陶 健 林

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，安徽 安慶 246011)

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基于Unity3D的虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

陶 健 林

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，安徽 安慶 246011)

摘要：以安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院為研究對象，建立虛擬校園漫游系統(tǒng)。采集大量且全面的校園物理信息，利用三維建模軟件3ds max建立實(shí)景模型、貼圖、優(yōu)化，后期利用Unity3D虛擬漫游平臺(tái)進(jìn)行漫游系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)加強(qiáng)后期漫游系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度，最終實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬校園；虛擬漫游； Unity3D

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分師生渴望漫游自己的虛擬校園，但是僅僅依靠簡單的校園二維平面圖紙和校園各建筑模型的圖片來模擬校園現(xiàn)實(shí)是完全不夠的，必須采用三維虛擬系統(tǒng)才能真正意義上地模擬三維世界，給學(xué)生帶來身臨其境的體驗(yàn)。在三維場景中，第一人稱感覺很重要。所謂第一人稱感覺，就是學(xué)生能夠在校園場景中體會(huì)到一種真實(shí)校園生活的感覺[1]?；诖耍C合利用三維軟件開發(fā)了安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院三維虛擬校園系統(tǒng)。一個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是建立在一個(gè)完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，功能系統(tǒng)架構(gòu)決定了最終漫游系統(tǒng)的實(shí)用程度[2]。本項(xiàng)目選用了Unity3D游戲引擎對虛擬校園系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)。

1Unity3D軟件介紹

Unity3D是跨平臺(tái)的游戲開發(fā)工具，具體來說，它是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[3]。其優(yōu)點(diǎn)很多，諸如跨平臺(tái)性好，能在iphone、mac上發(fā)布或者運(yùn)行且用戶不用下載客戶端；腳本語言簡單；兼容多種操作系統(tǒng)，這讓很多開源的項(xiàng)目可以借鑒使用；開發(fā)速度快，大部分的游戲效果可以在相關(guān)網(wǎng)店買到，不用自己開發(fā)；價(jià)格便宜；支持各種插件，可以提高代碼的重復(fù)使用率；文檔齊全，官方論壇較活躍。Unity3D 主編輯窗口由多個(gè)選項(xiàng)卡式窗口組成， 這些窗口包括場景窗口、工程窗口、層次結(jié)構(gòu)窗口和檢視窗口等。

2三維模型的建立和導(dǎo)入

學(xué)院校園系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　虛擬校園系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了得到更加逼真的虛擬校園效果，前期做了大量的拍攝和衛(wèi)星定位工作。這些基本數(shù)據(jù)包括：學(xué)院的總平面圖、水系及綠地的矢量化、地形信息、各建筑物相應(yīng)的幾個(gè)面的紋理、其他地物要素的物理屬性。將收集到的校園圖片進(jìn)行整理，利用3ds max三維軟件建立學(xué)院的三維模型，結(jié)合AutoCAD軟件及photoshop軟件調(diào)整好UV坐標(biāo)完成貼圖制作[4]，再經(jīng)過燈光渲染和場景烘焙，最終將所建模型導(dǎo)入到Unity3D中。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，3ds max軟件中生成的材質(zhì)效果，導(dǎo)入到Unity3D中，都沒有正常顯示，而是Unity3D自動(dòng)生成了導(dǎo)入模型材質(zhì)的材質(zhì)球，此時(shí)需要注意的是Unity3D不支持中文名稱。因此，需要對模型及材質(zhì)進(jìn)行英文重命名，否則將會(huì)出現(xiàn)部分模型及材質(zhì)的丟失。新建Unity3D工程，工程命名為AZY_Virtual_Campus(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園的簡稱)，并選中必要的資源包，做后期的場景美化及交互設(shè)計(jì)。在3ds max軟件中將虛擬校園三維模型導(dǎo)出為.fbx格式，將該導(dǎo)出的AZY.fbx文件復(fù)制到新建的工程文件Assets目錄下的新建Models文件夾中，再次打開Unity3D時(shí)則會(huì)自動(dòng)加載相關(guān)的材質(zhì)貼圖。Unity3D中二維貼圖會(huì)分別賦予Unity3D中的模型和粒子不同的效果。在Unity3D中，二維貼圖是否妥當(dāng)非常重要，它的主要作用是展示物體不同的顯示效果，其工作原理是把所需添加的材質(zhì)物體包裹起來，在三維空間中進(jìn)行更真實(shí)的渲染，它支持的貼圖文件類型有.tiff，.jpg，.psd，.tga，.png等，支持的貼圖大小主要是長度和寬度像素均為2次冪的圖片。需要注意的是，在選擇不同的工作平臺(tái)時(shí)，Unity3D會(huì)提供不同的壓縮方法，所以在iPhone平臺(tái)和其他常用的操作平臺(tái)處理時(shí)是不一樣的。當(dāng)然，Unity3D同樣支持UV Mapping，能使用材質(zhì)編輯器實(shí)現(xiàn)基本的貼圖縮放和移動(dòng)[5]。此時(shí)，在project視圖中把模型拖到場景中，可以看到原始的虛擬校園模型，適當(dāng)調(diào)整大小，如圖2所示。

