VR校園漫游系統的設計與實現

張心悅 謝麗怡 李文娟

關鍵詞：3D場景構建；游戲開發；虛擬現實；Unity3D；導航

0 引言

隨著經濟發展和社會進步，大學師生人數逐年增加，大學校園的規模也在不斷擴大。學生群體中既有初來乍到、不能很快熟悉新環境的新生，也有度過四年時光，不斷耕耘收獲，滿懷不舍之情即將遠航的畢業生，更有職場沉浮、念念不忘母校青春記憶的校友們。為了讓新生更快熟悉校園環境、給即將離開母校的畢業生和更多的校友留下真實美好的回憶，本文以杭州師范大學下沙校區為背景，在對校園環境和文化活動進行深入調研的基礎上，基于unity3D開發了一個校園漫游系統，通過模擬校園建筑物、環境等，讓使用者體驗到親臨其境的效果。

全景虛擬現實技術可以較好地展示目標場景，通過圖片幾何關系，讓人感受到虛擬影像中的三維立體空間關系，實現全方位瀏覽圖像景色[1-2]。近年來全景技術飛速發展，包括360°全方位實景圖像或視頻和VR（虛擬現實技術），以及后來由VR 進一步衍生出的AR（增強現實技術），均在各行業被廣泛應用且得到了很好的反饋[3]。隨著5G時代的到來，虛擬現實技術得到了快速的發展，搭建虛擬校園可以讓全國各地的新生足不出戶就可以游覽熟悉校園，了解校園文化和場地環境，通過交互獲得更多的學校信息[4]，相較于傳統的校園宣傳，擁有更好的推廣效果[5]。

本文開發的校園漫游系統分為男女兩個人物視角，玩家既可以選擇女性角色，也可以選擇男性角色，通過圓盤控制人物在模擬的虛擬校園中進行游覽此外，還包含自動導航功能，能夠引導玩家找到相應的地方，同時查看對應地點的校園活動，當然，玩家也可以選擇地點進行場景直接跳轉。同時，系統還帶有若干交互式游戲。校園場景模擬的效果如圖1所示。

校園漫游系統的設計亮點如下：

1） 采用3D技術還原校園場景：首先，對校園實景進行采集并最大限度地加以還原，其次，通過地形地貌設計、場景整合、轉場特效等，以及加入天氣、動物元素，讓場景更加真實；

2） 具備自動導航功能：玩家可以設定目的地，系統將結合人物當前位置進行自動導航，也可選擇目的地進行場景的直接跳轉。

3） 交互方式豐富、體驗感強；添加了多場景交互式小游戲，實現游戲場景轉換，增加交互樣式，考慮光影效果、顏色搭配，通過較少的性能消耗使靜態場景看上去更真實、豐富，具備立體感，使整體游戲體驗十分豐滿。

本系統有助于方便師生學習生活工作，對宣傳校園文化、提升高校的知名度和影響力具有積極意義，也具有良好的應用、開發和推廣價值。

1 系統框架

本系統主要包括三個模塊：場景瀏覽主界面模塊，自動導航模塊和小游戲模塊，如圖2所示。

1） 場景瀏覽主界面模塊。在校園瀏覽界面中，玩家通過圓盤控制角色走動，以人物視角進行校園環境瀏覽。玩家還可以通過天氣控制按鈕切換天氣，以體驗不同天氣狀況下的校園風景，系統還能自動識別白天夜晚，使場景切換白天和黑夜的效果。體驗者控制人物走動到對應的校園的標志性建筑附近，會出現相應地點的介紹，在圖書館的信息欄處可以查看校園的活動。

2） 自動導航模塊。玩家可選擇想去的地點，系統會開啟自動導航，實現路線自動規劃。玩家還可以點擊場景切換按鈕，在彈出的地點選擇菜單中選擇想去的地點，實現地點的直接跳轉。

