基于Unity3D的中國民航大學校園虛擬漫游系統研究

勵丹妮 盧禹軒 胡智宇

摘要：采集中國民航大學衛星地圖、設施、景觀位置，使用3DsMax進行建模及貼圖，將地圖與建筑物模型導入至Unity3D中構建三維場景及實現虛擬漫游功能，最后發布成WebGL格式文件，部署至校園局域網服務器中，為校內師生提供一個聯網即可使用的校園虛擬漫游系統。

關鍵詞：虛擬校園;3DsMax;Unity3D

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

1 背景及研究意義

1.1 虛擬漫游技術概述

二十世紀九十年代初期，虛擬漫游的概念逐漸形成，并在部分圖形工作站上實現。二十一世紀初，隨著微機上的圖形加速卡性能的迅速提高，虛擬漫游在PC機上得以實現[1]。由于其直觀、實用性強、傳播性強的特點，虛擬漫游技術逐漸成為了宣傳、教學等工作的重要的手段之一。

1.2 虛擬漫游發展現狀

（1）美國在虛擬現實方面的實踐內容最廣泛，探索程度在全球處于領導性的地位，其開發水準象征著國際前沿變化趨勢。硬件、后臺軟件、感知和用戶界面是美國虛擬現實研究的主要方向，且美國不僅僅研究虛擬漫游技術，其同時開發了面向用戶和市場的虛擬現實產品，在商業化的領域取得了應用成果[2] 。（2）我國在虛擬漫游技術方面起步較晚，但隨著計算機技術的成熟，虛擬漫游技術也得到了快速發展。天津大學基于虛擬建模語言（VRML）開發了虛擬校園漫游系統，為使用者呈現出具有極高仿真效果的校園場景[3]。浙江大學采用預消隱和層面疊加繪制結合的方式，設計了PC端的史詩建筑環境VR系統，結合交互工具，使VR系統的真實性和實時感具備良好效果[4]。

1.3 開發虛擬校園漫游的意義

（1） 作為有效宣傳手段，提升學校知名度。學生、家長，以及社會人士可以通過虛擬校園漫游的方式，足不出戶、身臨其境地游覽校園。以此樹立學校的良好形象，有利于招生、宣傳工作的開展。

（2）助力學校信息化建設，為學校規劃提供輔助條件。成為學校信息化平臺的組成部分之一，有利于學校信息化管理，為后續校園擴建、改造等提供參考。

2 地面數據采集與地面貼圖的繪制

2.1 使用第三方地圖軟件截取谷歌地圖

制作校園虛擬漫游系統，需要知道校園內每一處設施、景觀的具體位置。使用傳統的方法進行測量需要大量的人力物力。而選擇衛星地圖作為校園地圖參考，既能夠得到校園地面地標的精準位置，又可以節省開支，降低成本。經調研，谷歌衛星影像數據是目前最權威、最全面、最清晰的衛星影像資料，幾乎每周更新影像數據，熱點區域同一位置每3-6個月會更新一次，能夠為項目提供高清高質量的地圖。因其支持谷歌衛星影像數據，我們選擇水經注軟件作為項目中地面數據采集軟件。使用水經注地圖軟件截取的校園衛星地圖，如圖1所示。

2.2 使用PhotoShop軟件進行建筑物位置及道路描繪

由于衛星地圖中存在光影及過于復雜的路況，我們需要進一步使用PhotoShop軟件對地圖進行重新加工。我們以衛星地圖為參考，描繪簡化版地圖，以便于導入Unity3D引擎中進行后續開發。經過PhotoShop軟件繪制的地面貼圖如圖2所示。

3 基于3DsMax軟件的校園建筑物建模

設計一個虛擬校園漫游系統，需要有整個校園的環境數據，在此基礎上建立三維校園模型。在我們的校園之中，包含教學樓、宿舍樓、圖書館、實驗室等諸多樓體，這些樓體模型是虛擬漫游系統中最關鍵的組成成分，需要盡量精確地復刻實體，為之后的人機交互提供可能。

