三維模型及其虛擬路線的研究與設計

潘仟喜 郭斌 楊樹媛 吳童 劉丹 黃海鯤 曾澤坤

摘要：隨著科學技術的發展，部分高校利用虛擬技術來構建虛擬校園漫游系統，該系統通過3D虛擬技術模擬校園的真實建筑，從而達到虛擬校園漫游的效果。項目實踐過程中，首先對校園的全貌進行深入了解，然后利用3Dmax技術對校園中的各種建筑物進行建模，并通過實景采樣來提高模型的真實感。最后利用Unity3D技術實現場景交互，并通過模擬仿真構建了一個具有沉浸感和交互性的虛擬漫游系統，從而使用戶做到足不出戶便可漫游校園，同時擁有一種身臨其境的感覺。

關鍵詞：建筑渲染;虛擬漫游;3Dmax;Unity3D

中圖分類號：TP399 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0099-03

1引言

近些年來，我國對于3D建模的運用越來越廣泛，在三維創作上也有了突飛猛進的進步，在各個領域都占據了很大的空間[1]。目前，三維立體模型的制作以及引擎的運用還有很多的提升空間。從我國的3D游戲和3D動漫展來看，3D虛擬場景正在我國慢慢崛起，并且也有很多的學校和景區已經運用了虛擬場景漫游技術[2]。另外有很多公司將其公司的三維立體模型放入公司官網，使得用戶可以以第一人稱的視角對公司進行全部的了解，并且從公司展示的角度滿足企業多方面宣傳的需求。將3D虛擬場景技術運用到3D交互領域，不僅可以復刻，還可以進行虛擬的三維立體模型的制作使得現實和虛擬有一個更好的交融，讓用戶可以在虛擬場景中有一個非常好的觀感體驗。作為三維模型的拓展，現代VR、AR技術的性能也日益凸顯，可以讓用戶有更加身臨其境的體驗[3]。

虛擬校園漫游系統在校園建設中扮演著很重要的一環，對每棟建筑的外觀設計和3D建模不僅可以提高學校的公眾認可度，還可以作為校園管理和科學管理的支持系統[4]。本系統利用3DMAX、Substance Painter、PhotoShop、Unity3D等軟件完成模型從平面到立體的構建，并實現校園場景漫游功能。

2虛擬漫游場景框架設計

虛擬漫游場景包括虛擬三維場景和虛擬人物，用戶可以使用鍵盤或鼠標等輸入設備控制人物在場景中移動。其可以分為三個模塊，分別為場景、視圖和圖形。觀察者可以從多個視圖觀看一個場景，而其中的場景又包括了很多的圖形。場景可以為大量圖形的處理提供接口，并且可以輸出每一個圖形。場景也可以管理圖形的當前狀態并顯示其渲染畫面。視圖表示場景中的可視化內容，為功能和場景建立交互。從鍵盤或鼠標接收事件之后，會發送這些事件到場景從而完成相應功能轉化。圖形主要支持對鼠標事件和鍵盤事件的處理，為其在場景中活動也提供了碰撞檢測的功能和交互功能。

以上的模塊需要通過坐標建立聯系，坐標又可以分為場景坐標、視圖坐標和圖形坐標。場景坐標是基礎坐標，而圖形坐標和視圖坐標分別對應在每一個圖形和視圖單位之中。這三類坐標可以映射出場景、視圖和圖像三者之間的聯系。虛擬漫游場景系統設計框架如圖1所示。

3系統功能

本系統虛擬漫游場景包含了瀏覽校園、導航校園和了解校園的功能，用戶可以在場景中完成虛擬漫游。瀏覽校園是在場景中將校園的三維模型刻畫出來，并且按照其地理位置，將每一個建筑物的坐標和方向都確定了下來[5]。用戶可以在場景中控制設定的人物來控制人稱視角的轉換，通過移動來完成瀏覽校園的目的。導航校園通過對校園地圖的繪制和建模，可以讓用戶通過點擊導航按鈕選擇某一地點，系統中便會出現該地點名稱，隨后場景中會顯示出一條通往該地點的箭頭為用戶導航。了解校園功能是通過突出每一棟建筑的建筑風格和特性中體現出來的，用戶通過導航到達建筑物時，會有介紹當前建筑物的彈窗出現，從而可以讓用戶了解該建筑物的歷史與文化，加深對整個校園的認識。系統功能框圖如圖2所示。

3.1 交互功能模塊

模型交互功能通過Unity3D軟件實現。在場景之中加入重力引擎、剛體組件等，使其更加真實地模擬現實場景，碰到建筑物的時候會有碰撞效果[6]。在虛擬場景之中當人物到達某一建筑物時，彈出信息模塊展示此時眼前的建筑物的基本信息，讓用戶可以更好地去了解這棟建筑物。場景中還展示了用戶想要循跡的路線以及系統為用戶規劃好的路線，避免因為抄近道出現踩踏草坪的情況，讓新用戶以更全面更文明的方式去了解校園。

對于人物移動方面，采用常見的鍵盤移動的方法進行移動，具體使用KEYCODE功能來實現，用NavMeshAgent組件完成導航系統[7]。交互更多體現在導航和按鈕之間，例如根據鼠標的點擊事件顯示出相應的數據以及完成相關的功能。程序中根據按鈕交互控制單獨的導航系統，每一個按鈕都對應一個導航目標，位置不同的導航按鈕是分別控制顯示那些地點按鈕的控制器，而地點按鈕控制器又控制導航路線的規劃，從而實現導航和按鈕之間的交互。按鈕交互界面如圖4所示。