3） 小游戲模塊。本系統設計了三個小游戲：小貓喂食、知識問答和投籃。玩家可在知識問答和投籃游戲中獲得金幣，金幣可用于小貓喂食游戲中購買貓糧喂食。

2 系統設計實現

2.1 進入界面

以學校的寢室作為背景，中間是“憶錢江”校園漫游標題，點擊開始按鈕進入角色性別選擇界面，如圖3所示。

以3D校園的俯視圖為背景，體驗者可以選擇性別，完成性別選擇后進入校園瀏覽主界面。

2.2 校園瀏覽界面

2.2.1 控制角色走動

在校園瀏覽界面中，玩家可以通過圓盤控制角色走動，場景90%還原校園真實場景，體驗者可以通過人物視角進行校園環境的參觀，如圖4所示。

2.2.2 場景切換

在界面的右下角可以看到“場景切換”按鈕，點擊“場景切換”按鈕，會向左彈出地點選擇菜單，體驗者可以選擇想去的地點，實現地點的直接跳轉。

2.2.3 校園公告欄

為了讓玩家能夠更好地了解校園文化，當人物接近標志性建筑物時會出現校園活動介紹。

2.2.4 導航

體驗者可以點擊右下角的“導航”按鈕，選擇想去的地點，角色會進行自動導航，不用體驗者手動選擇圓盤，角色會自動規劃路線，走動到相應的地點。

2.2.5 天氣切換

在界面的左上角是“天氣控制”按鈕，體驗者可以切換天氣按鈕，用來體驗不同天氣下的校園風景，系統還會自動識別白天和夜晚，使場景切換白天和黑夜的效果，如圖5所示。

2.3 游戲

點擊界面右下角的“游戲”按鈕，進入小游戲的選擇界面，本系統包含小貓喂食、知識問答和投籃三款小游戲。

2.3.1 小貓喂食游戲

在小貓喂食游戲中，體驗者在商店中購買貓糧，點擊小貓進行投喂，小貓頭上的進度條為小貓的饑餓狀態，當進度條被填滿時，小貓被喂飽，會在原地蹲下眨著眼睛看著體驗者，如圖6所示。

2.3.2 知識問答游戲

在知識問答游戲中，每次從題庫中隨機抽取三道題目，答對即可獲得金幣，金幣可用于購買貓食。

2.3.3 投籃游戲

在投籃游戲中，體驗者有三次機會可以進行投籃，將籃球投進籃球框中即為勝利。

3 關鍵技術

3.1 場景搭建

3.1.1 校園實景拍攝

以杭州師范大學下沙校區的真實場景為虛擬場景的搭建樣板，以圖書館、教學樓、行政樓和體育館等標志性建筑為主，包括學校的綠化景觀的構建，90% 還原真實校園場景，利用實景圖完成整個虛擬校園場景搭建。

3.1.2 地形地貌搭建

在Unity中建立地形（Terrain），在地形的屬性中有設置地形渲染的筆刷，可以導入地面的渲染模型。創建不同的筆刷，用筆刷對地面進行渲染，從而搭建出不同的地貌。

種植樹木的筆刷，可以選擇paint trees 下的edittrees選項，加入樹的模型，調整筆刷的參數，即可在地形上種植樹木。種植花草的筆刷，可以選擇paint de?tails 下的edit details button，點擊add grass texture，即可添加花草筆刷。表1和表2分別顯示了本系統種植樹木和花草所使用的筆刷屬性。

3.2 人物控制

3.2.1 使用搖桿控制

采用Easytouch插件進行人物控制。首先，在官網下載Easytouch插件后導入Unity項目中。創建一個虛擬搖桿，將搖桿與人物綁定，使用EasyTouch實現角色的轉向，再通過設置Camera，相機會跟隨在角色背后，即可通過移動搖桿來控制人物走動。圖7顯示了通過搖桿進行人物綁定的過程。

3.2.2 鍵盤控制人物

使用playmaker 插件實現鍵盤對人物動作的控制。將playmaker包和人物模型導入Unity項目中，創建Animator Controller，添加人物坐標變量Horizontal 和Vertical，在BlendTree中綁定人物向前走、向后走、向右走、向左走的動作，然后將Animator Controller綁定到人物。接下來為人物創建playmaker，將人物的坐標和變動實時記錄下來。上述步驟成功后便可使用鍵盤的上下左右（WSAD） 鍵控制人物走動。

3.3 導航系統

運用Unity自帶的Navigation實現人物的自動導航。主要步驟是：1） 首先進行地面烘焙：在地面In?spector面板中選中靜態（static）下拉選項的NavigationStatic，再依次選擇菜單欄中的Windows - Navigation，單擊該面板右下角的Bake按鈕，即可生成導航網格；2） 其次，設定可行走與不可行走地區：通過點擊地面上的物體，將障礙物設置為不可行走部分。保證導航系統工作時，人物按照既定路線行走能分辨哪些地方可以行走、哪些不可以行走；3） 最后，創建C#代碼，綁定到人物上，即可進行人物的自動導航功能。

4 總結與展望

本文以杭州師范大學下沙校區為背景，運用VR 技術搭建了虛擬校園，使體驗者如身臨其境般在虛擬校園中自由漫步，了解校園地理環境和人文風貌，幫助新生更快地熟悉校園環境，讓畢業生能夠回憶往昔美好時光。