張紹江

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

基于Unity虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

張紹江

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機硬件系統(tǒng)性能的不斷提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，虛擬校園漫游系統(tǒng)就是其中之一，它讓學(xué)生足不出戶就能游覽校園全貌，感受校園文化，對學(xué)校的對外宣傳起到積極作用。文章使用Unity游戲引擎設(shè)計了一套虛擬校園漫游系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的開發(fā)流程和使用的關(guān)鍵技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實；虛擬校園；漫游；Unity

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和Unity平臺

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是在綜合使用計算機圖形圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等創(chuàng)設(shè)的一個以視覺感受為主，包括聽覺等多種感受在內(nèi)的人工虛擬世界，并在這個虛擬世界中運用多種交互手段給人一種多感官的刺激，是一種高級的人機交互系統(tǒng)[1]。同時，虛擬現(xiàn)實不僅是一個演示載體，還是一個設(shè)計工具，它以視覺為主要形式產(chǎn)生一個多維的信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有利的支持[2]。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機硬件系統(tǒng)性能的大幅提升，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事仿真已逐漸過渡到文物保護、交通模擬、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、游戲開發(fā)、教育教學(xué)等諸多領(lǐng)域，并取得了巨大的發(fā)展。其中虛擬校園漫游系統(tǒng)就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在校園景觀展示方面的應(yīng)用。

Unity是一款跨平臺的游戲開發(fā)引擎，主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實、建筑可視化、三維視頻游戲等互動系統(tǒng)的開發(fā)。其主要特點是入門簡單、自動化程度高，可同時運行在windows和Mac OS操作系統(tǒng)下，支持C#、JavaScript、Boo三種腳本語言，其成品可發(fā)布至windows、Mac、Android等多種平臺。

二、虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程

按照虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，可以將虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程分為素材的收集與整理、三維場景的建立與優(yōu)化及系統(tǒng)交互的開發(fā)4個部分，如圖1所示。

圖1 虛擬校園漫游系統(tǒng)的開發(fā)流程圖

素材的收集與整理為三維場景的建立提供校園內(nèi)部建筑、場地、道路等尺寸數(shù)據(jù)和外觀圖像素材；三維場景建立后要優(yōu)化并導(dǎo)入到Unity中進行使用；最后在Unity中進行系統(tǒng)交互的開發(fā)。

三、虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

（一）三維場景建模技術(shù)

在三維場景的建立過程中，校園中的地面、建筑等主要使用3DS MAX軟件來完成。先通過丈量好的尺寸數(shù)據(jù)或施工圖紙繪出建筑外觀輪廓線，再制作建筑物外墻，然后通過布爾運算和對多邊形中的頂點、邊、面和元素進行修改，完成建筑模型的建立。最后，將處理好的建筑外觀圖像作為建筑模型的貼圖進行應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 使用3DS MAX進行建筑建模圖

在3DS MAX中建立的三維模型需要導(dǎo)出到Unity中進行使用。常用的方法是在3DSMAX中將文件導(dǎo)出為.FBX文件，連同貼圖一同放置到Unity的資源文件夾中。打開Unity后，即可自動加載，供開發(fā)人員使用。

對于天空盒的建立，Unity中提供了一個設(shè)置選項，可以方便地使用Unity中默認(rèn)的天空盒資源，或者自定義5張可無縫連接圖片進行天空盒的設(shè)置。

（二）三維場景的優(yōu)化技術(shù)

三維場景中面數(shù)的多少直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的效率，因此要盡量降低模型的面數(shù)，以達(dá)到系統(tǒng)流暢運行的目的[3]。

1.三維建筑的優(yōu)化

一是將漫游過程中看不到的面降低其復(fù)雜程度，使用一個平面來代替；二是使用紋理貼圖技術(shù)，將面數(shù)較多的外墻文字、門窗部分的模型，復(fù)雜的光影效果等元素進行先期渲染，然后作為虛擬校園中建筑的貼圖使用，以達(dá)到減少面數(shù)的目的。

2.樹木、路燈、隔離墩等場景元素的優(yōu)化

在校園場景中，離不開樹木、隔離墩、垃圾桶等場景元素，數(shù)量多且不是重點?？墒褂肈oubleBoarding（交叉板）技術(shù)進行優(yōu)化，即使用兩個互相垂直且中心交叉的平面，并為其添加樹木、隔離墩等場景元素的透明紋理。

3.實時交互技術(shù)

系統(tǒng)交互主要在Unity中開發(fā)。虛擬校園漫游系統(tǒng)中的交互主要是鍵盤與鼠標(biāo)的交互，通過鍵盤和鼠標(biāo)的控制改變場景中漫游視角的瀏覽位置與角度，主要使用C#腳本語言編寫的腳本文件來實現(xiàn)。例如向前移動的交互代碼為：

此外，GUI也是虛擬校園漫游系統(tǒng)的主要交互方式，負(fù)責(zé)系統(tǒng)漫游方式的選擇、系統(tǒng)的幫助和退出。例如，創(chuàng)建“自動漫游”功能按鈕的代碼如下：

