董貞汝，程佳明，谷余莓，黃 帆，胡曉敏，陳 婕

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（英文：VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)：VR）是用戶(hù)通過(guò)硬件和軟件沉浸在模擬世界中的數(shù)字化體驗(yàn)。VR技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)集合為一體的一門(mén)綜合性技術(shù)。它主要是借助并利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)來(lái)對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行仿真，主要仿真的對(duì)象有環(huán)境、動(dòng)作、技能、傳感器裝置以及感知系統(tǒng)等，能夠給使用者帶來(lái)更多信息、三維動(dòng)態(tài)、交互的環(huán)境仿真感受。用戶(hù)可以通過(guò)硬件和軟件沉浸在 VR所打造的虛擬世界之中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)旨在創(chuàng)建一個(gè)逼真的3D圖像或環(huán)境，使體驗(yàn)者可以感知為真實(shí)的環(huán)境，甚至以逼真的方式與之交互?，F(xiàn)如今，VR技術(shù)在旅游、游戲、醫(yī)療、建筑等方面都有較大的發(fā)展。

虛擬校園漫游系統(tǒng)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)主要分支，是虛擬建筑場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景漫游技術(shù)的融合，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的一種新方法。虛擬校園可以提供支持實(shí)際學(xué)校資源管理、環(huán)境規(guī)劃、翻新改造、遠(yuǎn)程訪問(wèn)的三維虛擬環(huán)境。不可否認(rèn)的是，虛擬校園將會(huì)是未來(lái)時(shí)代，校園信息化的一個(gè)重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)可以使體驗(yàn)者與虛擬化的數(shù)字校園實(shí)現(xiàn)全方位的互動(dòng)漫游，觀賞校園的自然風(fēng)貌等，讓體驗(yàn)者猶有“身臨其境”之感，從而最大限度地“沉浸式”瀏覽校園環(huán)境，大大提高了體驗(yàn)者在虛擬漫游過(guò)程中的沉浸式效率。

1 虛擬校園漫游系統(tǒng)研究的意義

首先，虛擬校園漫游系統(tǒng)可以起到校園文化宣傳的作用，它為大眾提供了一條了解校園的新方法，使人們能夠更加直觀地對(duì)校園有一個(gè)初步的了解與認(rèn)識(shí)，從而讓大眾對(duì)學(xué)校留下良好的第一印象，方便學(xué)校招生工作的開(kāi)展。其次，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以在一定程度上提高學(xué)校的知名度，并且方便新同學(xué)到校前適當(dāng)熟悉校園，適當(dāng)避免開(kāi)學(xué)當(dāng)天找不到某一建筑物的位置等情況發(fā)生，為學(xué)生更快地融入新學(xué)校的環(huán)境與生活提供了一定的便利。該系統(tǒng)也為填報(bào)志愿，想要了解學(xué)校環(huán)境情況與自然風(fēng)貌的學(xué)生提供了更為真實(shí)，更為近距離的了解校園情況的機(jī)會(huì)。最后，該系統(tǒng)能作為學(xué)校對(duì)校園進(jìn)行新改造的一個(gè)輔助平臺(tái)，改造前，環(huán)境設(shè)計(jì)師可以先在虛擬的3D校園上對(duì)學(xué)校環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，等正式確定改造方案之后再對(duì)真實(shí)校園環(huán)境實(shí)施修復(fù)翻新等改造措施。這樣做可以大大減小設(shè)計(jì)過(guò)程中所出現(xiàn)的不確定性。

2 開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)述

2.1 3ds Max

構(gòu)建虛擬環(huán)境的第一步工作便是虛擬3D模型系統(tǒng)的構(gòu)建。3dsMax是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)構(gòu)建逼真的虛擬模型的強(qiáng)大工具，擁有豐富的建模工具集，可以使復(fù)雜的建筑設(shè)計(jì)可視化。同時(shí)，3dsMax可以生成高質(zhì)量的渲染，可以輕松處理各種復(fù)雜的人物角色、場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)和效果，為環(huán)境和景觀注入新鮮活力。3dsMax提供的直觀的紋理和著色工具等都能夠被用來(lái)幫助制作更加精細(xì)逼真的設(shè)計(jì)和道具。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先使用了3dsMax這一專(zhuān)業(yè)工具對(duì)建筑物、花草樹(shù)木等虛擬場(chǎng)景進(jìn)行了構(gòu)建，虛擬模型構(gòu)建完成之后，將模型以FPX的格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入到Unity 3D軟件當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行模型定位等操作，完成虛擬校園場(chǎng)景的構(gòu)建。

