基于Unity3D和VR技術的虛擬校園漫游系統

董貞汝，程佳明，谷余莓，黃 帆，胡曉敏，陳 婕

（湖北經濟學院，湖北 武漢 430205）

0 引言

虛擬現實技術（英文：VirtualReality，簡稱：VR）是用戶通過硬件和軟件沉浸在模擬世界中的數字化體驗。VR技術是將計算機技術、人機交互技術、傳感器技術、仿真技術集合為一體的一門綜合性技術。它主要是借助并利用計算機模擬系統來對外界環境進行仿真，主要仿真的對象有環境、動作、技能、傳感器裝置以及感知系統等，能夠給使用者帶來更多信息、三維動態、交互的環境仿真感受。用戶可以通過硬件和軟件沉浸在 VR所打造的虛擬世界之中。虛擬現實技術旨在創建一個逼真的3D圖像或環境，使體驗者可以感知為真實的環境，甚至以逼真的方式與之交互。現如今，VR技術在旅游、游戲、醫療、建筑等方面都有較大的發展。

虛擬校園漫游系統也是虛擬現實技術的一個主要分支，是虛擬建筑場景與虛擬場景漫游技術的融合，是虛擬現實技術在教育領域應用的一種新方法。虛擬校園可以提供支持實際學校資源管理、環境規劃、翻新改造、遠程訪問的三維虛擬環境。不可否認的是，虛擬校園將會是未來時代，校園信息化的一個重要發展方向。該系統可以使體驗者與虛擬化的數字校園實現全方位的互動漫游，觀賞校園的自然風貌等，讓體驗者猶有“身臨其境”之感，從而最大限度地“沉浸式”瀏覽校園環境，大大提高了體驗者在虛擬漫游過程中的沉浸式效率。

1 虛擬校園漫游系統研究的意義

首先，虛擬校園漫游系統可以起到校園文化宣傳的作用，它為大眾提供了一條了解校園的新方法，使人們能夠更加直觀地對校園有一個初步的了解與認識，從而讓大眾對學校留下良好的第一印象，方便學校招生工作的開展。其次，該系統的實現可以在一定程度上提高學校的知名度，并且方便新同學到校前適當熟悉校園，適當避免開學當天找不到某一建筑物的位置等情況發生，為學生更快地融入新學校的環境與生活提供了一定的便利。該系統也為填報志愿，想要了解學校環境情況與自然風貌的學生提供了更為真實，更為近距離的了解校園情況的機會。最后，該系統能作為學校對校園進行新改造的一個輔助平臺，改造前，環境設計師可以先在虛擬的3D校園上對學校環境進行設計，等正式確定改造方案之后再對真實校園環境實施修復翻新等改造措施。這樣做可以大大減小設計過程中所出現的不確定性。

2 開發工具簡述

2.1 3ds Max

構建虛擬環境的第一步工作便是虛擬3D模型系統的構建。3dsMax是一種專門用來構建逼真的虛擬模型的強大工具，擁有豐富的建模工具集，可以使復雜的建筑設計可視化。同時，3dsMax可以生成高質量的渲染，可以輕松處理各種復雜的人物角色、場景動畫和效果，為環境和景觀注入新鮮活力。3dsMax提供的直觀的紋理和著色工具等都能夠被用來幫助制作更加精細逼真的設計和道具。在本系統的開發過程中，首先使用了3dsMax這一專業工具對建筑物、花草樹木等虛擬場景進行了構建，虛擬模型構建完成之后，將模型以FPX的格式導出，再將其導入到Unity 3D軟件當中，對其進行模型定位等操作，完成虛擬校園場景的構建。

2.2 Unity 3D

Unity 3D是一種面向開發人員的3D游戲引擎和強大的跨平臺 IDE。Unity 3D可以提供許多使游戲正常運行的最重要的內置功能，例如3D渲染、碰撞檢測等等，開發者可以自由地設計獨特的體驗。在編碼方面，Unity 3D可以切換到開發者所選擇的編譯器。在本系統的設計過程中，是通過Microsoft的Visual Studio來對各操作進行編碼的。此外，Unity 3D也能夠為開發人員提供出色的VR支持，這也為本系統與VR虛擬技術相結合提供了相應的支持與保障。

2.3 Steam VR

Unity3D中有一個SteamVR的插件，以便SteamVR與Unity3D可以順利連接。SteamVR插件可以為VR控制器加載3D模型，并處理來自這些控制器的輸入。在本系統的開發過程中，使用了Unity3D中的SteamVR插件，并通過編寫C#腳本代碼，使得體驗者可以通過控制外接的VR設備，實現對虛擬校園場景的自主漫游與“沉浸式”交互體驗。

3 虛擬校園漫游系統的設計

該系統是以學校校園為研究對象，首先需要采集校園總體環境的數據，然后利用3DsMax對學校內的各類建筑物、花草樹木、大路小徑等進行建模與優化設計，之后利用Unity3D游戲引擎開發平臺，并結合Unity3D中的Steam VR插件，完成對該虛擬校園漫游系統的總體設計。

