魏育坤

摘要 以真實(shí)空間場(chǎng)景為基礎(chǔ)，依托地理信息技術(shù)、三維建模技術(shù)，借助游戲引擎，構(gòu)建出三維可視化模型景觀。此外，通過(guò)引入漫游邏輯、導(dǎo)航邏輯等控制邏輯，允許使用者于虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游、導(dǎo)航等操作。系統(tǒng)具備真實(shí)感強(qiáng)、界面友好、可交互等特征，滿足現(xiàn)代校園在對(duì)外宣傳、對(duì)內(nèi)引導(dǎo)、校園規(guī)劃、信息化管理等方面的需求。

【關(guān)鍵詞】虛擬校園 游戲引擎 三維建模

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）是人類(lèi)在探索自然、認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中創(chuàng)造產(chǎn)生，逐步形成的一種用于認(rèn)識(shí)自然、模擬自然，進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以真實(shí)場(chǎng)景為基礎(chǔ)，依托地理信息技術(shù)、三維建模技術(shù)及游戲引擎，構(gòu)建出兼具真實(shí)感與交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

1 概述

近年來(lái)，校園的信息化建設(shè)得以迅速發(fā)展，而虛擬校園是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)的虛擬校園大多建立在二維地圖及影像資料上，難以滿足當(dāng)代校園在對(duì)外宣傳、對(duì)內(nèi)引導(dǎo)、校園規(guī)劃、信息化管理等方面的需求。而最新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有真實(shí)感強(qiáng)、可交互、多設(shè)備兼容等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于虛擬校園的建設(shè)中可彌補(bǔ)傳統(tǒng)虛擬校園固有的不足，

針對(duì)上述背景，本文利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用3D Max進(jìn)行三維模型構(gòu)建，借助Unity3D構(gòu)建出虛擬場(chǎng)景，并通過(guò)c#編程，引入相應(yīng)的控制邏輯，構(gòu)建出了兼具真實(shí)感及交互性的虛擬校園。虛擬校園支持漫游、導(dǎo)航等操作，并可部署在不同平臺(tái)上，為校園宣傳、規(guī)劃、信息化管理等方面提供服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中以軟件工程方法學(xué)為基礎(chǔ)，以實(shí)際需求為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)各模塊的功能。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程主要分為三個(gè)部分：模型構(gòu)建、三維虛擬場(chǎng)景搭建及控制邏輯的引入。此外，開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)還可部署于不同平臺(tái)之上，具備跨平臺(tái)兼容的特性。圖l給出了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要流程。

2.1.1 模型構(gòu)建

三維模型的構(gòu)建方法日漸趨于成熟。Autodesk公司推出的3D Max軟件，為快速構(gòu)建三維模型提供解決方案，是目前最流行的三維建模軟件之一。

要構(gòu)建三維模型，首先需獲取模型的參數(shù)信息。通常地，可通過(guò)建筑圖紙、實(shí)地觀測(cè)、衛(wèi)星地圖測(cè)距等方式獲取到場(chǎng)景內(nèi)模型的坐標(biāo)及輪廓信息。本文采用衛(wèi)星地圖與實(shí)地觀測(cè)組合的方法進(jìn)行參數(shù)化建模。3D Max支持多邊形建模、NURBS曲線建模、面片建模等多種建模方式，其中，以多邊形建模最為常用。多邊形建模以點(diǎn)、線、面為操縱對(duì)象，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格模型的編輯，將基本的幾何體轉(zhuǎn)換為目標(biāo)模型。

2.1.2 三維虛擬場(chǎng)景搭建

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，用以VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)及建模語(yǔ)言亦應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，Unity Technologies公司開(kāi)發(fā)出了Unity圖形圖像引擎，使得建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)的創(chuàng)建變得簡(jiǎn)單易行。模型構(gòu)建完成后，只需將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D并以可視化的方式完成場(chǎng)景中對(duì)象的布局即可完成三維虛擬場(chǎng)景的搭建工作。

