文李春輝

一、引言

隨著三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，各高校都開始探索虛擬校園的建設(shè)。其中有數(shù)字化3D虛擬校園-APP的建設(shè)，用戶使用手機(jī)登錄虛擬校園系統(tǒng)-APP，觀看校園的景觀，感受學(xué)校的校園文化，以達(dá)到學(xué)校全方位介紹校園的目的。數(shù)字化3D虛擬校園APP系統(tǒng)的主要作用包括：展示學(xué)校的特色校園文化、實(shí)現(xiàn)校內(nèi)定位導(dǎo)航，提供事務(wù)指南、招生宣傳與迎新服務(wù)等，這些是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。

華夏數(shù)字化3d虛擬校園系統(tǒng)是運(yùn)用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合三維技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立基于網(wǎng)絡(luò)的、可交互操作的、三維數(shù)字化的虛擬校園APP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上遠(yuǎn)程欣賞廣州華夏職業(yè)學(xué)院風(fēng)景的設(shè)想。

二、開發(fā)平臺(tái)

（一）3dsmax與Photoshop

3dsmax是一款集三維建模、骨骼動(dòng)畫及特效和渲染的三維制作軟件，主要應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、影視制作、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫、多媒體制作、游戲制作、以及工程可視化等領(lǐng)域。本案例主要運(yùn)用3dsmax制作校園中的模型與UV拆分，使用Photoshop繪制與處理模型貼圖，從而達(dá)到逼真的還原效果。

（二）Unity3d

Unity3d是一款集三維游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，具有高效良好的圖形實(shí)時(shí)渲染效果。該軟件同時(shí)支持Direct3D和OpenGL，采用了Nvidia PhysX的物理引擎并支持Lightmap Baking光影渲染系統(tǒng)。本案例使用Unity 3D的數(shù)字化虛擬平臺(tái)開發(fā)華夏3D數(shù)字化虛擬校園手機(jī)APP系統(tǒng)，可以降低項(xiàng)目開發(fā)的難度，大大提高了APP系統(tǒng)制作的效率。

三、校園的數(shù)據(jù)采集與模型制作

（一）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容有：第一，使用百度地圖截取學(xué)校的平面圖，百度地圖使用衛(wèi)星定位的平面圖，校園的大比例相對(duì)比較準(zhǔn)確；第二，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，測(cè)量建筑的占地面積以及道路的寬度、各建筑之間的距離等；第三，使用手機(jī)的相機(jī)功能，多個(gè)角度拍攝每個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)，作為三維模型的參考素材，為以后的貼圖工作做準(zhǔn)備。第四，通過問卷和訪談的形式，對(duì)于學(xué)生和教師進(jìn)行訪問和調(diào)研，從學(xué)生和教師的需求中得出用戶最關(guān)注的校園的關(guān)注點(diǎn)。

（二）制作學(xué)校的建筑模型

根據(jù)前期的校園調(diào)查和訪談，確定了學(xué)校交互的重點(diǎn)在于學(xué)校的大門、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大樓、華夏苑、實(shí)訓(xùn)室等場(chǎng)所是師生最重要的交互場(chǎng)景，因此該虛擬模型的搭建可從這幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行制作，并且主要圍繞教育教學(xué)的觀念進(jìn)行交互動(dòng)作的設(shè)計(jì)。從之前的研究和發(fā)現(xiàn)可以看出大多的虛擬校園，只是以簡單的校園展示為主，但是此次構(gòu)建的校園場(chǎng)景會(huì)增強(qiáng)交互的功能，比如在各個(gè)教學(xué)樓的附近進(jìn)行交互的語音或者文字的展示，并且會(huì)有一系列游戲的互動(dòng)，提升學(xué)生對(duì)虛擬校園系統(tǒng)的使用感，并且能夠進(jìn)行移情。

根據(jù)前期數(shù)據(jù)采集的素材作為參考對(duì)象，使用3ds max制作校園模型。制作模型的第一步，先使用基本立方體代替校園中的建筑，根據(jù)校園平面圖與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，將校園中的建筑物的長寬高比例與空間信息，在大框架下把整個(gè)校園的基本布局完成；然后再根據(jù)每個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)制作細(xì)節(jié)；第二步，重點(diǎn)制作學(xué)校大門、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大廈以及華夏苑的模型；第三步，在大框架完成的情況下，把校園的場(chǎng)景導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行簡單測(cè)試，如果出現(xiàn)模型比例、貼圖丟失等問題需及時(shí)在3Dsmax中進(jìn)行調(diào)整；第四步，在模型的制作過程中，注意模型的結(jié)構(gòu)布線。在不影響建筑結(jié)構(gòu)的情況下，盡量減少模型的面數(shù)量，否則在后期做貼圖烘培時(shí)，面數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)卡死。第五步，模型制作完成后，整理打組并優(yōu)化場(chǎng)景和進(jìn)行打包。

