基于Unity3D的虛擬校園設計與實現臧輝

袁涌

摘要：虛擬校園漫游系統是當今校園發展和更新的重要舉措，也是當前狀況下各高校宣傳自身必不可少的平臺，對推進校園的現代化管理水平和提升學校知名度也起到了積極的促進作用。通過以開發湖北理工學院虛擬校園漫游系統為例，論述了開發虛擬校園漫游系統的方法和步驟。利用3DsMax建立三維模型，對建筑模型進行貼圖，再將模型導入Unity3D進行漫游系統的開發，逐步實現虛擬校園漫游系統。

關鍵詞：虛擬校園;3DsMax;Unity3D

中圖分類號：TP319 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0023-03

1背景

自20世紀90年代以來，國內高校紛紛對校園網加大建設力度，并以校園網為依托開發應用形式多種多樣的管理信息系統用于學校日常管理和教學管理，開啟了我國高校校園數字化的進程。2002年5月，在中山大學舉行了高校數字化校園建設工作研討會，標志著我國高校數字化校園建設進入一個嶄新的階段。隨著網絡技術和虛擬現實技術的發展，人們對于校園在網絡上的展示也不滿足于僅僅以平面圖形或圖片的形式，而提出了以三維物體的形式來展示校園。虛擬校園逐步出現在人們的視野中，并成了校園數字化的過程中一個重要的建設問題。建設虛擬校園對于各個高校擴大其知名度和拓展高校功能起到了建設性的作用。

2國內外現狀概況和發展趨勢

在如今互聯網絡遍布全球的時代，虛擬校園已經成為各個大學在校園數字化發展過程中的一個重點建設問題，對于學校的管理和對外宣傳都會起到不可或缺的作用。

國外的高校一向都很重視虛擬校園的建設。1999年10月，瑞士聯邦兩院正式通過了《瑞士大學2000—2003年發展計劃》。在2000—2003年期間，瑞士聯邦政府將以特別財政補貼方式為州立大學撥款3000萬瑞郎，以鼓勵在高等教育領域應用新的信息與通信技術，建立“瑞士虛擬校園”[1]。土耳其的伊斯坦布爾大學早在2002年前后就已經開始著手以VRML作為工具建立應用虛擬校園，如圖1所示。新加坡南洋理工大學在網絡上建立起了虛擬校園，進入虛擬校園的用戶可以選擇成為自己心目中的各式人物或者其他的任何物品，比如一輛跑車。這大大增加了虛擬校園的趣味性和用戶的自主性。在虛擬校園內部，虛擬人物可以相互之間交流。老師更是可以利用建立起來的虛擬教室和學生進行交流溝通，學生可以自主選擇需要學習的課程來進行學習。

在國內現在很多大學都已經有了自己的虛擬校園平臺。1996年天津大學以VRML國際標準為準則，基于SGI硬件平臺，開發出了虛擬校園，這是國內最早涉足虛擬校園的高校之一。隨著網絡時代的來臨，北京大學、清華大學、上海交通大學、浙江大學等國內著名高校開始在校園網內建設虛擬校園系統，使得學生可以在網上瀏覽學校各景點和建筑，如下圖2所示。近幾年來各高校虛擬校園系統不再局限于校園網內，而是在更加開放的互聯網平臺上，虛擬校園系統的受眾面也更加的廣泛。

但是這些三維虛擬校園大多都不是完全的3D顯示，從嚴格意義上說，只能算作是2.5D。本系統應用3DSMAX和Unity3d結合的方式，開發出面向3D的虛擬校園仿真系統。

3D Studio Max，常簡稱為3d Max或3ds MAX，是Discreet公司開發的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統的3D Studio系列軟件[2-3]，現在最新版本是3ds max 2020。

Unity3D是由Unity Technologies開發的一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。Unity3d利用交互的圖型化開發環境為首要方式的軟件。其編輯器可運行在Windows、Linux（目前僅支持Ubuntu和Centos發行版）以及Mac OS X下[4]。

3開發流程

開發流程涉及模型的制作和導入Unity3d中實現漫游。

建模包括建筑模型和地形制作，第一步是提取建筑物貼圖的資料，需要對實際校園里的建筑物進行拍照以收集數據，并將這些照片進行提煉以形成對應建筑物的貼圖材質。第二步是完成建筑物的3d模型構建，以校園內實際建筑物為原型，應用3Ds Max軟件構建出虛擬校園系統中建筑物的3d模型。第三步是將第一步得到的貼圖加載到建筑物的3d模型上，得到實景的3d建筑模型，并將其導出為.fbx格式文件存儲，從而完成建筑物模型的制作。

隨后進行全面的校園地形數據采集，利用Unity3D進行地形制作。并在校園地形的基礎上，對各處有特色的場景單獨拍照，從而得到實景地形。在實景地形上進行3d建筑模型擺放，最后進行發布即可。整個開發流程如下圖3所示。

4三維建模和實景地形生成技術重點

首先要對學校的各個主要建筑物進行拍照采集資料。由于受建筑物高度、拍攝距離及相機自身成像特點的影響，拍攝的相片往往會比例失調或有一定量的畸變， 需要使用圖形處理軟件Photoshop對每張圖片進行處理， 如用自由變換把比例失調的圖片拉正，去除圖片中的雜物等[5-6]。