模型的建立可以使用編程的手段或者使用現有的三維模型制作軟件進行制作，在現如今計算機技術的不斷發展的情況下，三維模型軟件工具也得到了迅速發展，并成功的運用在了各大城市建設、房屋設計等項目之中。基于此，對于三維校園模型的制作，我們選用了現如今非常成熟的三維模型制作軟件：3DSMax。

3.1 建模工具的介紹

3.1.1 3DSMax軟件的概述

3DSMax，全稱是3D studio MAX，是由美國的Autodesk公司開發的一種基于矢量的三維造型和動畫設計軟件，可以逼真的制作出三維模型以及三維動畫等，廣泛運用于廣告、影師、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體游戲制作以及工程可視化等領域。

由于3DSMax具有非常高的使用性價比，制作成本很低，因此受到了廣泛的關注，得以在世界迅速推廣發展。

3.1.2 3DSMax建模方法

對于三維校園模型建模，多邊形建模是最經典的傳統建模方式，可分為可編輯網格與可編輯多邊形建模。3DSMax中包含了數十種基本幾何體，根據獲得的校園樓體數據修改幾何體的長寬高比例以及輪廓，再根據細節進一步修改，即可以很好建立出校園樓體的三維模型[5]。

3.1.3 3DSMax常用修改器

3DSMax的功能十分的強大，內含數十種修改器，大部分都是用于三維模型的建立。對于校園樓體的三維建模，主要運用到了以下修改器：

（1）擠出：擠出命令是所屬于MAX標準類別，能夠很好的凸出或壓縮基本幾何體。

（2）倒角：倒角命令也屬于MAX標準類別，能夠在壓縮三維模型的過程中在邊界上加入直形或圓形的倒角，在此基礎上得到光滑的倒角。在現實中的樓體建筑中，倒角是最常見的形狀之一。

（3）UVW展開：UVW展開是所屬于MAX附加類別，是建立三維模型最重要的一個工具之一。在制作出三維模型之后，需要將模型進一步分化，根據收集到底樓體數據制作出樓體的外形貼圖。經修改器修改后，進行進一步細化加工得到最終模型。

3.2 校園建筑物數據收集

建筑物數據是三維模型中最基本的數據，根據谷歌地球提供的衛星數據以及實地進行測量，得到了校園中各個樓體的基本長寬高的比例數據，為3DSMax中進行模型制作提供數據支持，同時根據對各個樓體進行拍照得到樓體的外部紋理等數據，為之后的貼圖提供數據支持。

3.3 制作三維模型

首次打開3DSMax，將單位設置為毫米，并且根據谷歌地球以及實地測量得到的校園中各個建筑物的比例數據，在3DSMax中建立一個合適比例的基本幾何體。

可編輯多邊形是在3DSMax中制作三維建筑物模型最關鍵的制作工具，運用轉變為可編輯多邊形功能將基本幾何體轉化為可編輯多邊形，通過修改器命令對可編輯多邊形的線層級、面層級進行修改，得到與真實建筑物相似的建筑物模型，如圖3所示。

3.4 設置材質貼圖

3.4.1 3DSMax中模型貼圖的概述

3DSMax中為制作出真實逼真的三維模型，提供了材質貼圖功能，能夠大大增加模型的真實感和立體效果，為三維模型賦予一些實體屬性。對于建筑物表面的顏色、材質數據以及圖案數據等。通過材質貼圖的添加，能夠很完美的展現出來。

3.4.2 運用PS軟件制作貼圖

在3DSMax中建立了建筑物的三維模型之后，通過添加UWV展開功能，將三維模型的實體數據建立出來，并且導入到PS軟件之中。根據拍照得到的建筑物表面數據，處理得到貼于建筑物立體表面的位圖。