為增強(qiáng)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)感，需要對(duì)場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步的配置。例如，在真實(shí)世界中，是不允許對(duì)象之間隨意穿行的，根據(jù)這一規(guī)則，需為虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象添加碰撞檢測(cè)機(jī)制以避免剛體間的穿行現(xiàn)象。

2.1.3 控制邏輯的引入

通過(guò)控制腳本，可以方便地操作虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象，以達(dá)到人機(jī)交互的目的。Unity支持以C#及JavaScript編寫(xiě)控制邏輯。從功能上劃分，控制邏輯可分為：漫游邏輯（定義了系統(tǒng)內(nèi)角色的漫游行為，如漫游的方式、漫游的速度等）、導(dǎo)航邏輯（角色的導(dǎo)航方法）、交互邏輯（主要包括用戶與界面的交互、角色同系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象的交互）等。

2.2 功能分析

2.2.1 手動(dòng)漫游

手動(dòng)漫游即通過(guò)外部設(shè)備的控制信息操縱系統(tǒng)內(nèi)角色的移動(dòng)。在虛擬場(chǎng)景中，可使用鍵盤(pán)的“w”“A”“S”“D”鍵控制角色的移動(dòng)，按下鼠標(biāo)右鍵并拖拽可進(jìn)行視角的旋轉(zhuǎn)，按下空格鍵可以進(jìn)行跳躍。在漫游過(guò)程中，角色碰到障礙物要停止前進(jìn)。本系統(tǒng)使用了Unity3D中自帶的的第一人稱(chēng)角色控制預(yù)設(shè)體，其中定義了角色的移動(dòng)、跳躍、降落時(shí)的加速度等信息，使得角色的移動(dòng)過(guò)程具有真實(shí)感。

2.2.2 自動(dòng)漫游

自動(dòng)漫游是在漫游事件觸發(fā)后無(wú)任何輸入的情況下，允許角色沿著既定路線進(jìn)行漫游。可通過(guò)用戶界面層的組件以觸發(fā)自動(dòng)漫游功能，角色會(huì)自動(dòng)按照預(yù)置的路徑進(jìn)行移動(dòng)。自動(dòng)漫游功能的實(shí)現(xiàn)借助了Unity3D中的外部插件一行為樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象的AI行為控制，通過(guò)對(duì)行為樹(shù)上節(jié)點(diǎn)的組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角色的控制。

2.2.3 虛擬導(dǎo)航

虛擬導(dǎo)航指的是以角色的當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)為及目標(biāo)點(diǎn)為輸入，通過(guò)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航方法，生成從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路線，該功能也是通過(guò)行為樹(shù)實(shí)現(xiàn)的。與自動(dòng)漫游不同的是，進(jìn)行虛擬導(dǎo)航首先要通過(guò)Unity3D烘焙出場(chǎng)景的導(dǎo)航網(wǎng)格。為簡(jiǎn)化操作、降低使用門(mén)檻，可在場(chǎng)景中預(yù)先生成靜態(tài)的地圖，外部使用者僅需以可視化的方式選擇地圖上的目標(biāo)位置即可進(jìn)行導(dǎo)航。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

基于上述構(gòu)建方法，本文以華北電力大學(xué)為例，構(gòu)建出了三維虛擬校園，如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于本文設(shè)計(jì)方法的虛擬校園使用3DMax進(jìn)行模型構(gòu)建，并借助Uniry3D三維虛擬場(chǎng)景的搭建。此外，控制邏輯的引入解決了外部使用者與虛擬場(chǎng)景的交互問(wèn)題。構(gòu)建出的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)效果逼真，且兼具實(shí)用性。然而，該方法仍存在一定的局限性，如系統(tǒng)的功能相對(duì)單一、且數(shù)據(jù)不具備持久性，在今后的研究中，豐富交互邏輯、與數(shù)據(jù)庫(kù)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存取將會(huì)是重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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