大數據學院虛擬現實系統設計與開發＊

孟慶軒，揚帆凌波，李侍奉

(北京城市學院，北京 101300)

0 引言

虛擬現實技術是綜合應用多個學科知識的3D 交互邏輯成像高新實用技術。它是一種有效地模擬生物在自然環境中視、聽、動等行為的交互技術，其概念是發展的和變化的。虛擬校園技術（Virtual campus technology）是指：在計算機中對現實校園中的景觀以及教學設施、教學環境等通過數字化處理，有效再現虛擬校園的技術。本系統采用3ds Max 進行立體建模，使用Photoshop軟件對于拍攝的大數據學院圖片進行處理形成三維模型的貼圖，最后將模型與貼圖導入到Unity3D 引擎中實現交互式功能。采用360 度俯瞰的方式對于大數據學院的三號實訓樓進行自由瀏覽，對于大數據學院內部采用第一人稱的方式進行漫游，并對課程與專業信息、教學設備進行立體式的展示，以互動的方式為學生與家長提供有趣的虛擬大數據學院漫游，并最終發布為Web 版本，為學生和家長熟悉大數據學院提供便利。

1 建模方法

三維建模技術是在軟件中建立模型的技術手段。建模就是建立數字化虛擬模型的過程，又稱模型化。本系統的三維模型采用3ds Max 進行制作，制作之前為了真實還原大數據學院樓體的外觀與內部房間布局，并按照1：1的方式進行展示，需要對樓體外部與內部進行測量，并根據這些數據來進行建模。本系統是虛擬現實系統，需要給人們身臨其境的漫游，模型的貼圖需要通過相機拍攝并使用Photoshop 軟件進行處理的方式來得到。

1.1 數據與貼圖的采集

樓體的外部在最終的系統中，是以360 度環繞漫游的方式進行展示，只需要精確到米就可以。樓體內部的結構比較復雜，在最終完成的系統中是以第一人稱方式進行漫游，需要精確到厘米，這樣才能更好的展示樓體內部結構與對應的教學硬件。并且樓體內部的設備：桌椅、投影儀等，也需要進行測量，這樣在模型制作的過程中才能做到樓體內部模型比例正確，給人一種真實的感覺。

模型的貼圖需要使用相機拍攝來得到，拍攝時需要拍攝兩套圖片：一套圖片用于查看樓體的外觀與房間結構、教學設備，方便后期的建模使用，拍攝時可以讓一張圖片盡量放下樓體更多的內容，這樣可以方便后期建模時比例的把握；另一套作為樓體外觀與內部物體的貼圖，拍攝時需要物體紋理清晰，一張照片最好存放一個物體的紋理情況，方便以后的貼圖制作。

1.2 模型的制作

樓體的外部與內部分別進行模型制作，樓體外部的模型重點在于表現樓體的外觀結構，需要將3ds Max 的單位設置為“米”，這樣在模型制作時方便按照所測量的數據進行建模。樓體外觀制作好之后，需要使用Photoshop軟件制作對應的貼圖，整個樓體的貼圖是一張，貼圖長寬的大小要是2 的n 次方。樓體貼圖上的樹木可以保留，這樣可以體現細節信息，并且也能給人以真實感。制作好的貼圖需要使用3ds Max中的展UV 工具賦予到樓體的每一個面上，最終才完成樓體外觀模型的制作，完成的樓體外觀模型與貼圖如圖1所示。

圖1 樓體外觀模型與貼圖

樓體的內部結構需要單獨進行模型制作，制作之前需要將3ds Max 的單位設置為厘米，對于樓體內部模型貼圖的制作，需要按照材質的種類分別放在不同的貼圖中，這樣方面在Unity3D 中的進行著色器設置，每一張貼圖也需要把亮度調整一致，并且每一張貼圖的長寬大小也要是2 的n 次方。做好的貼圖需要賦予給樓體內部模型，最終才完成樓體內部模型的制作，完成的樓體內部模型與貼圖如圖2所示。

圖2 樓體內部模型與貼圖

2 虛擬大數據學院的構建

Unity3D 的強大引擎功能具有跨平臺性，通過Unity3D 開發的軟件可以在手機操作系統和PC 操作系統等諸多操作系統中運行，并且具有可移植性，運行應用靈活。Unity3D 強大的插件工具，在設計開發上更加簡化，可以有效地縮短設計周期。所以本系統采用Unity3D引擎進行開發。