3.5 合成模型

將PS軟件得到的位圖導入到3DSMax的材質編輯器之中，就可以為三維模型添加表面貼圖，同時設置材質效果，提高三維模型的逼真效果。

3.6 導出3d模型

運用3DSMax制作三維模型后，還需將其導出成fbx格式的文件，并且保留PS軟件得到的位圖文件，重命名相同的名字，才能導入到unity 3D軟件中，進行所有模型的合成，得到整個校園的虛擬三維圖像。

4 基于Unity3D的校園虛擬漫游系統的實現

系統流程圖如圖4所示：

4.1 創建工程

打開unity Hub，點擊Project的New，選擇unity版本，創建3D新項目，確認創建后，unity3D將自動啟動項目。項目保存關閉后，再次打開工程只需直接點擊項目欄下項目的名稱即可。unity3D界面主要分為四大塊：層級，項目，場景和檢查器。層級界面主要顯示場景中各模型及其層次關系;項目界面分為可用但未載入資源包和資產（已載入資源包）;場景為主要的操作區，可對模型進行預覽、選中、拖拽、縮擴等操作。檢查器用于編輯選中物體的屬性。

4.2 資源導入

工程所需的資源分為兩部分，一是unity資源商店提供的基礎資源，二是導入3DsMAX自建模資源。在Unity的Asset store中下載所需的基礎資源：Standard Assets和Unity Measured Materials Library，并選擇Import，將其全部載入工程中。需要說明的是，在利用Unity資源商店載入的模型對象時，要使用Prefabs（預制件），Prefabs將保持模型的屬性，當更新Prefabs后，其子物體也將同時更新，大大減少重復工作。工程中校園主要的地標建筑都為在3DsMAX中自建模的模型。Unity3D導入3Ds max自建模模型資源包時，必須保證該資源包命名滿足英文命名條件以及模型格式為.fbx格式。在項目界面的資產中創建新文件夾，命名為Campus Model。在菜單欄處點擊Assets下Creat New Assets，選擇需要導入的模型及貼圖。

4.3 場景構建

4.3.1 地形創建

層級界面出右擊選擇3D Object下的Terrain，在檢查器面板查看地形屬性。在地形設置分為創建相鄰地形，描繪地形，繪制樹，繪制細節和地形設置五個部分。首先在地形設置的Mesh Resolution中設置合適的地形大小，再在描繪地形中Set Height屬性下設置高度，特別注意的是，勾選完flatten all后在點擊“平整”，這使整個地形的深度保持一致。完成地形的基本設置后，切換到Paint Texture屬性中點擊Edit Terrain Layers下Create Layer選擇地面貼圖，并打開貼圖，將其大小設置與地形大小相同。完成貼圖后，進行地圖的細節描繪。考慮到我校有湖水，需要對湖面處地形進行挖低處理。選擇Raise or Lower Terrain屬性，選擇適合的筆刷及大小，在湖面區域按住shift加左擊，按照需求降低湖面高度。

4.3.2 環境設置

（1）湖面設置：在Standard Assets目錄中選中Environment文件下water（basic）的Prefabs文件，打開找到waterbasicdaytime。將其拖入場景中并調整參數，其中水面的高度應高于世界平面、低于地面。

（2）天空盒設置：在資源商店中選擇天空盒資源包，導入后選擇一款天空盒拖入場景即可。

4.4 第一視角創建

在Standard Assets目錄中選中Characters文件夾下firstpersoncharacter的Perfabs文件，打開找到FPSCcontroller，這就是第一視角控制器，將其拖入場景中并調整合適的大小和位置即可。點擊播放即可用WSAD鍵控制前后左右移動和空格鍵控制跳躍。

4.5 添加模型碰撞器

選擇需要添加碰撞器的模型，在檢查器面板中點擊Add Component下拉選擇Physics，在Physics中有各種碰撞、控制、接縫、力等物理效果屬性。對于建筑物模型而言，鑒于建筑物整體以長方體為主，為其添加Box Collider（盒狀碰撞器）。選擇Box Collider后，設置碰撞器的屬性包括位置、大小。Box Collider應將整個模型罩于盒狀體內，為了良好的效果，盒狀體的長、寬、高的選擇與模型大小一致。對于校園邊緣的阻隔，采用Mesh Collier（網狀碰撞器），使第一視角運動范圍局限于校園內部[6]。

