛擬現實技術把真實環境，通過VR技術構建三維空間的虛擬仿真場景，為受教育者提供一個能直接并自然地與虛擬環境中的各種對象交互的平臺，使學習者在其中獲得最大的控制和操作環境的自由度。為虛擬學習和培訓環境提供直觀最有效的方式。虛擬教室、虛擬校園，虛擬實訓基地、虛擬博物館等都是虛擬現實成果，虛擬現實技術在教育方面具有明顯的應用優勢，可以拓展學習的多維度空間，激發學生的學習興趣。虛擬校園就是VR技術在教育方面一個具體的應用。

2）軍事

虛擬現實的最新技術率先應用于航天和軍事。VR應用于軍事場景演示，訓練、作戰的仿真等，模擬真實戰場，在視覺、聽覺上可以讓戰士真實體驗戰場環境，有助于戰士對戰場環境的熟悉;對于作戰場景的模擬，通過虛擬場景中的對像交互，產生“沉浸”于如同在真實環境一樣的感受與體驗，感受“身臨其境”的戰斗，但免去了戰斗的危險，避免了死亡的威脅以及嚴重的傷害。多種軍事的訓練，VR技術跨越地域，身處異地的戰士可參與相同戰術的演練。可讓士兵們個個都能身經百“戰”。VR技術將在軍事領域發揮出更突出重要的作用。

3）工業

虛擬現實技術這項新的技術也越來越多的應用于工業行業之中。從工業的角度來看，VR技術主要在虛擬裝配、規劃設計、訓練體驗、協同辦公等方面的主要應用。如發動機進行虛擬的體驗和裝配培訓;對于一個處于設計階段的工廠，建筑師可利用VR技術將設計圖紙轉化為VR工廠;公司人員可以利用遠程辦公平臺，進行協同遠程辦公，以及培訓等。VR技術改變了人機接口的傳統模式，為人類提供了進入計算機的虛擬世界的可能性。相信隨著工業信息化的發展，以及與人工智能、物聯網等前沿技術的融合，VR技術將會帶來全新的驅動力。

4）藝術與娛樂

隨著VR技術的發展，在游戲娛樂等行業中逐漸普及，虛擬現實技術的沉浸感與交互性給人們帶來了一種藝術欣賞和娛樂全新的體驗方式，3D藝術展覽、3D電影、3D游戲等，VR技術將傳統的二維平面轉變為3D，將靜態的藝術轉化為動態，大大提高藝術表現力，讓用戶欣賞從平面提升為立體去感受欣賞藝術。比如敦煌“九層樓”實景與虛擬三維效果。VR技術應用的優勢在于非常好的沉浸感體驗，用戶可以在完全虛擬的環境中進行體驗，有一種“身臨其境”的感覺。

5）醫療

VR技術在國內外醫療領域已得到重要應用。比如利用VR給患者做手術，心理治療是目前VR技術應用較多的方面。還有培訓和教育功能也是VR在醫療領域的另一大用途。利用VR技術建立3D數字模型，訓練外科醫生。可以快捷實現難以在現實中見習和醫生實習實際操作復雜手術，并可以反復實踐不同的操作，時空不受限，有更多的訓練和操作機會。

6）城市仿真

應用VR技術，快速實現城市數字化與智能化，在城市規劃中，離不開決策者、設計者，管理者和社會公眾的參與，所有人達到有效合作是保證我們城市規劃最終成功的一個重要前提。VR技術為這種有效的合作和交流提供了最理想的平臺和橋梁，所有的參與者從不同角度實時的互動，真實地看到城市規劃設計的效果，真正讓規劃得到更好的實現，這是傳統手段無法實現的。

7）科學計算可視化

在科學研究中常會遇到大量的隨機數據，為了從中得到有價值的規律和結論，就需要對這些數據進行分析，利用科學可視化功能可以將大量字母、數字數據轉化成更易理解的可視圖像，并可借助可視虛擬設備檢查這些“可見”的數據。它通常被用于建設分子結構、地震、地球環境的各組成成分的數字模型中。