2.2 Unity 3D

Unity 3D是一種面向開(kāi)發(fā)人員的3D游戲引擎和強(qiáng)大的跨平臺(tái) IDE。Unity 3D可以提供許多使游戲正常運(yùn)行的最重要的內(nèi)置功能，例如3D渲染、碰撞檢測(cè)等等，開(kāi)發(fā)者可以自由地設(shè)計(jì)獨(dú)特的體驗(yàn)。在編碼方面，Unity 3D可以切換到開(kāi)發(fā)者所選擇的編譯器。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，是通過(guò)Microsoft的Visual Studio來(lái)對(duì)各操作進(jìn)行編碼的。此外，Unity 3D也能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員提供出色的VR支持，這也為本系統(tǒng)與VR虛擬技術(shù)相結(jié)合提供了相應(yīng)的支持與保障。

2.3 Steam VR

Unity3D中有一個(gè)SteamVR的插件，以便SteamVR與Unity3D可以順利連接。SteamVR插件可以為VR控制器加載3D模型，并處理來(lái)自這些控制器的輸入。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用了Unity3D中的SteamVR插件，并通過(guò)編寫(xiě)C#腳本代碼，使得體驗(yàn)者可以通過(guò)控制外接的VR設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬校園場(chǎng)景的自主漫游與“沉浸式”交互體驗(yàn)。

3 虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以學(xué)校校園為研究對(duì)象，首先需要采集校園總體環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后利用3DsMax對(duì)學(xué)校內(nèi)的各類(lèi)建筑物、花草樹(shù)木、大路小徑等進(jìn)行建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)，之后利用Unity3D游戲引擎開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并結(jié)合Unity3D中的Steam VR插件，完成對(duì)該虛擬校園漫游系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

該虛擬校園漫游系統(tǒng)要為體驗(yàn)者提供盡可能逼真的虛擬校園環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)者與虛擬校園場(chǎng)景間的“沉浸式”交互，其具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）校園場(chǎng)景要盡可能地真實(shí)與完整，讓體驗(yàn)者有實(shí)感，從而能更好地融入虛擬環(huán)境當(dāng)中；

（2）系統(tǒng)的使用對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)必須是非常友善的，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的指示，完成對(duì)虛擬場(chǎng)景的自主漫游與游覽。同時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)對(duì)建筑物進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和多角度觀察；

（3）系統(tǒng)需要提供給用戶(hù)兩種漫游方式，一種是利用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，讓體驗(yàn)者以傳統(tǒng)的第一人稱(chēng)視角，控制人物角色在虛擬校園場(chǎng)景之中隨意移動(dòng)與游覽；另一種是通過(guò)外接的VR設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相對(duì)更為逼真更為切實(shí)的虛擬化校園漫游。

3.2 總體開(kāi)發(fā)流程

首先需要獲取校園內(nèi)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用 Auto CAD為校園整體繪制一個(gè)平面圖，并對(duì)相關(guān)建筑、草地、水域、道路等進(jìn)行拍攝，為之后模型優(yōu)化過(guò)程中對(duì)模型貼圖準(zhǔn)備條件；之后利用3Ds Max為采集整理后的數(shù)據(jù)、圖片等信息制作3D數(shù)字化模型，為使得模型更加逼真，還需要對(duì)模型進(jìn)行貼圖與渲染的優(yōu)化加工；隨后，將整合完成的模型文件以FBX格式導(dǎo)入到Unity 3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，適當(dāng)運(yùn)用Unity3D自帶的素材，開(kāi)始構(gòu)建完整的虛擬校園場(chǎng)景；場(chǎng)景建立完成后，通過(guò)Unity 3D中的Steam VR插件，與虛擬技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用外接的VR設(shè)備使體驗(yàn)者對(duì)虛擬校園進(jìn)行交互式的漫游。該系統(tǒng)具體的開(kāi)發(fā)流程，如圖1所示。