（三）貼圖材質(zhì)的處理

想要得到逼真的效果，把校園中的場(chǎng)景在虛擬系統(tǒng)中展現(xiàn)的過程中就得認(rèn)真完成模型的貼圖。貼圖素材可以使用手機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝，對(duì)建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝處理，比如：窗戶、門、瓷磚等圖片，貼圖繪制時(shí)使用Photoshop根據(jù)模型的UV進(jìn)行裁剪與調(diào)整。每棟建筑的紋理盡量放在一張貼圖里面，圖片的像素使用512×512左右。本案例中的教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)樓、學(xué)生宿舍的樓頂都是琉璃瓦，那么貼圖就可以共用。制作模型時(shí)需要結(jié)合貼圖，對(duì)于校園中每棟建筑物的每個(gè)樓層的結(jié)構(gòu)都是如此，所以先完成第一層的模型與貼圖再進(jìn)行往上的復(fù)制。

對(duì)于學(xué)校的草地、小路、湖面的場(chǎng)景可使用平面加貼圖的效果實(shí)現(xiàn)。樹木的模型使用兩種面片貼圖法，對(duì)于校園中與相機(jī)漫游比較近的樹就使用立體的面片樹，這種樹在不同的角度看到的效果都不一樣，樹枝與樹葉的貼圖需要分開制作；另外一種是使用十字交叉的平面，貼圖可以現(xiàn)場(chǎng)拍攝一些樹的正面效果，使用Photoshop把背景扣除，保存圖片的格式為PNG并賦予十字交叉面，不透明通道使用以上的貼圖選擇alpha輸出，然后就可以把樹木的紋理貼到交叉面上，這種樹可以放在與漫游相機(jī)比較遠(yuǎn)的地方。

四、搭建虛擬交互平臺(tái)

（一）場(chǎng)景的烘焙貼圖

烘焙技術(shù)是對(duì)當(dāng)前場(chǎng)景中物體的外觀創(chuàng)建紋理圖片，再將所得貼圖貼回到模型表面。烘焙所得貼圖記錄了包括光能傳遞的結(jié)果，再次渲染時(shí)不用計(jì)算光照也可得到一樣的效果，節(jié)省了計(jì)算的時(shí)間。將烘焙貼圖導(dǎo)入到Unity3D引擎后，既能記錄真實(shí)的光照效果，又節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了運(yùn)行速度。

虛擬校園場(chǎng)景建模完成后，需要在Unity3D 引擎中進(jìn)行虛擬校園的漫游功能設(shè)計(jì)。場(chǎng)景模型導(dǎo)入到Unity3D 引擎后，需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)交互功能的實(shí)現(xiàn)方案，再制作系統(tǒng)交互的界面。APP系統(tǒng)界面的菜單、按鈕、導(dǎo)航器設(shè)計(jì)要精簡。交互可以插入文字或視頻介紹實(shí)驗(yàn)室或多媒體教室，讓用戶沉浸在虛擬效果當(dāng)中。

（二）漫游方式的數(shù)據(jù)設(shè)置

Unity3D中的漫游可分為自主漫游和固定路徑漫游兩種。使用自主漫游方式進(jìn)行漫游，用戶就像玩手機(jī)游戲一樣在虛擬校園中“游玩”，操作的自由度高，在整個(gè)虛擬的校園場(chǎng)景中能夠隨心所欲地進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游。本系統(tǒng)利用定點(diǎn)相機(jī)進(jìn)行自主漫游的功能設(shè)計(jì)。創(chuàng)建一個(gè)定點(diǎn)相機(jī)，設(shè)置好相機(jī)參數(shù)，然后將設(shè)置好的相機(jī)置于場(chǎng)景中觀察目標(biāo)的位置，切換至相機(jī)視野后便可進(jìn)行漫游。用戶只要在手機(jī)界面按住上下左右的按鈕就可進(jìn)行漫游操作。用戶也可以通過自己的設(shè)置來切換不同的相機(jī)動(dòng)畫，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中多個(gè)不同位置的自主漫游。

固定路徑漫游功能是在Unity3D中設(shè)置好相機(jī)視角和路線，用戶不用對(duì)畫面進(jìn)行操作，也可以欣賞虛擬的校園漫游動(dòng)畫。固定路徑漫游一般是以第一人稱的視角進(jìn)行，在虛擬系統(tǒng)中制作的自動(dòng)漫游動(dòng)畫具有導(dǎo)向的作用，一般將其作為主要的漫游路徑，滿足一些用戶在漫游時(shí)的需求。

