淺議華夏數字化3D虛擬校園

文李春輝

一、引言

隨著三維虛擬現實技術的迅速發展，各高校都開始探索虛擬校園的建設。其中有數字化3D虛擬校園-APP的建設，用戶使用手機登錄虛擬校園系統-APP，觀看校園的景觀，感受學校的校園文化，以達到學校全方位介紹校園的目的。數字化3D虛擬校園APP系統的主要作用包括：展示學校的特色校園文化、實現校內定位導航，提供事務指南、招生宣傳與迎新服務等，這些是校園信息化建設的重要組成部分。

華夏數字化3d虛擬校園系統是運用VR虛擬現實技術結合三維技術和數據庫技術，建立基于網絡的、可交互操作的、三維數字化的虛擬校園APP系統，實現在手機上遠程欣賞廣州華夏職業學院風景的設想。

二、開發平臺

（一）3dsmax與Photoshop

3dsmax是一款集三維建模、骨骼動畫及特效和渲染的三維制作軟件，主要應用于室內設計、影視制作、工業設計、三維動畫、多媒體制作、游戲制作、以及工程可視化等領域。本案例主要運用3dsmax制作校園中的模型與UV拆分，使用Photoshop繪制與處理模型貼圖，從而達到逼真的還原效果。

（二）Unity3d

Unity3d是一款集三維游戲、建筑可視化、實時三維動畫等系統開發平臺，具有高效良好的圖形實時渲染效果。該軟件同時支持Direct3D和OpenGL，采用了Nvidia PhysX的物理引擎并支持Lightmap Baking光影渲染系統。本案例使用Unity 3D的數字化虛擬平臺開發華夏3D數字化虛擬校園手機APP系統，可以降低項目開發的難度，大大提高了APP系統制作的效率。

三、校園的數據采集與模型制作

（一）數據采集

數據采集的主要內容有：第一，使用百度地圖截取學校的平面圖，百度地圖使用衛星定位的平面圖，校園的大比例相對比較準確；第二，現場實地測量，測量建筑的占地面積以及道路的寬度、各建筑之間的距離等；第三，使用手機的相機功能，多個角度拍攝每個建筑的結構，作為三維模型的參考素材，為以后的貼圖工作做準備。第四，通過問卷和訪談的形式，對于學生和教師進行訪問和調研，從學生和教師的需求中得出用戶最關注的校園的關注點。

（二）制作學校的建筑模型

根據前期的校園調查和訪談，確定了學校交互的重點在于學校的大門、創新創業大樓、華夏苑、實訓室等場所是師生最重要的交互場景，因此該虛擬模型的搭建可從這幾個點進行制作，并且主要圍繞教育教學的觀念進行交互動作的設計。從之前的研究和發現可以看出大多的虛擬校園，只是以簡單的校園展示為主，但是此次構建的校園場景會增強交互的功能，比如在各個教學樓的附近進行交互的語音或者文字的展示，并且會有一系列游戲的互動，提升學生對虛擬校園系統的使用感，并且能夠進行移情。

根據前期數據采集的素材作為參考對象，使用3ds max制作校園模型。制作模型的第一步，先使用基本立方體代替校園中的建筑，根據校園平面圖與現場測量的數據，將校園中的建筑物的長寬高比例與空間信息，在大框架下把整個校園的基本布局完成；然后再根據每個建筑物的結構制作細節；第二步，重點制作學校大門、創新創業大廈以及華夏苑的模型；第三步，在大框架完成的情況下，把校園的場景導入Unity3D進行簡單測試，如果出現模型比例、貼圖丟失等問題需及時在3Dsmax中進行調整；第四步，在模型的制作過程中，注意模型的結構布線。在不影響建筑結構的情況下，盡量減少模型的面數量，否則在后期做貼圖烘培時，面數過多會導致計算機卡死。第五步，模型制作完成后，整理打組并優化場景和進行打包。

（三）貼圖材質的處理

想要得到逼真的效果，把校園中的場景在虛擬系統中展現的過程中就得認真完成模型的貼圖。貼圖素材可以使用手機進行現場拍攝，對建筑物的細節進行拍攝處理，比如：窗戶、門、瓷磚等圖片，貼圖繪制時使用Photoshop根據模型的UV進行裁剪與調整。每棟建筑的紋理盡量放在一張貼圖里面，圖片的像素使用512×512左右。本案例中的教學樓、實訓樓、學生宿舍的樓頂都是琉璃瓦，那么貼圖就可以共用。制作模型時需要結合貼圖，對于校園中每棟建筑物的每個樓層的結構都是如此，所以先完成第一層的模型與貼圖再進行往上的復制。

對于學校的草地、小路、湖面的場景可使用平面加貼圖的效果實現。樹木的模型使用兩種面片貼圖法，對于校園中與相機漫游比較近的樹就使用立體的面片樹，這種樹在不同的角度看到的效果都不一樣，樹枝與樹葉的貼圖需要分開制作；另外一種是使用十字交叉的平面，貼圖可以現場拍攝一些樹的正面效果，使用Photoshop把背景扣除，保存圖片的格式為PNG并賦予十字交叉面，不透明通道使用以上的貼圖選擇alpha輸出，然后就可以把樹木的紋理貼到交叉面上，這種樹可以放在與漫游相機比較遠的地方。