圖2　Unity3D導(dǎo)入虛擬校園三維模型

3虛擬校園漫游系統(tǒng)

3.1虛擬校園場景的構(gòu)建

模型導(dǎo)入后，就要對場景進(jìn)行設(shè)置，一般虛擬校園中的場景對象可以分為兩類：第一類是以場景為基礎(chǔ)，以空間上連續(xù)分布的地形景觀為對象，如常見的地形；第二類是以離散的實(shí)體為基礎(chǔ)，以單個(gè)獨(dú)立存在的地物對象，如樹木和建筑物等。安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園系統(tǒng)是結(jié)合地形和地物，在Unity3D中的地形編輯器的基礎(chǔ)之上，通過畫樹等工具添加植物。利用場景模型的LOD技術(shù)，可以大大減小場景實(shí)時(shí)繪制的數(shù)據(jù)量。

Unity3D有一套非常好的地形編輯器，可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜的地形變換，還可以制作地形上其他一些元素，如樹木、草坪和石頭等。在Unity3D中，通過Terrain/Greate Terrai創(chuàng)建地形后，會(huì)發(fā)現(xiàn)屬性面板出現(xiàn)7個(gè)按鈕用于編輯地形，分別為高度工具、特定高度工具、平滑工具、貼圖工具、畫樹工具、細(xì)節(jié)工具和設(shè)置等，合理利用這些工具可以收到意想不到的地形效果。比如，高度工具可以依據(jù)筆刷的類型及強(qiáng)度畫出上升或下降的地形；特定的高度工具與普通高度工具不同之處在于可以設(shè)定一個(gè)最大高度，當(dāng)?shù)匦芜_(dá)到這個(gè)高度就不能再加高；平滑工具主要用于平滑地形的過渡，通過此工具刷的地形不會(huì)有棱有角，效果更加自然[5]。在本系統(tǒng)中，虛擬校園遠(yuǎn)處四周的山巒都是采用這幾種工具共同制作實(shí)現(xiàn)，校園中的秦潭湖湖面也是采用這幾種工具制作而成。當(dāng)然，為了提高畫面的質(zhì)感，就必須要添加光源效果。Unity3D中有3種光源，分別是點(diǎn)光源、聚光燈和平行光，場景中通過這些光效果的組合可以模擬自然界中大多數(shù)的光。如場景主光采用平行光模擬太陽光，點(diǎn)光源用于模擬路燈，特殊場合則采用聚光燈。同時(shí)可以采用腳本語音來控制光，從而模擬出天氣晝夜的不同需求。Unity3D還提供了天空盒資源包，可以使用系統(tǒng)自帶的圖制作一個(gè)面的天空，也可以自己制作天空六個(gè)面的貼圖，將其導(dǎo)入工程中進(jìn)行天空盒的設(shè)置。