2 虛擬校園漫游系統設計

2.1 設計工具的選擇

系統設計工具的選擇，這里主要指的是虛擬校園的三維建模和虛擬校園交互平臺的工具選擇。

11 3DS MAX三維建模工具

當前，三維虛擬場景制作軟件比較多，常見的有3DS MAX、Maya、MayaSolid Works等。各個軟件都有獨自特點和不同優勢。通過比較，選擇3D MAX作為建模工具。3D MAX它是一款集造型、渲染和動畫于一體的三維制作軟件，其優點是容易掌握，制作流程簡潔、高效，場景制作功能強大，使用普遍，便于交流。同時它能方便地與Unity3D虛擬漫游平臺進行無縫的對接。在3D MAX中創建好虛擬校園場景，導出.FBX，然后將FBX導入Unity3D進行交互設計。

2）虛擬現實開發平臺Untiy3D

目前虛擬現實開發平臺有很多，相對運用較多的是VRP和Untiy3D。本文用Untiy3D作為虛擬交互設計平臺。unity3d是一款多平臺的虛擬現實專業商業虛擬游戲開發引擎，功能強大，其交互性也非常的強和功能完善。并支持各種常見格式的模型、貼圖文件，它能夠讓用戶比較容易和輕松地實現場景的渲染、碰撞的檢測、人機交互、界面設計等功能。

2.2 設計目標

虛擬校園漫游系統設計，應以真實的校園環境為藍本，本文以南充職業技術學院東校區為研究對象。依據需求分析，虛擬校園漫游系統設計主要由兩大部分組成，即虛擬校園場景的構建和虛擬漫游交互的設計。通過對校園進行三維虛擬模型，利用Unity3d平臺設計虛擬校園交互漫游，盡可能為用戶提供最真實的校園模擬環境，并實現角色與場景間的互動，其總體設計目標[2]：為：

（1）系統的用戶界面簡潔、友好，使用戶可以簡單便捷的操作使用。

（2）構建虛擬校園實景虛擬環境，充分體現出現實校園自然景觀。

（3）系統交互，使用Unity3D進行場景的交互功能設計，使用戶操作計算機的鍵盤、鼠標，漫游虛擬校園環境。

（4）多媒體展示。在虛擬系統中添加媒體信息，增添漫游的氣氛。如音頻、視頻、文本等。當鼠標點擊交互對象或用戶漫游到交互區時，能播放相關的多媒體信息。

（5）信息查詢。查詢校園中主要建筑物的位置信息，并使用戶角色及時的移動到該建筑物附近。

2.3 設計流程

虛擬校園漫游系統的設計同樣遵循工程項目開發的一般原則，即主要包括系統需求分析、設計、開發、測試、發布等。虛擬校園漫游系統主要開發流程大致分為三個階段：

1）數據收集與處理

虛擬校園漫游系統設計，首先要采集校園環境數據，校園地形數據的采集可以利用現有學校規劃CAD圖，或通過Google Earth或百度地圖獲得校園地形的俯視圖，確定建筑物的位置與大小比例，實際測量，獲得地形的高度圖。其次是要對各建筑物進行實地拍攝，獲得各建筑物實景圖片，并利用PhotoShop軟件，對圖片尺寸大小、曝光度、對比度、透視度等進行適當處理。制作好所有材質，以備紋理貼圖，使校園虛擬建模逼近真實場景。同時還要采集重要建筑物的歷史信息以及需要的媒體素材，如校園校歌作為漫游系統的背景音樂，也可錄制或網絡下載，獲取一些特色音效，如鳥聲、水流聲等。

2）構建三維虛擬場景

準備好所有數據后，接下來就是對校園建模，先利用Auto-CAD繪制平面圖形，導入3DS Max，進行校園虛擬環境的建模。創建的虛擬校園模型應與真實的校園生活實物相似。建模完成后，對模型的格式、大小、法相、物體坐標系進行修正。然后將創建好的三維模型導入UnitY3D平臺。