四、搭建虛擬交互平臺

（一）場景的烘焙貼圖

烘焙技術是對當前場景中物體的外觀創建紋理圖片，再將所得貼圖貼回到模型表面。烘焙所得貼圖記錄了包括光能傳遞的結果，再次渲染時不用計算光照也可得到一樣的效果，節省了計算的時間。將烘焙貼圖導入到Unity3D引擎后，既能記錄真實的光照效果，又節省了系統資源，提高了運行速度。

虛擬校園場景建模完成后，需要在Unity3D 引擎中進行虛擬校園的漫游功能設計。場景模型導入到Unity3D 引擎后，需要設計系統交互功能的實現方案，再制作系統交互的界面。APP系統界面的菜單、按鈕、導航器設計要精簡。交互可以插入文字或視頻介紹實驗室或多媒體教室，讓用戶沉浸在虛擬效果當中。

（二）漫游方式的數據設置

Unity3D中的漫游可分為自主漫游和固定路徑漫游兩種。使用自主漫游方式進行漫游，用戶就像玩手機游戲一樣在虛擬校園中“游玩”，操作的自由度高，在整個虛擬的校園場景中能夠隨心所欲地進行實時漫游。本系統利用定點相機進行自主漫游的功能設計。創建一個定點相機，設置好相機參數，然后將設置好的相機置于場景中觀察目標的位置，切換至相機視野后便可進行漫游。用戶只要在手機界面按住上下左右的按鈕就可進行漫游操作。用戶也可以通過自己的設置來切換不同的相機動畫，從而實現系統中多個不同位置的自主漫游。

固定路徑漫游功能是在Unity3D中設置好相機視角和路線，用戶不用對畫面進行操作，也可以欣賞虛擬的校園漫游動畫。固定路徑漫游一般是以第一人稱的視角進行，在虛擬系統中制作的自動漫游動畫具有導向的作用，一般將其作為主要的漫游路徑，滿足一些用戶在漫游時的需求。

（三）碰撞測試

在虛擬校園大框架完成的前提下就可以導入Unity3D進行碰撞測試了，虛擬校園的場景的活動范圍是有限制的，這樣我們就需要在虛擬系統中設置空氣墻，不能讓用戶跑到一些有限制的地方，例如虛擬系統中的極限邊緣與一些建筑物的內部，這樣容易出現各種意外和不可操控性。在整個虛擬系統中我們使用了兩種碰撞檢測對象，分別是空氣墻與盒形碰撞。空氣墻主要使用在整個地圖的邊緣與校園湖泊的周圍，不能讓用戶跑到地圖外面與湖泊里面去；盒形碰撞主要使用在建筑物的周圍，虛擬校園中的建筑物只展示建筑外面的效果，里面是沒有模型結構的，所以也要限制用戶跑到建筑模型內部。

（四）展示效果的實現

當用戶使用手機登錄進入虛擬校園APP后，畫面鏡頭從空中快速俯沖穿過云層進入學校大門前面，如果用戶是首次登錄，手機屏幕會出現簡單的操作介紹。當用戶進入學校大門石碑前的小廣場后，屏幕會出現學校各個二級學院的圖標，用戶通過點擊就可了解各二級學院的專業介紹。石碑右后方就是學校的華夏園，這里是重點打造的場景之一，華夏園有美麗的花草樹木、涼亭、文化走廊、假山湖面等風景，是最能展示華夏特色校園文化的畫面。在華夏苑的交互互動中，可以介紹相關的華夏故事，展示歷屆學生的生活情景。成長石碑左后方是教學樓，當用戶走到教學樓下方，會出現類似傳送門的通道，用戶可以進入通道，畫面會進入教學樓的課室，感受大學課堂，通過點擊的方式，學生可以直接進行課程的選擇和交互，選擇課程后，可以根據當前的課堂進行課堂教學的學習，并且可以跟線下的老師進行線上的互動學習。再往后走就是學校的二期校園，學校的圖書館也是重點打造的場景，通過檢索可以快速的鎖定圖書，并且能夠在線上進行圖書借閱情況的查看，包括對自習室空座情況的查看，可以在線上進行圖書的預定，以及在線上進行自習室的座位預約等。讓用戶可以完全沉浸于華夏虛擬校園當中，并且能夠從線上感受到校園學習的氛圍。

五、結語

本文以廣州華夏職業學院為例，系統闡述了制作虛擬校園所涉及的軟件的應用方法與技巧，對核心應用軟件3Dsmax、Photoshop、Unity3D的應用進行了系統的應用說明。該項目通過三維立體的建模和Unity3D的自主漫游的設置，對廣州華夏職業校園進行三維全境的展示和交互，讓沒來過廣州華夏職業學院的用戶也可以在虛擬的環境中去“了解”其校園和線上的學習。用戶還可以在數字化虛擬校園系統中鳥瞰以及選擇不同的視圖來多視角地觀看校園景觀，以達到全方位認識該校園的目的。數字化3D虛擬校園系統對招生宣傳、校園慶典、校內定位導航、事務指南、迎新服務等事務均具有非常重要的作用，是校園信息化建設的重要組成部分。該項目用線上三維的方式，全方位地展示校園的環境。