虛擬現實技術的三維校園漫游系統解析

馮秀亭

（山東電子職業技術學院，山東 濟南 250200）

0 引言

早在20世紀美國VPL公司便發明出一個新詞語——虛擬現實，這便是虛擬現實技術的前身。在21世紀早期，最具廣袤發展前景的計算機運用技術就將虛擬現實、多媒體及網絡技術等囊括其中。針對虛擬現實技術，可以將其理解成在計算機設備的協助下建設虛擬環境，實現交互與仿真過程的一種重要技術力量。自從計算機被研發以來，人們不斷拓展對其研究的深度，這對互聯網的應用過程起到了一定的驅動作用，在這樣的背景下，虛擬現實成了科學界與產業界的主要研究方向，它在建筑、軍事以及教育等諸多領域中都取得了較好的成效，也在社會經濟持續發展的過程中形成了強大的支撐力。該文主要探究其在三維校園漫游系統設計領域中的應用情況。

1 研究背景與意義分析

1.1 背景

在互聯網科技蓬勃發展的大背景下，虛擬現實技術在歐美等發達國家中的應用較為廣泛。虛擬現實（VR）技術是在計算機和最先進傳感器技術等協助下創造出來的，廣大用戶能從視覺、聽覺和嗅覺層面上與計算機設備實現有效互動，多感知性、存在感、交互性以及自主性等是它的主要特征。VR技術在計算機科研領域中占據重要位置，并逐漸與軍事、教育和工業設計實踐過程相融合，呈現出較大的發展潛能[1]。應用其自身高端的交互性、多感知性等特征，VR技術和三維數字景觀漫游研究過程的融合也取得了較好的成績。近些年，國內外各大高校之間形成了激烈的競爭關系，沿用傳統方法已經無法較好地滿足學校現代化、智能化的發展需求。很多高校陸續著手建設信息化校園，建設功能完善的虛擬校園漫游系統已經成為提高高校競爭力和社會影響力的有效方法之一。

1.2 意義

在VR技術的支撐下，項目能從不同維度實現對高校校園場景環境的三維立體化演示，廣大用戶足不出戶就可以身臨其境地感受到校園的四季風光。VR技術最大的作用是建設一個多元化信息平臺，進而為全面了解校園環境創造便利，學校也可以獲得一個嶄新的對外宣揚、呈現校風的途徑。VR技術不僅能以漫游形式呈現校園環境的發展現狀，還能方便相關人員對校園景觀進行整改，從而進一步提升校園景觀的美觀性。三維景觀漫游系統是建設數字校園的基礎，也是在教育領域中應用VR技術的新典型，能夠直觀、清晰地預覽具體改造成果，使設計的科學性、可操作性得到更大的保障，這對高校校區建設、高校的可持續發展是非常有利的。

2 建設校園三維模型

2.1 基礎設計

參照國內某高校校區綜合規劃、建筑樓群以及平面設計的CAD設計圖紙建設配套模型。建模過程是一個循序漸進的過程，需要相關人員積極前往實地考察地形，再參照圖紙內學院整體的部署情況，依照設定的比例準確建模，這是提升建模質量及工效的有效方法之一。

觀察與分析原始校園平面圖紙，發現依照層次可以將該高校的整個校園細化成校園建筑樓群區、校園環境區2個部分，前者主要由行政樓、教學樓以及宿舍樓等構成，后者有綠化植被、道路以及河流等，通過細化過程，可以明顯提升校園結構的清晰度，為建設與完善模型創造便利。采集、整理該高校既往形成的建筑CAD設計圖是構建虛擬校園系統的第一個步驟，設計圖紙是模型建設的主要憑據，全面整理能消除雜亂因素，包括無用的標識、管線圖層等信息，保留對建模過程有助益的信息，例如外形輪廓、方位信息等。原始校園平面圖如圖1所示。

圖1 原始校園平面圖

2.2 建設三維模型

搭建三維模型是虛擬校園系統設計、建設活動中的關鍵一環，建模質量是影響虛擬系統品質及運行效果的主要因素之一。

3ds Max、AutoCAD都是AutoDesk公司推出的產品，兩者之間的數據信息能實現快速轉化，綜合多方面因素后，該文擬選3ds Max 2010作為建模工具，希望在其協助下確保建模數據源傳遞與轉換過程的緊密性、有效性[2]。3ds Max內存在許多幾何建模方法，考慮到該高校校園內建筑樓群的特征，該文決定選用多邊形建模的方法。具體操作是把上述過程整理好的簡易式校園平面圖整合至3ds Max內，為建設校園模型圖提供更多的資源支撐，該圖可以被細化成環境、校區綠化以及建筑樓群模型。在構建地面環境模型圖時，勾畫二維樣條線是重點工作內容，繪制2個相毗鄰的樣條線的方法相對比較簡單，可以直接復制粘貼前期建立目標對象的樣條，并在對其進行微調整后，布置相對應的參數信息，該方式能明顯提升模型圖質感的真實性。校園環境模型如圖2所示。