4.6 中國民航大學校園虛擬漫游系統圖片示例

4.6.1 中國民航大學南院校門（圖5）

4.6.2 南院鐘樓、南教一及南教二（圖6）

5 系統的發布及校園局域網訪問的實現

5.1 系統的生成與發布

5.1.1 切換系統發布平臺

在導航欄中選擇“文件”，列表中選擇“Build Settings”，在平臺中選擇“WebGL”，選中“開發構建”與“自動連接探查器”，點擊“切換平臺”按鈕。

5.1.2 生成與發布

切換平臺完成后，點擊“生成”按鈕，在彈出窗口中選擇生成文件所在目錄，即可生成WebGL的校園虛擬漫游系統。

5.2 校園虛擬漫游系統校園局域網運行環境

5.2.1 運行平臺

為保證校園虛擬漫游系統可在校園局域網范圍內7*24小時訪問，我們選擇使用開源免費且穩定性較好的CentOS Linux系統。CentOS是Linux發行版之一，它來自于Red Hat Enterprise Linux依照開放源代碼規定釋出的源代碼所編譯而成。因為其開源穩定的特點，被市面上眾多企業用作服務器系統。

5.2.2 校園局域網環境

中國民航大學校園網采用IP自動獲取，即當校內師生電腦連接至校園網網絡時會自動分配到校園局域網IP地址，并且由于所有IP均在同一局域網下，我們只需將校園虛擬漫游系統部署到已連接到校園局域網的電腦中，即可對全校師生提供校園虛擬漫游服務，滿足項目的校園局域網訪問要求。

6 結語

本文以3DSMAX、Unity3D兩軟件為主要工具，結合photoshop等基本軟件，構建形成了中國民航大學的虛擬漫游軟件，并在校園局域網運行。軟件具有良好的交互性，便捷直觀，為校內師生提供方便，為學校規劃建設與宣傳工作提供助力。

參考文獻

[1] 陳華斌，王彤.虛擬建筑環境實時漫游系統的設計和實現[J].西南交通大學學報，2001，36（1）：53-56.

[2] 陶健林.基于Unity3D的安慶職業技術學院虛擬校園設計[D].西安：西安科技大學，2004.

[3] Rodolfo.VR的國內研究現狀及發展趨勢[EB/OL]（2016-6-7）[2020-03-02].http：//www.cnblogs.com/Rodolfo/p/5567714.html.

[4] 魏勇.基于VRML的虛擬校園交互式漫游系統的設計與實現[J].科技信息，2011（20）：624.

[5] 周正，司占軍，賀瑞玲.3Dmax在虛擬校園模型制作中的設計與應用[J].電腦知識與技術，2019，15（33）：245-246+265.

[6] Unity Technologies.Unity5.X從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

收稿日期：2020-03-20

基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目資助，項目編號：201910059143。

作者簡介：勵丹妮（1998—），女，浙江寧波人，本科，研究方向：Unity3D游戲引擎，虛擬現實交互開發和虛擬漫游系統場景設計。

Research on Virtual Campus Walkthrough System of Civil Aviation University of China Based on Unity3D

LI Dan-ni ，LU Yu-xuan ，HU? Zhi-yu

（Civil Aviation University of China，Tianjin 300300）

Abstract：We collected the positions of satellite maps， facilities， and landscapes of the Civil Aviation University of China， and used 3DsMax for modeling and mapping. We imported maps and building models into Unity3D to build 3D scenes and implement the virtual walkthrough functions.Finally， we published it in a WebGL format file and deployed it to the campus LAN server. It provides a network-ready virtual campus walkthrough system for teachers and students in school.

Keywords：Virtual campus;3DsMax;Unity3D