虛擬場景漫游的核心是角度問題——攝像機(jī)，漫游場景中顯示的一切內(nèi)容正是攝像機(jī)所照射的部分。Unity3D中的攝像機(jī)作為一個(gè)特殊的對象，它可以設(shè)置自身的位置、照射方向、照射的面積范圍和照射的圖層等。Unity3D根據(jù)觀察模式的不同將攝像機(jī)分為兩種，一種是放射型的觀察角度，另一種是垂直型的觀察角度。將攝像機(jī)投影方式設(shè)置為Perspective模式，攝像機(jī)的角度將呈放射性觀察效果，在漫游場景中通常采用此觀察模式。在制作三位地圖時(shí)可以設(shè)置攝像機(jī)Orthographic為垂直型觀察[7]。 在虛擬場景中實(shí)時(shí)進(jìn)行光線的渲染會(huì)大大降低運(yùn)行的速度，因此，在3ds max 中先設(shè)置好燈光，對場景直接采用光影烘培技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)出貼圖，可以大大提高在實(shí)時(shí)漫游時(shí)的速率，增強(qiáng)漫游效果。

經(jīng)過精細(xì)的場景設(shè)置，虛擬校園場景雛形的系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3　Unity3D虛擬校園場景

3.2主菜單的設(shè)計(jì)

在工程文件夾中分別建立腳本和貼圖文件夾用于放置系統(tǒng)腳本和所用到的貼圖資源。Unity3D的腳本是整個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵要素，場景對象之間任何邏輯上的判斷都是通過腳本來實(shí)現(xiàn)[8]。Unity3D支持JavaScript、C#和Boo 3種語言來編寫腳本，集成在安裝包中，并且自帶MonoDevelop腳本編輯器進(jìn)行編輯開發(fā)[9]。在腳本文件夾中新建C#腳本語言，以此來設(shè)計(jì)Menu_AZY.cs界面，在貼圖文件夾中制作相應(yīng)的界面材質(zhì)貼圖，保存場景為Menu_AZY.unity。系統(tǒng)界面效果如圖4所示。

圖4　虛擬校園漫游系統(tǒng)主界面

圖片背景為安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院大門前拍攝的照片，利用Photoshop軟件進(jìn)行適當(dāng)處理，將其作為主界面背景紋理，左上角是菜單項(xiàng)，分別是三維地圖、游戲設(shè)計(jì)和交互漫游的入口，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)的場景。

漫游系統(tǒng)中不可缺少的元素之一是多媒體效果。漫游系統(tǒng)中的多媒體效果主要包括音頻和視頻。音頻在系統(tǒng)開發(fā)中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，優(yōu)秀的音樂與音效可以提升漫游系統(tǒng)的整體效果，引領(lǐng)系統(tǒng)參與者進(jìn)入新境界。音頻主要分為兩種，一種為背景音樂，另一種為游戲音效。背景音樂多為較長的音樂，通常作為系統(tǒng)的主流音樂。游戲音效多是較短的音效，如開門的“吱呀”聲，射擊的“砰砰”聲。在安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園漫游系統(tǒng)中較多的使用了音頻，如附加帶有學(xué)校介紹的背景音樂，各種交互事件的音效等。

3.3三維地圖的實(shí)現(xiàn)

在主界面點(diǎn)擊“三維地圖”按鈕即可進(jìn)入虛擬校園三維地圖界面。如圖5所示。

圖5　虛擬校園漫游系統(tǒng)三維地圖界面

三維虛擬校園場景建立之后，設(shè)置攝像機(jī)的投影方式為Orthographic，調(diào)整好其位置和拍攝角度，類似效果在高空中俯瞰。參與者在觀看三維地圖時(shí)，可以實(shí)時(shí)通過鼠標(biāo)進(jìn)行交互，鼠標(biāo)滾軸滾動(dòng)或點(diǎn)擊旁邊的縮放條都可以進(jìn)行縮放；鼠標(biāo)在建筑物上停留可以顯示相應(yīng)的建筑物信息[10]。