圖2 校園環境模型

校園綠化模型內很難確保樹木的真實感處于較高的水平，如果把每棵樹木都制作成模型，會明顯提升建模的復雜性，鑒于以上情況，該課題在設計系統時決定采用十字交叉面片表示校區內的樹木，力爭在復雜度和真實性之間建設平衡關系。對面片樹木的材質賦予其一定紋理構造，通過該方式使用戶能在視覺層面上觀看到一棵完整度很高的樹木。由于該課題研究中設計的是VR場景，因此為了規避漫游階段發生卡頓現象，建議將模型面數目降至最低，為了能達成上述目標，整改傳統建筑樓群內窗戶的制作方法，改用搭建單面窗戶的方法，該方法能顯著優化建模質量，同時還可以大幅度提升工作效率。

2.3 系統完善

為了使廣大用戶能在計算機網頁上快速瀏覽虛擬校園漫游系統，相關人員對軟件的規格大小提出了較高的要求，這就預示著相關人員在設計研發系統階段，在提升場景模型的逼真性、真實度的基礎上，還要有針對性地完善場景與模型，通過該方式使系統運行過程的流暢性得到更大的保障，這樣用戶在瀏覽階段也能產生良好的主觀體驗，因此在研發系統的過程中，一定要考慮完善相關問題，該文主要考慮了物體模型和貼圖2個方面。

如果構造面數過多的繁雜模型，那么在用戶瀏覽虛擬場景的階段，很可能對情境轉換過程的順滑性造成不同程度的損害，從而削弱系統的實時性，因此一定要采用適宜的方法處理模型，在不影響其功能發揮的基礎上，盡可能地提升系統的簡潔性，針對用戶肉眼不能看到的面和線條等，都要進行統一刪除。此外，在虛擬情境內，僅能觀察到一些模型多邊形的單面，可以聯合使用3ds Max將多邊形的背面精準剔除，僅完整、清晰地呈現它的前面，同時也相應地減少了模型面的數目，有助于提升系統運行過程的順暢性[3]。

分析場景模型的材質貼圖，是相關人員利用數碼相機拍攝高校校區中不同建設的外形構造及周邊景觀并采用Photoshop軟件對圖片進行修整而得到的，運行系統的存儲空間會對其規格、數目以及辨識度等形成不同程度的影響和約束，因此需要有針對性地對改善貼圖進行優化，通過該方式使系統運行的實時性得到了更大的保障。為了減少存儲空間資源的用量，要科學設定貼圖自身的規格大小，并建議合并成一的物體要應用材質相同的貼圖，這樣能對提升渲染速度起到一定的促進作用。

2.4 漫游實現

Virtoolsl軟件可以對漫游過程進行如下模擬：當向前臨近屏幕時，攝像機會沿z軸的正方向進行平移；當后退操作遠離屏幕時，攝像機將沿z軸的負方向進行平移。同樣能夠推測當轉向是左、右時，攝像機會順著y軸按逆、順時針方向轉動，當出現升、降動作時，則會沿y軸的正、負方向進行平移，通過該方式確保虛擬校園漫游系統的功能可以充分地發揮出來。

3 碰撞檢測

碰撞檢測實質上就是仿真模擬現實環境中遇到障礙體時人物或物體做出的表現，例如當某個物體遇到墻壁，如果未規劃布置碰撞檢測，那么就會導致物體將墻越過，這并不是設計人員期待看到的情況。在真實情景下，當察覺到有物體臨近障礙物時，一定要暫停前行過程，在這樣的狀況中，設計人員要認真處置部分碰撞事件，增設碰撞檢測函數[4]。目前，已經發現在Unity 3D內可以檢出的碰撞發生形式主要有碰撞器和觸發器。Unity 3D中共計布設了6種碰撞器，即盒子、球體、膠囊、網格、車輪以及地形碰撞器。針對同個物體上應布設多少碰撞器，Unity并沒有做出明確要求，如果遇到不規則實物體時，設計人員可以組合應用以上不同類型的碰撞器。觸發器可以被看成是碰撞體持有的一個屬性，相關人員只需要在檢視面板碰撞器組件內選擇出IsTrigger屬性選擇框，就可以順利地完成碰撞檢查。如果想要在順利地監測到不同物體之間的接觸情況的同時，又想將碰撞檢測操作對物體移動過程形成的不良影響降至最低（或者要掌握某個物件是否經過空間內某區域），就需要在觸發器的協助下完成相關操作。