4.碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實中一項重要技術(shù)，是基于現(xiàn)實生活中一個普遍存在的事實：兩個不可穿透的對象不能共享相同的空間區(qū)域[4]。碰撞檢測技術(shù)的主要目的是檢測兩個物體之間是否發(fā)生了碰撞，如果發(fā)生碰撞將如何進行處理。好的碰撞檢測要求物體在場景中可以平滑移動[5]。在Unity中，內(nèi)置了盒形碰撞器、球體碰撞器、膠囊碰撞器、網(wǎng)格碰撞器等來實現(xiàn)物體之間的碰撞檢測。用于進行碰撞檢測的函數(shù)有：

MonoBehaviour.OnCollisionEnter(Collision colli sionInfo)、

MonoBehaviour.OnCollisionExit(Collision collision Info)、

MonoBehaviour.OnCollisionStay(Collision collision Info)，分別表示當(dāng)進入碰撞器、退出碰撞器和逗留碰撞器時所觸發(fā)的函數(shù)。

四、虛擬校園漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)的總體規(guī)劃與功能設(shè)計

虛擬校園漫游系統(tǒng)一般是在網(wǎng)頁瀏覽器上展示學(xué)校整體面貌的系統(tǒng)，為使用戶能夠直觀獲取校園的外觀特征，校園中的建筑、場地等都真實重現(xiàn)，并且用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤自主控制觀看角度。虛擬校園漫游系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1.漫游功能

系統(tǒng)的漫游功能包含自動漫游與交互式漫游兩種方式。自動漫游是指漫游路徑已固定的方式，在該方式下瀏覽視角將按照規(guī)劃好的路徑進行運動，用戶不能改變其狀態(tài)。交互式漫游是用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等交互方式控制瀏覽視角與位置的方式，這種方式需要用戶手動控制，靈活性更強。

2.GUI功能

系統(tǒng)提供操作方便的GUI用戶界面，用于控制手動漫游與交互式漫游之間的相互切換，以及幫助、退出系統(tǒng)等功能。

（二）系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

1.自動漫游功能的實現(xiàn)

自動漫游功能是按照預(yù)先設(shè)定好的路徑進行的漫游，可以通過為顯示漫游瀏覽內(nèi)容的主攝像機（以后稱為“漫游攝像機”）設(shè)定動畫的方式來實現(xiàn)。這需要在Animation（動畫）面板中為漫游攝像機設(shè)置關(guān)鍵幀動畫，如圖3所示。

圖3 為漫游攝像機設(shè)置關(guān)鍵幀動畫圖

2.交互式漫游功能的實現(xiàn)

由于交互式漫游功能是用戶控制漫游攝像機進行瀏覽的方式，整個漫游的路徑受用戶控制，為避免漫游攝像機與建筑、樹木等碰撞后“穿入”其內(nèi)部的情況，需要為場景中的物體添加碰撞器，進行碰撞檢測。

交互式漫游使用Unity中的第一人稱角色控制器來實現(xiàn)，給人以強烈的沉浸感。在實現(xiàn)上使用一個名稱為“First Person Controller”的物體作為用戶操作的對象，同時添加“Character Controller”這一角色控制組件和Mouse Look、Character Motor、FPSInput Controller三個C#腳本組件，即可實現(xiàn)交互式漫游功能。

3.GUI界面的實現(xiàn)

GUI界面主要用于實現(xiàn)手動漫游與交互式漫游之間的切換、打開幫助和退出系統(tǒng)等功能，以界面功能按鈕為主。例如，由手動漫游向交互式漫游進行切換時，用戶只需使用鼠標(biāo)點擊“交互式漫游”按鈕，然后系統(tǒng)將關(guān)閉自動漫游攝像機，打開交互漫游攝像機，完成功能的轉(zhuǎn)換。具體程序如下：

void OnGUI(){

if(GUI.Button(newRect(400,560,100,50),"交互式漫游")){

其他功能按鈕使用同樣的方法進行創(chuàng)建，并為其添加被點擊時所執(zhí)行的語句。完成后的效果，如圖4所示。

圖4 GUI界面功能按鈕圖

隨著計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為用戶通過計算機來獲取知識信息的新途徑。虛擬校園漫游系統(tǒng)是使用Unity進行開發(fā)的能夠在瀏覽器上使用的校園展示系統(tǒng)，它為學(xué)生及其家長提供了一個了解學(xué)校的平臺，對學(xué)校的對外宣傳起到了積極的作用。

[1]石教英．虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)及實用算法[M]．北京：科學(xué)出版社，2002：1-3．

[2]Steven M．Drucker，David Zeltzer．Intelligent Camera Control in a Virtual Environment[J]．USA：Computing&Electronic Books，1998，34-57．

[3]賈民政，劉書香．3ds Max中低多邊形模型的創(chuàng)建方法研究．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報[J]，2012 (7)：36-39．

[4]王祎.虛擬現(xiàn)實中碰撞檢測關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．吉林：吉林大學(xué)，2009．

[5]王樹斌．淺析Unity3d開發(fā)游戲流程及常用技術(shù)[J]．電腦知識與技術(shù)，2012，8(22)：5351-5352．

編輯 朱榮華

G712

A

2095-8528（2014）02-065-03

2014-07-03

張紹江（1980-），男，天津市人，碩士，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)系講師，研究方向為影視動畫與虛擬現(xiàn)實。