學(xué)院概況欄通過點(diǎn)擊學(xué)院地圖上的建筑物，即可獲得相對應(yīng)的文字及語音介紹，以及一些對系部、特色專業(yè)以及精品課程等的介紹，這樣可以增進(jìn)參與者對學(xué)院細(xì)節(jié)的進(jìn)一步了解。

主題活動(dòng)列舉了學(xué)院新生報(bào)到和運(yùn)動(dòng)會(huì)場景的基于三維地圖的動(dòng)畫。在點(diǎn)擊“新生報(bào)到”后，即可進(jìn)入新生報(bào)到欄，“新生”只要輸入個(gè)人信息，即可在三維地圖上找到從進(jìn)學(xué)校到入住單元宿舍的報(bào)到整個(gè)過程，極大地方便了新生，也可以添加更多合適的三維展示的主題活動(dòng)，系統(tǒng)仍需逐步完善。

3.4虛擬交互漫游的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)漫游模塊中，主要實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)漫游、傳統(tǒng)漫游、Kinect漫游和天氣的模擬等4種效果。漫游場景界面如圖6所示。

圖6　交互漫游界面

自動(dòng)漫游主要是攝像機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的幾條路徑進(jìn)行自主漫游。行走路徑可以利用3ds max中的曲線繪制生成。安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園漫游系統(tǒng)主要設(shè)置了飛行瀏覽模式、行走模式以及按照既定路線進(jìn)行攝像機(jī)跟蹤的三維漫游，路線可以根據(jù)需要進(jìn)行更多的后期制作[11]，可以分為第一人稱漫游和第三人稱漫游。

本系統(tǒng)主要針對PC平臺(tái)、Web平臺(tái)和安卓平臺(tái)進(jìn)行了虛擬校園系統(tǒng)的發(fā)布。虛擬校園漫游系統(tǒng)完成后，需要對整個(gè)場景進(jìn)行Build操作，依次將建立好的各場景保存并排序。在Platform對話框中選擇相應(yīng)的平臺(tái)，選中PC平臺(tái)，按Build按鈕設(shè)置位置名稱對程序進(jìn)行發(fā)布。最終發(fā)布生成AZY.exe文件。

4結(jié)論

以安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為背景，建立虛擬漫游校園系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了虛擬校園系統(tǒng)的交互性，其中包括自主漫游以及交互式漫游的實(shí)現(xiàn)、二維地圖與三維場景的交互、校園天氣的實(shí)時(shí)模擬和校園游戲的簡單實(shí)現(xiàn)。虛擬校園是個(gè)龐大的系統(tǒng)，同時(shí)隨著運(yùn)用的不斷深入，會(huì)有更多的需求，本系統(tǒng)還在不斷完善之中。

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Roaming System of Virtual Campus Implementation Based on Unity3D

TAO Jian-lin

(Department of Electronic Information, Anqing Vocational & Technical College, Anqing，Anhui 246011, China)

Abstract:With the development of virtual reality technology, and virtual campus platform on a permanent basis in the digital campus, about most of colleges and universities have set up their own virtual campus, just the methods and process are different. As the methods and procedures are different, the function of the virtual campus platform is also different. This paper takes anqing vocational and technical college as the research object, to set up virtual campus roaming system.We first collected large and comprehensive campus physical information, using 3d modeling software——3ds Max to model, texture and optimize, then using the Unity3D to develop the virtual roaming platform development, at the same time strengthening upper of the computational complexity of roaming system, finally realize the virtual campus roaming system.

Key words:virtual campus, virtual roaming, Unity3D

文章編號：1007-4260(2016)01-0067-04

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.018

作者簡介：陶健林，女，安慶樅陽人，碩士，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系講師，研究方向?yàn)槿S造型與虛擬現(xiàn)實(shí)。E-mail: 374252980@qq.com

*收稿日期：2015-09-09

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.018.html