（三）碰撞測(cè)試

在虛擬校園大框架完成的前提下就可以導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行碰撞測(cè)試了，虛擬校園的場(chǎng)景的活動(dòng)范圍是有限制的，這樣我們就需要在虛擬系統(tǒng)中設(shè)置空氣墻，不能讓用戶跑到一些有限制的地方，例如虛擬系統(tǒng)中的極限邊緣與一些建筑物的內(nèi)部，這樣容易出現(xiàn)各種意外和不可操控性。在整個(gè)虛擬系統(tǒng)中我們使用了兩種碰撞檢測(cè)對(duì)象，分別是空氣墻與盒形碰撞?？諝鈮χ饕褂迷谡麄€(gè)地圖的邊緣與校園湖泊的周圍，不能讓用戶跑到地圖外面與湖泊里面去；盒形碰撞主要使用在建筑物的周圍，虛擬校園中的建筑物只展示建筑外面的效果，里面是沒有模型結(jié)構(gòu)的，所以也要限制用戶跑到建筑模型內(nèi)部。

（四）展示效果的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶使用手機(jī)登錄進(jìn)入虛擬校園APP后，畫面鏡頭從空中快速俯沖穿過云層進(jìn)入學(xué)校大門前面，如果用戶是首次登錄，手機(jī)屏幕會(huì)出現(xiàn)簡單的操作介紹。當(dāng)用戶進(jìn)入學(xué)校大門石碑前的小廣場(chǎng)后，屏幕會(huì)出現(xiàn)學(xué)校各個(gè)二級(jí)學(xué)院的圖標(biāo)，用戶通過點(diǎn)擊就可了解各二級(jí)學(xué)院的專業(yè)介紹。石碑右后方就是學(xué)校的華夏園，這里是重點(diǎn)打造的場(chǎng)景之一，華夏園有美麗的花草樹木、涼亭、文化走廊、假山湖面等風(fēng)景，是最能展示華夏特色校園文化的畫面。在華夏苑的交互互動(dòng)中，可以介紹相關(guān)的華夏故事，展示歷屆學(xué)生的生活情景。成長石碑左后方是教學(xué)樓，當(dāng)用戶走到教學(xué)樓下方，會(huì)出現(xiàn)類似傳送門的通道，用戶可以進(jìn)入通道，畫面會(huì)進(jìn)入教學(xué)樓的課室，感受大學(xué)課堂，通過點(diǎn)擊的方式，學(xué)生可以直接進(jìn)行課程的選擇和交互，選擇課程后，可以根據(jù)當(dāng)前的課堂進(jìn)行課堂教學(xué)的學(xué)習(xí)，并且可以跟線下的老師進(jìn)行線上的互動(dòng)學(xué)習(xí)。再往后走就是學(xué)校的二期校園，學(xué)校的圖書館也是重點(diǎn)打造的場(chǎng)景，通過檢索可以快速的鎖定圖書，并且能夠在線上進(jìn)行圖書借閱情況的查看，包括對(duì)自習(xí)室空座情況的查看，可以在線上進(jìn)行圖書的預(yù)定，以及在線上進(jìn)行自習(xí)室的座位預(yù)約等。讓用戶可以完全沉浸于華夏虛擬校園當(dāng)中，并且能夠從線上感受到校園學(xué)習(xí)的氛圍。

五、結(jié)語

本文以廣州華夏職業(yè)學(xué)院為例，系統(tǒng)闡述了制作虛擬校園所涉及的軟件的應(yīng)用方法與技巧，對(duì)核心應(yīng)用軟件3Dsmax、Photoshop、Unity3D的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用說明。該項(xiàng)目通過三維立體的建模和Unity3D的自主漫游的設(shè)置，對(duì)廣州華夏職業(yè)校園進(jìn)行三維全境的展示和交互，讓沒來過廣州華夏職業(yè)學(xué)院的用戶也可以在虛擬的環(huán)境中去“了解”其校園和線上的學(xué)習(xí)。用戶還可以在數(shù)字化虛擬校園系統(tǒng)中鳥瞰以及選擇不同的視圖來多視角地觀看校園景觀，以達(dá)到全方位認(rèn)識(shí)該校園的目的。數(shù)字化3D虛擬校園系統(tǒng)對(duì)招生宣傳、校園慶典、校內(nèi)定位導(dǎo)航、事務(wù)指南、迎新服務(wù)等事務(wù)均具有非常重要的作用，是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。該項(xiàng)目用線上三維的方式，全方位地展示校園的環(huán)境。