在3Ds Max中需要對照著圖紙描繪出建筑物的外形再進行拉伸變形之類的處理即可，因為學校建筑外形都比較規則，所以只需要避免出現錯面就可以完成三維實景的建模。但這是一個需要大量精力投入的細致事項，在完成期間一定要保證認真仔細。

模型完成后，就需要將前期處理好的紋理圖片貼到模型各個外墻面上。紋理貼上去后，有可能出現貼圖與模型面不一致的情況，這時就要手動調整UVW坐標的方式，使二者相互吻合。還有一點需要注意的就是，由于貼圖在拍攝的時候光照等外部條件不一樣，從而導致貼圖在色調等方面不一致。所以在貼圖之前需要利用圖像處理軟件將紋理圖片的色調等調整一致。

貼圖完成后還需要進行燈光的調整，以使得模型更加的逼真，我們可以采用經典的三點光源來進行燈光的調整。如圖4所示的教學樓和學校大門。

將已經建好的各個模型以.FBX格式導出，再將此文件導入到Unity 3D中。然后采用Unity 3D自帶的地形生成工具，并在校園地形的基礎上，對各處有特色的場景單獨拍照，進而得到實景地形。將在分別得到實景的3d建筑模型和實景地形之后，要將實景的3d建筑模型導入到Unity3D中的實景地形上，這時就可以開始對建筑物進行擺放在對應位置上并對其進行光照渲染，最后應用Unity3D的發布平臺將該漫游系統發布在計算機上。

5 Unity3d實現漫游

完成上述步驟后就可以在Unity3D中設計虛擬校園場景交互，用戶可以通過采用如鍵盤、鼠標之類的簡單輸入設備操縱虛擬角色在學校場景中游覽，體驗網上虛擬漫游校園。

5.1碰撞檢測的實現

碰撞檢測（Collision Detection）也稱作接觸檢測或干涉檢測，主要是避免在虛擬系統中出現運動物體穿過墻壁、穿越山體等障礙物，其中采用的技術要點是對物體在運動過程中可能與其他運動物體或障礙物出現的碰撞進行檢測。

在高校漫游系統中，需要處理漫游人物不能穿墻而過，這就需要碰撞檢測到漫游人物與不能通過的建筑或者地形相遇時，要限制通行。要產生碰撞必須為漫游人物添加剛體和碰撞器，剛體可以讓物體在物理影響下運動。剛體和碰撞器結合在一起添加到漫游對象上才有可能觸發碰撞檢測。兩個以上的對象在有碰撞體存在的前提下，物理引擎才會對碰撞進行計算。如果對剛體不設置碰撞體，這類剛體會直接穿過。

觸發器的設置在Unity3D中是通過在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性選擇框完成。Unity3d中，主要有觸發信息檢測和碰撞信息檢測兩類接口函數來處理對應的兩種碰撞檢測。如下表1和表2所示。

上述兩表中的六個接口函數都是MonoBehaviour的函數，可以通過重寫這六個函數來實現虛擬系統中實際的要求。

5.2虛擬漫游

虛擬漫游是系統的重要模塊，通過虛擬漫游可以讓用戶充分感受到校園的3D美景，本文采用自動漫游的方式帶領，系統會帶領用戶按照預定的瀏覽路線進行游覽，自動對整個校園3D美景進行游覽。在自動漫游中，由于路線是預先設定好的，所以用戶可以不受外界一切干擾，只需要跟隨當前的路線欣賞學校景色。

對于學校幾個較重要的景點，漫游系統到了景點后會暫停下來，系統會彈出一個對話框介紹該景點的相關信息，也可以選擇視頻文件進行播放，從而了解更加具體的細節。

6結束語

校園虛擬系統通過前期的各個階段設計與實現和對系統的內部測試檢驗，達到了預期的設計效果，場景展示效果逼真、用戶沉浸度較高、建筑模型高擬真度，為校園虛擬系統的設計與實現提供了一個3D沉浸式解決方案。

基于今年的疫情，像以往大規模的聚集進行學校招生宣傳不再可行，在線虛擬漫游校園將成為各個高校引領外界了解校園的主要方式，也是各高校宣傳自身必不可少的平臺，對推進校園的現代化管理水平和提升學校知名度也起到了積極的促進作用。

參考文獻：

[1] 牟萍. 虛擬校園建模、漫游技術研究及其實踐[D]. 重慶： 重慶師范大學， 2006.

[2] 王靖. 基于Unity3D礦山虛擬現實系統開發研究[D]. 西安： 西安建筑科技大學， 2018.

[3] 陽菲，賀細平， 何俊鋒. 基于VR與TTS的沉浸式虛擬校園向導系統設計[J]. 電腦與信息技術， 2018， 26（4）： 56-58.

[4]百度百科[EB/OL].[2019-12-20] https：//baike.baidu.com/item/Unity3D/3064002？fromtitle=unity%203d&fromid=1888878&fr=aladdin.

[5] 陳濤， 田海晏，岑學學， 等. 三維校園虛擬現實研究[J]. 北京石油化工學院學報， 2010， 18（2）： 45-49.

[6] 孟祥增，馬萍，劉瑞梅.三維虛擬場景的創設與立體播放[J].中國電化教育，2011（8）：125-128.

【通聯編輯：謝媛媛】