3.2 導航功能

使用LineRenderer組件實現線路規劃功能，并且在繪制選擇點到目標位置的路徑時，系統將向下投射，以獲得底部的導航網格點，這樣在用戶移動位置之后也可以完成導航路線的更新。在腳本中繪制物理射線驗證目標位置和Player的起始位置就可以判斷出用戶走的路線是何種情況。

導航功能實現是使用的NavmeshPathDraw組件，在該組件中完成路線導航需要搭配LineRenderer組件，這是一個Unity中自帶的畫線組件，隨后在程序中將自己導航路徑實例化之后顯示出來。同樣，每一幀都會運算LineRenderer組件，并輸出返回值，以便達到導航的精準性。導航界面如圖5所示。

4系統實現

系統實現首先要對學校的建筑物進行拍攝取景，將三維建筑物拍攝為二維建筑物[8]，然后根據2D建筑的輪廓繪制3D虛擬建筑，再通過Unity3D來實現多個三維虛擬建筑的交互場景，并通過程序控制每一個三維圖形。

4.1 數據收集

系統實現要做大量數據收集工作，主要包括拍攝學校地圖的每一棟建筑物，并且計算出來其相對應的尺寸，完善每一處細節，讓用戶可以更加直觀地觀看到其內容。有些細節可能在平時很少能注意到，但是當真正要去實現模型的時候也是要非常認真地檢查，所以所有細節可能都會被放大。對各個建筑物進行實地拍照，可以保證實現1：1最真實的還原[9]。與此同時也要保證數據的偏差不能太大，如果觀察到拍攝的數據有誤，后期必須做出及時的調整。

4.2 數據處理

在數據處理方面，先使用3DMAX進行基礎建模，之后進一步建模建筑細節，對于收集到的樣本信息，會選擇清晰度高、距離更近的信息[10]。材質方面選擇3DMAX中的UV展開圖，隨后使用PS導出模型法線貼圖以及ID貼圖在Substance Painter中完成建模。圖6為校園圖書館的細節圖。

上述步驟完成單個建筑模型的處理和構建，在構建完所有模型時將其同時導入到Unity 3D中進行匯總編程工作。首先獲取學校校園的2D平面地理圖，然后根據平面圖鋪設出學校整體樣貌，最后進行綠化處理，增加場景的現實感，這里采用的是第三視角的方式來瀏覽新疆農業大學。圖7～圖10顯示校園圖書館的虛擬構建過程和結果。

4.3 系統后期處理

在系統后期處理階段，事先將所有的美化工作完成，避免出現快速度、快轉向、人物與建筑比例不符等問題。注意將人物與建筑物的比例控制在合適的比例，本系統選擇微軟系統程序的打開方式，通過Unity導出可執行程序使其獨立成為軟件，并不會像在Unity中運行那樣消耗太多性能。獨立運行時其細節以及操作響應事件的程序都保留了下來，并且事先控制的交互界面也會保留。系統步驟及界面設計如圖10、圖11所示。

5結束語

近些年3D項目已經慢慢普及到千家萬戶，相對應的就是Unity3D的使用，它可以最大限度地完成所設定的想法。而對于國內AR、VR技術的普及，3D交互已經取得了很大的成就，所以在當下的環境中更應該去推廣3DMAX以及Unity3D。本系統的特點在于使用虛擬表現出現實，并把學校環境資源進行特定的分析。通過此方法開發出的漫游系統與模型，將學校的多數建筑與環境，完整地復制在場景當中，使不同類型的用戶不受限于時間與空間便可以漫游校園。本系統的技術開發與設計以校園環境為平臺，借助于豐富便利的實體觀測與考察，最終實現了以新疆農業大學為載體的三維漫游的系統，為其他三維場景的設計與建設提供一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 李順娟.虛擬校園建模與漫游技術分析[J].無線互聯科技，2021，18（2）：10-12.

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[3] 宋澤軍，柯紅紅.基于VR技術的虛擬校園漫游系統開發[J].產業科技創新，2020，2（4）：40-41.

[4] 李珍，于海東.在Unity3D技術基礎上構建虛擬校園漫游系統的研究[J].電腦編程技巧與維護，2021（7）：144-146.

[5] 李倩.虛擬現實技術在虛擬校園漫游系統中的應用研究[D].杭州：浙江工業大學，2012.

[6] 曾貞.Unity3D物理引擎中剛體組件在AR碰撞設計中的運用[J].信息與電腦（理論版），2019，31（23）：101-103.

[7] 馬曉萍.基于NavMeshAgent系統的Trigger自動門設計與實現[J].電子技術，2021，50（10）：14-15.

[8] 王穆一雄，吳政漾，張新秀，等.校園建筑物三維可視化查詢系統研究與開發[J].蘭州交通大學學報，2013，32（1）：120-123.

[9] 李俊軍.基于Unity3D的室內建筑三維建模與交互系統實現[D].徐州：中國礦業大學，2014.

[10] 吳婧，馮永忠，劉軍.基于3D MAX的建筑建模[J].甘肅科技，2015，31（1）：119-120.

【通聯編輯：謝媛媛】