4 系統優化

虛擬校園漫游系統為了方便廣大用戶在網頁上對其進行瀏覽，對軟件的規格大小提出了較高的要求，因此在設計研發系統階段，不僅要分析場景模型的逼真性，還要重視完善場景與模型，確保系統運行過程的流暢，同時還不會對用戶的主觀體驗感造成不良影響。綜上所述，系統優化是開發實踐中需要重點考慮的問題之一，該課題的優化主要集中在物體模型與貼圖2個方面：1）對模型進行簡化處理，凡是用戶看不到的面或者線，都可以對其作刪除處理，另外，虛擬場景內的局部模型多邊形僅能實現單面可見，建議應用3ds Max去消除多邊形的背面，僅呈現其前面，從而減少系統的面數，提升系統運轉過程的順暢性。2）針對模型材質貼圖的優化，主要是利用數碼相機照射校園內各方位、各建筑的外部樣態及景觀，利用Photoshop軟件修圖，鑒于運行系統存儲空間會對圖片的尺寸、數目及分辨率等造成不同影響，因此應該對貼圖進行優化處理，通過該方式使系統運行的實時性得到一定的保障。為了節約存儲空間，應該科學確定貼圖的大小，針對合并物體應用同種材質，進而加速渲染過程。

5 某高校校園立體漫游系統的建設

建設校園立體漫游系統的步驟如下：勘察真實校園校區→收集并處理所需要的數據信息→規劃設計校區，完成對局部景觀的改造→搭建三維校園模型→實現虛擬現實系統的驅動功能→形成虛擬校園漫游[5]。

5.1 繪制平面圖

繪制平面圖的步驟入如下。首先，要組織相關人員做好前期數據信息采集的工作，利用在皮卷尺等工具準確測出校區建筑的外圍數據，詳細記錄校區道路寬度、設施所處方位等相關信息，利用數碼相機拍攝建筑外觀及景觀圖，為后期工作的順利推進提供全面、可靠的數據。

其次，規劃設計校園方案。該高校校區規劃的合理性不足，主要表現在食堂門前交通組織混亂、設計建成的停車場規范性不足、硬質鋪裝過多以及局部路段兩側景觀單一化顯著等。為了解決上述現實問題，設計人員對方案進行了優化處理：1）科學梳理最佳路線，設定出最便捷的各等級道路。2）增設景觀小品，例如花壇、座椅等，成本相對較低，通過該方式提升設計方案的合理性，使其散發出更濃郁的人文氣息。3）在設計局部區段的植物景觀時，盡可能地提升景觀環境的舒適度，確保物種的多樣性。

最后，認真做好平面繪制（CAD）工作。參照前期測得的數據及拍攝到的照片，落實CAD的1 ∶1平面繪制工作（單位：mm）。在該環境中可以配合使用正交模型，保證勾畫出的線能做到平直，在精準捕捉到目標對象后，準確調控光標的矢量追蹤[6]。同時還設定了很多景觀要素，例如建筑、道路以及水體的規格和方位等，將不同要素精準地配置到相對應的圖層。再有針對性地調整需要進行設計整改的部位，最后把底圖保存成EPS格式。

5.2 創建三維模型

創建三維模型的步驟如下。首先，處理材質。具體是以大批量的實景照片為基礎，在材質處理（PS）技術的協助下，科學、合理地處理貼圖材質的顏色、外形以及規格尺寸等，規范地落實仿真處理任務。

其次，在建模階段（SU）導進CAD底圖。再具體導入操作中需要在選項之下逐一勾選三項勾，同時將單位轉換成mm。連接好不同面層之間的關系后，參照前期實地測得的數據去制造出建筑模型[7]。先要參照拍攝所得的圖片合理設定建筑層數，再在推拉工具的協助下布置建設高度，認真處理建筑門窗、樓梯拐角等細節部位，針對規格、形狀以及材質相等的門窗，可以對其進行關聯處理，便于一并整改。

5.3 制造動漫或動畫引擎

制造動漫或動畫引擎具體是在SU內將前期建成的模型整合至lumion場景中，結合氣候添加調節陽光、云彩等，在自然材質庫下對水體草坪的材質進行編輯。將植被、小品設施等素材增設到場景內，這是充實場景內容的有效方法之一。搭配植物時要科學處置喬木、灌木及草坪的方位。在適宜的角度拍攝照片并盡早導出照片[8]。在“動畫模式”的支撐下完成錄制工作，選出適宜的起始點，單擊完成照片的拍攝工作，短縮鏡頭后再進行拍攝，確保拍攝過程始終能在勻速狀態下運轉。瀏覽校區場景以后，對局部進行合并處理，最后添加不同類型的聲音特效，通過該方式強化觀看者的3D立體式環繞感受。

在實驗室專業儀器設備的協助下，設計人員順利地完成了虛擬校園漫游系統的相關制造任務，高效率地落實了虛擬校園場景的建設任務。

6 結語

參照某高校校園建筑CAD設計圖紙建設出了三維模型，并且有針對性地對其進行完善，明顯強化了模型的逼真性，導入模型后順利地達成了自主漫游的目的，并通過碰撞檢測過程實現了虛擬漫游的真實性。統計運行結果后，可以發現該文設計的三維漫游校園系統能較為清晰、全面地呈現出該高校的校園環境，使廣大用戶有身臨其境的感覺，也能使VR技術在教育領域中將自身的功能作用充分地發揮出來。