3）基于Unity3D平臺開發

將校園虛擬三維場景導入Unity3D平臺，進行漫游交互功能的設計。在Unity3D中給各類系統對象添加組件、編寫腳本、修改參數，以此來實現用戶所需要的各項功能，如角色漫游、碰撞檢測、信息查詢等[3]。添加多媒體信息，如校歌音樂背景、解說等，系統功能逐一實現后，進行測試和優化，最后將系統發布，其開發流程如下：

3 虛擬校園漫游系統關鍵技術

3.1 虛擬場景建模技術

1）三維虛擬場景的建模

虛擬校園三維建模是虛擬校園系統設計中最為重要和關鍵部分，虛擬校園漫游的體驗效果與校園三維建模效果緊密相關。虛擬校園建模的真實性，決定用戶對校園的認知與感受程度。校園虛擬場景構建主要是對校園的教學樓、學生宿舍、辦公樓、食堂等建筑物以及道路、操場、樹木等建模。我們可以將校園中所有物景視為一個整體的大場景，建模時可采用分塊建模方法，分別進行單個塊的建模，然后再導人大場景中，從而可以大大降低建模的難度。

在場景建模時，首先依據實測校園的建筑物尺寸，繪制整個校園的CAD平面圖，明確各個建筑物的平面布局及其位置，然后3D Max對各建筑物建模，直到整個三維虛擬校園場景的創建，最后將先前準備好的材質貼圖，完成虛擬校園的三維場景的構建。

建模的同時注意對模型的優化，對不可見面可進行刪除，減少材質數，壓縮貼圖等，使模型得以簡化和減少模型的大小，通過對整個場景模型的優化，以達到最佳的效果[4]。

2）材質的制作

虛擬校園場景模型的制作必須與現實校園中的實景相符合，模型創建后，為了模擬三維建筑物的真實效果，能夠真實地再現校園場景，要對模型添加材質貼圖，這就需要制作出創建模型所需要的紋理貼圖素材。材質的制作是通過對各建筑的實地拍攝取景獲取建筑的外形圖片，但在拍攝過程中，會因拍攝角度、距離遠近、光線強弱等諸多因素的影響，使拍攝的圖片與真實的效果存在一定差別，需要使用Phptoshop軟件對這些拍攝的圖片進行剪切、變換等合適的處理。然后將處理好的材質導入3DS MAX中，利用3DS MAX中材質編輯器工具，調整圖片屬性以達到逼真最佳的效果。

3）貼圖烘焙技術

貼圖烘焙（也稱Render To Texture），烘焙技術[5]是把光照和陰影信息變成了貼圖，然后將其貼圖貼到場景中的模型上，這樣在渲染時就省去了CPU計算燈光和復雜的陰影信息，從而加快了渲染速度，節省CPU資源。常用的烘焙形式主要兩種。一種是LightingMapCompleteMap LightingMap形式，烘焙生成的貼圖清晰，但光感不很清晰，且只支持3Ds Max軟件默認的材質，要表現模型表面豐富的效果只能用其他軟件修改，適用于大面積的墻體，室內外大的地面等。另一種CompleteMap形式，烘焙生成的貼圖光感好支持多數的復合材質，但是要表現好的效果需要設置的尺寸較大，否則會很模糊，適用需要重點表現的物體。

3.2 虛擬交互技術

虛擬校園漫游系統的設計是對虛擬校園場景的一個展現，同時具有交互性。其中漫游角色交互設計是實現虛擬校園漫游的關鍵之一。虛擬交互設計主要有界面、漫游功能兩大部分。界面是用戶在使用系統中的功能選擇，漫游實現用戶在虛擬校園中的漫游體驗。常見的漫游方式是自由漫游和自動漫游兩種[6]，兩種方式的結合使用，給用戶提供更大靈活性與參與度。

1）自由漫游

自由漫游方式，是用戶的游覽路徑通過鼠標或鍵盤進行實時控制，是一種用戶比較自由的漫游方式，用戶可隨意的游覽校園。漫游設計Unity 3D引擎中預置了兩個預設體，即第一人稱和第三人稱，提供了這兩種預設體的角色控制方式，它們都具有基本的漫游行走功能，可以用鍵盤上的“W”“S”“A”“D”鍵來控制漫游角色的前進、后退，左右移動，利用鼠標變換角色的觀察視角，也可以編寫代碼來實現鼠標定位移動的功能。