虛擬漫游平臺搭建需要將3ds Max制作好的場景以FBX 格式導出，并導入Unity3D 中進行場景搭建，該步驟主要分為五個環節，分別是場景導入、環境燈光、障礙物設置、攝像機布置、攝像機和燈光切換設置。本系統先導入模型貼圖到Unity3D 引擎的texture 文件夾中，再導入FBX 格式的模型，再為場景設置燈光、為模型添加碰撞器、設置攝像機。

2.1 系統設計

虛擬漫游分為大數據學院室外樓體漫游展示與室內第一人稱漫游展示兩種方式。系統運行后首先進入主界面，如圖3 所示。主界面有兩個選項，點擊“進入”后加載三號實訓樓室外樓體的場景進行漫游展示，并進行大數據學院室內場景的后臺異步加載；點擊“關于”，將進入對于系統進行介紹與操作說明的場景，對于本系統的開發背景與操作進行介紹。

圖3 系統主界面

2.2 功能設計

本系統包含兩個場景：三號實訓樓室外場景與三號實訓樓室內場景。在主界面點擊“進入”，會加載三號實訓樓樓體外觀展示的場景，并可采取俯瞰的方式對于大數據學院所在的三號實訓樓進行展示，通過Cinemachine 插件中的FreeLook 虛擬攝像機進行環繞式360 度自由瀏覽，此時也會在后臺異步加載三號實訓樓室內的場景，場景的預加載通過SceneManager.LoadSceneAsync()函數實現。

當點擊“返回”按鈕時，會返回到主界面；當點擊“退出”按鈕時，會退出系統；當點擊“回車”鍵或者界面底部的黃色按鈕“單擊回車鍵”的時候，會切換到注視鷹游戲物體的Virtual Camera，會通過鷹俯沖飛行的視角進入三號實訓樓內部，如圖4 所示。三號實訓樓內部是在另一個場景中，由于使用了異步加載方式，所以在鷹俯沖到三號實訓樓的時候，會自動進入三號實訓樓內部所在的場景，沒有場景的加載等待。

圖4 三號實訓樓外部場景

進入三號實訓樓內部所在的場景后，可以進行第一人稱漫游，并在后臺異步加載三號實訓樓的室外場景。當第一人稱的游戲物體與場景中的黃色桌子發生觸發檢測時，會進入課程與教師介紹的展示，并可以查看任意課程與對應教師的介紹，如圖5所示，當第一人稱物體不與黃色桌子發生觸發檢測時，會退出課程與教師介紹的展示界面，繼續進行第一人稱漫游。當點擊界面下方的“退出”按鈕時，可以退出本系統；當點擊“返回”按鈕時，會返回到主界面。

圖5 室內場景第一人稱漫游

在第一人稱漫游的過程中，當第一人稱游戲物體與教室的門發生碰撞時點擊“F”鍵，門可以自動打開。漫游進入某一個教室區域后，界面下方會出現對應的按鈕：點擊“打開屏幕”可以將投影屏幕降下；點擊“關閉屏幕”可以將投影屏幕升起；點擊“課程介紹”可以播放教師的語音，對課程進行介紹，如圖6 所示。漫游離開教室區域后，語音播放會自動停止，三個按鈕也會消失。開門動畫與投影屏幕的上升與下降通過Animation 組件實現。當漫游到115 會議室區域時候，界面下方會出現對應的按鈕，通過多個教室屏幕同時播放同一個視頻的方式，展示115 會議室控制113、115、117 教室同步播放開展會議的功能。對于會議室115 的多個屏幕同時播放筆記本電腦的PPT 內容，也采取同樣的技術實現方式進行展示。當漫游到玻璃門時，會自動進入三號實訓樓的室外場景，以此完成室內與室外場景的切換。

圖6 系統交互功能

3 結束語

本系統通過3ds Max、Photoshop 與Unity3D 的技術方式實現了一個可以全景展示大數據學院的虛擬現實系統，實現了多個交互的功能，可以讓學生與家長全方位了解大數據學院。最終系統以Web 方式進行發布，方便學生與家長的使用，以第一人稱漫游的方式進行交互，為學生與家長了解我校的大數據學院提供了一個很好的平臺。以后可以結合VR 設備進行開發與發布，提供身臨其境的交互。