3.1 系統的設計目標

該虛擬校園漫游系統要為體驗者提供盡可能逼真的虛擬校園環境，并實現體驗者與虛擬校園場景間的“沉浸式”交互，其具體的設計目標如下：

（1）校園場景要盡可能地真實與完整，讓體驗者有實感，從而能更好地融入虛擬環境當中；

（2）系統的使用對用戶來說必須是非常友善的，用戶可以通過簡單的指示，完成對虛擬場景的自主漫游與游覽。同時，用戶可以通過鼠標對建筑物進行放大、縮小、旋轉和多角度觀察；

（3）系統需要提供給用戶兩種漫游方式，一種是利用鼠標和鍵盤，讓體驗者以傳統的第一人稱視角，控制人物角色在虛擬校園場景之中隨意移動與游覽；另一種是通過外接的VR設備，實現相對更為逼真更為切實的虛擬化校園漫游。

3.2 總體開發流程

首先需要獲取校園內環境的相關數據，使用 Auto CAD為校園整體繪制一個平面圖，并對相關建筑、草地、水域、道路等進行拍攝，為之后模型優化過程中對模型貼圖準備條件；之后利用3Ds Max為采集整理后的數據、圖片等信息制作3D數字化模型，為使得模型更加逼真，還需要對模型進行貼圖與渲染的優化加工；隨后，將整合完成的模型文件以FBX格式導入到Unity 3D開發平臺中，適當運用Unity3D自帶的素材，開始構建完整的虛擬校園場景；場景建立完成后，通過Unity 3D中的Steam VR插件，與虛擬技術結合起來，用外接的VR設備使體驗者對虛擬校園進行交互式的漫游。該系統具體的開發流程，如圖1所示。

圖1

3.3 前期準備

在建立校園模型之前，需要先對校園的實體場景進行相關考察與記錄，并對校園的各類建筑物、花草樹木、自然風貌等進行相關拍攝，同時需要注意細致地觀察各個建筑物的特點，以盡可能更為真實地展現校園的構造與風貌。之后通過Photoshop等圖片加工軟件對所采集的照片進行處理與美化，例如將圖片調整為合適大小、對圖片的亮度、明暗對比度、飽和度、色彩增強等等進行適當調整，為模型的逼真感創造必不可少的先決條件。同時，也要做好相關數據的整理與保存工作，以免出現模型丟失等情況。由于所涉及的數據較多較雜，可以對獲取到的環境信息按照校園的各個區域進行劃分，有層級、有結構、有側重地分清主次，為后期的模型建立和模型優化等工作做好充足的準備。

3.4 模型的建立與導入

建立模型這一步對于本系統是非常關鍵的。在用3ds Max建模前期需要統一好單位與比例，以確保后期各個種類的模型的合并之后不會出現單位不一致而導致的不良情況。同時，必須先建立一個校園總體的基本框架出來，這樣才能為后期各種建筑、花草樹木、公共設施等的位置擺放提供相應的依據。此外，對模型元素的命名也是一個不可忽視的細節，可以將模型按照種類進行劃分后，對每一類都采用統一的命名格式進行區分，以避免出現模型重名等問題的發生，減少后期所不必要的工作量。校園的環境較為復雜，所以建模的工作量較大。由于各類建筑物外觀相差不大，所以可以先為主要建筑物建立虛擬模型。之后再為花草樹木、湖泊操場、公共設施等建立相應的模型。還需要為各類模型進行貼圖與優化，使模型更加逼真，也需要保證系統的整體效果。除此之外，由于模型數量龐大，整個模型文件所占用的內存空間也相對較大，所以還需要使用一些技術，例如壓縮貼圖、去除冗余面等方法，對所建立的模型進行優化與改善，以適當減小系統文件的大小。利用3ds Max完成建模后，需要將模型整合后以FBX的文件格式導入Unity 3D平臺當中。基礎模型的建立如圖2（P292）和圖 3（P292）所示。

圖2

圖3

3.5 漫游系統的實現

在Unity3D平臺上，體驗者進行交互式虛擬漫游主要有兩種方式。第一種方式，就是只通過Unity 3D平臺進行漫游，體驗者使用電腦鍵盤控制第一人稱視角，用W、S、A、D鍵模擬現實環境中人物的前進、后退、向左走、向右走等，并通過鼠標旋轉體驗者的觀察視角，通過Unity 3D自帶的攝像機對虛擬校園進行訪問與游覽。第二種方式，就是通過外接的VR設備來實現相對更為逼真的虛擬漫游。使用VR設備需要在Unity3D平臺上中導入SteamVR的插件，通過編寫腳本代碼實現Unity3D與外接VR設備的連接，并通過對Camera添加功能控制的代碼，使整個Camera能夠實現360度的全方位視野，使體驗者通過佩戴VR設備有更切實的“身臨其境”之感。

4 結語

隨著VR技術的飛速發展，設計具有更優交互性與更強體驗感的系統已經成為每一個項目小組都必須要考慮到的事實。本文展示了從開發前期準備到模型建立與模型優化，再到用C#腳本完成漫游系統的設計與VR設備的連接，最終實現了基于Unity 3D和VR技術的虛擬校園漫游系統，且該系統具有良好的交互性和實時性。雖然整個虛擬校園漫游系統的設計已基本完成，也具有一定的實用價值，但是由于項目成員沒有足夠的開發經驗，所以系統中還是有很多地方值得改進，例如優化代碼、精修模型等等，希望之后有機會能夠對本設計進行進一步的完善。