2）自動漫游

自動漫游是按設計者事先精心規劃的最佳路徑與最佳視角，進行參觀、校園的游覽。這種漫游方式有助于幫助用戶在最短的時間內游覽和感受校園環境。游覽過程中，可利用鼠標改變觀察視角。自動游覽方法是創建多個cube作為漫游的導航點，將導航點合理地設置在各個游覽的路徑上，做到每個路口均有導航點，任何相鄰的導航點間沒有障礙物，可直接到達。然后進行腳本的編輯并賦予角色。

3）信息交互

采用Unity3D提供的3D拾取技術來實現信息交互。其方法是利用使用者的位置，向鼠標點擊位置發出射向3D世界的一條射線，當該射線與第一個對象相交時，就被選中對象。得到選中的對象后，就將動畫、圖片、音頻、文字等信息以相關形式向使用者展示。讓用戶在漫游時可以方便簡捷地查詢周圍環境的信息。

3.3 碰撞檢測技術

碰撞檢測技術就是檢測虛擬環境中不同對象之間是否發生了碰撞。在虛擬校園漫游系統中，要避免出現碰撞現象，如果模型在運動過程中發生相互碰撞，將會出現模型穿過模型的現象，則嚴重破壞漫游的真實感。因此對場景中活動的模型進行碰撞檢測是十分重要的。

在UnitV3D中進行碰撞檢測，它給每個對象（GameObject）都添加一個碰撞組件（ColliderComponent），提供了一個碰撞器、觸發器兩種的方式來檢測碰撞事件是否可能發生。碰撞器本身就是一群組件，其中包含了盒子碰撞、球體碰撞、膠囊碰撞等多個種類的碰撞器，以適用于不同的碰撞場合。而觸發器是碰撞器組件上的一個屬性，只需在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性。使用觸發器檢測，當碰撞事件發生時不會產生任何物理現象，該機制用于處理沒有產生任何物理現象的碰撞。采用碰撞方式，當碰撞發生時會產生相應的物理現象，例如改變物體的位置、爆炸等。漫游過程中，使用觸發器實現門的自動開關，使用碰撞器處理角色、樹木和建筑物之間的碰撞。

4 結束語

本文對基于VR技術虛擬校園漫游系統設計進行了分析，闡述了系統設計的思路方法與流程，探討了在虛擬校園漫游系統設計中的關鍵技術，所涉及的這些相關的關鍵技術，同樣可以用于實驗室、培訓、建筑、游戲等方面虛擬現實和仿真系統的設計。虛擬校園漫游系統對學校的發展將帶來一定積極的作用，一方面提升學校的形象，另一方面也為學生和希望了解學校的社會人員提供了方便。本項目的研究具有一定實際意義和應用價值。

參考文獻：

[1]馬萍.三維虛擬校園立體場景的設計與實現[D].濟南：山東師范大學，2013.

[2]張明明.基于Unity3D虛擬校園漫游的研究與實現[Dl.昆明：云南大學，2014.

[3]仲于姍.基于Unity的3D虛擬校園漫游系統的開發[D].昆明：云南大學，2015.

[4]李婷婷，劉石，陳發祿.沉浸式虛擬校園仿真系統開發及關鍵技術研究[Jl.微型機與應用，2017，36（1）：79-82.

[5]姬洪強，呂敬敏.虛擬校園漫游開發中的關鍵技術研究[J].電腦知識與技術，2013，9（8）：1799-1800.

[6]尹大偉，張熙若，李歡歡，馬恒銳，孟祥銳.基于Unity3D的虛擬校園漫游系統及其關鍵技術研究[J].軟件工程，2019（9）：17-19.

【通聯編輯：梁書】

基金項目：南充市科知局2017年自然科學立項項目（項目編號：17YFZJ0075）

作者簡介：張曉琪（1960-），女（苗族），教授，研究方向為圖像處理、計算機輔助設計及算法應用。