三維虛擬漫游系統的設計與實現

褚欣凡 朱長永

摘要：近年來，伴隨著信息技術的迅速發展，數字化校園建設成為各大高校研究的重要課題，而虛擬校園作為校園信息化建設的重要組成部分意義重大。傳統的校園信息化大多建立在二維地圖及數字影像資料的基礎上，難以滿足校園在對外宣傳、對內引導、校園規劃、信息化管理等方面的需求。虛擬現實技術具有真實感強、可交互、多設備兼容等特點，現將其應用于虛擬校園的信息化建設，設計一種三維虛擬數字校園漫游系統，以彌補傳統校園固有的不足，為校園宣傳、規劃、信息化管理等方面提供服務。

關鍵詞：虛擬校園;消息化建設;三維數字模型;交互設計

0? ? 引言

本文以南通理工學院為試點，研究虛擬現實技術與數字化校園的融合，將三維建模技術、三維可視化技術和虛擬現實技術相結合，讓用戶在虛擬的網絡中產生一種身臨其境的感覺，利用漫游功能和人機交互功能，使用戶更加深刻地體會校園文化和校園環境，并通過三維可視化功能顯示校園內的各種信息，方便學院的規劃和發展。

1? ? 相關技術介紹

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是借助計算機技術及傳感裝置所創建的一種嶄新的模擬環境[1]。在虛擬數字校園建設過程中，主要是采用Maya并結合Unity3D軟件進行開發。Maya是Alias公司生產的一款用于動畫制作、影視后期制作及虛擬交互設計的優秀三維軟件，其因強大的建模、渲染、后期等功能受到用戶的肯定。Unity3D引擎是由Unity Technologies公司開發的能夠支持多平臺發布的專業虛擬現實引擎[2]，各種游戲創意和三維互動開發可以通過此平臺輕松完成，精彩豐富的游戲作品、逼真龐大的虛擬場景都是其產物。Unity3D具有良好的兼容性，通過使用c#腳本可以很好地完成與三維虛擬物體的交互。

2? ? 主要開發流程

任何項目的開發都需要一個完整的流程，在本次南通理工學院虛擬校園漫游過程中，同樣需要一個完整的流程進行項目的開發，具體開發流程如下：

2.1? ? 建筑資料信息數據整理

在項目前期，主要搜集學校各個建筑的資料，并對建筑的形體進行測量，記錄相關數據，使用CAD軟件繪制建筑的四個視圖，為后期的三維建模打下基礎。

2.2? ? 三維數字模型制作

經過前期的測繪以及數據資料的整理，使用三維軟件Maya進行三維模型的制作。以南通理工學院體育館為例，首先使用Maya中的多邊形工具繪制基本的形體，并通過調整基礎模型的點、線、面等命令繪制出體育館的基礎模型，在基礎模型的技術上，進行細致的刻畫，最終完成三維模型制作，如圖1所示。

2.3? ? 三維模型UV的拆分及貼圖繪制

三維模型制作完成后，需對模型進行UV的拆分，三維建模中材質與貼圖能夠賦予模型圖案紋理，使模型更加形象。要達到更好的效果，需對模型拆分UV、生成貼圖[3]。UV主要是指物體表面的紋理坐標點，模型上的每個UV點直接依附于模型的每個頂點，可以理解為模型表面的紋理坐標信息，通過UV拆分技術，獲得物體表面的紋理坐標，將繪制完成的UV重新貼到物體的表面，則可將物體本身的紋理信息呈現出來。UV在本次項目中用到的非常多，在Maya有四種基本的UV映射方式，它們分別是：平面映射（Planar Mapping）、圓柱體映射（Cylindrical Mapping）、球體映射（Spherical Mapping）、自動方式映射（Automatic Mapping）。通過對不同的物體進行分析，從而選擇不同的UV拆分方式。拆分完成后導出jpg圖片格式，并使用Photoshop軟件進行貼圖的繪制，最終完成模型與貼圖的匹配，使完成的模型不再是白色的，而是具備一定顏色及紋理的模型，如圖2所示。

2.4? ? 三維模型輸出

將制作完成的三維數據模型，輸出到Unity3D軟件中，在輸出過程中主要采用的是FBX模型格式，Unity3D本身并非建模軟件，只能完成基本模型的創建，無法對模型進行細節的修改。FBX格式為三維軟件通用格式，通過FBX輸出可以將Maya的材質貼圖及三維模型一起輸出到Unity3D軟件中，從而完成交互設計的前期工作。

2.5? ? Unity3D交互設計的實現

在Unity3D中，建立工程目錄便于將制作所需要的資源進行分類歸納整理，從而保證場景更加規范，后期如果某個制作環節存在問題，開發者只需要在相應的目錄中修改錯誤的部分，數據就會實時更新，從而提高了開發效率。

2.6? ? 第一人稱角色的實現

第一人稱是以“我”作為主角進入場景中，用戶即為“我”，在場景中第一人稱視角更容易給用戶產生帶入感，能夠帶來更加直觀刺激的感受。第一人稱角色控制器的組件保存在Unity3D的標準資源包中，Unity3D標準資源包功能十分強大，可以模擬用戶不同的視角。同時，標準資源包中的角色自身帶有剛體屬性，適合游戲中主角的運動控制，其具體的操作流程為：首先加載標準資源包—導入標準包—角色控制—將選中的角色直接拖放到場景中，即可實現角色的運動。

3? ? 項目測試

根據軟件的開發需求進行系統的功能測試，系統在設計時主要圍繞以下功能的實現進行：（1）游覽者注冊登錄系統平臺;（2）以第一視角及第三視角進入場景;（3）角色與周邊的物體發生碰撞，角色不能夠穿過物體;（4）具備地圖導航功能;（5）有一定的粒子及特效;（6）360°全景照片展示學校各個場景。通過測試發現，系統基本能夠滿足開發需求，后期在模型的細膩程度方面需要進一步調整。

4? ? 結語

伴隨著信息技術的迅速發展，虛擬校園作為數字化校園的重要組成部分所具備的意義十分重大。將新技術與教育事業結合，必定會煥發新的生機，為教育事業發展輸入新的動能。

[參考文獻]

[1] 侯長海.2015年虛擬現實產業發展狀況分析[J].互聯網天地，2016（4）：51-54.

[2] 龔柏茂.Unreal 3引擎技術在實現虛擬場館設計中的疑難問題剖析[J].浙江師范大學學報（自然科學版），2017，40（2）：161-167.

[3] 趙偉明.三維模型拆分UV及生成貼圖技術分析[J].信息與電腦（理論版），2017（18）：27-29.

收稿日期：2019-12-18

作者簡介：褚欣凡（1998—），男，江蘇泰州人，主要從事數字媒體技術研究工作。

朱長永（1984—），男，山東濰坊人，碩士，講師，主要從事3D打印、計算機虛擬現實研究工作。