圖1

3.3 前期準(zhǔn)備

在建立校園模型之前，需要先對(duì)校園的實(shí)體場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)考察與記錄，并對(duì)校園的各類(lèi)建筑物、花草樹(shù)木、自然風(fēng)貌等進(jìn)行相關(guān)拍攝，同時(shí)需要注意細(xì)致地觀察各個(gè)建筑物的特點(diǎn)，以盡可能更為真實(shí)地展現(xiàn)校園的構(gòu)造與風(fēng)貌。之后通過(guò)Photoshop等圖片加工軟件對(duì)所采集的照片進(jìn)行處理與美化，例如將圖片調(diào)整為合適大小、對(duì)圖片的亮度、明暗對(duì)比度、飽和度、色彩增強(qiáng)等等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，為模型的逼真感創(chuàng)造必不可少的先決條件。同時(shí)，也要做好相關(guān)數(shù)據(jù)的整理與保存工作，以免出現(xiàn)模型丟失等情況。由于所涉及的數(shù)據(jù)較多較雜，可以對(duì)獲取到的環(huán)境信息按照校園的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，有層級(jí)、有結(jié)構(gòu)、有側(cè)重地分清主次，為后期的模型建立和模型優(yōu)化等工作做好充足的準(zhǔn)備。

3.4 模型的建立與導(dǎo)入

建立模型這一步對(duì)于本系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。在用3ds Max建模前期需要統(tǒng)一好單位與比例，以確保后期各個(gè)種類(lèi)的模型的合并之后不會(huì)出現(xiàn)單位不一致而導(dǎo)致的不良情況。同時(shí)，必須先建立一個(gè)校園總體的基本框架出來(lái)，這樣才能為后期各種建筑、花草樹(shù)木、公共設(shè)施等的位置擺放提供相應(yīng)的依據(jù)。此外，對(duì)模型元素的命名也是一個(gè)不可忽視的細(xì)節(jié)，可以將模型按照種類(lèi)進(jìn)行劃分后，對(duì)每一類(lèi)都采用統(tǒng)一的命名格式進(jìn)行區(qū)分，以避免出現(xiàn)模型重名等問(wèn)題的發(fā)生，減少后期所不必要的工作量。校園的環(huán)境較為復(fù)雜，所以建模的工作量較大。由于各類(lèi)建筑物外觀相差不大，所以可以先為主要建筑物建立虛擬模型。之后再為花草樹(shù)木、湖泊操場(chǎng)、公共設(shè)施等建立相應(yīng)的模型。還需要為各類(lèi)模型進(jìn)行貼圖與優(yōu)化，使模型更加逼真，也需要保證系統(tǒng)的整體效果。除此之外，由于模型數(shù)量龐大，整個(gè)模型文件所占用的內(nèi)存空間也相對(duì)較大，所以還需要使用一些技術(shù)，例如壓縮貼圖、去除冗余面等方法，對(duì)所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化與改善，以適當(dāng)減小系統(tǒng)文件的大小。利用3ds Max完成建模后，需要將模型整合后以FBX的文件格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D平臺(tái)當(dāng)中?；A(chǔ)模型的建立如圖2（P292）和圖 3（P292）所示。

圖2

圖3

3.5 漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在Unity3D平臺(tái)上，體驗(yàn)者進(jìn)行交互式虛擬漫游主要有兩種方式。第一種方式，就是只通過(guò)Unity 3D平臺(tái)進(jìn)行漫游，體驗(yàn)者使用電腦鍵盤(pán)控制第一人稱(chēng)視角，用W、S、A、D鍵模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中人物的前進(jìn)、后退、向左走、向右走等，并通過(guò)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)體驗(yàn)者的觀察視角，通過(guò)Unity 3D自帶的攝像機(jī)對(duì)虛擬校園進(jìn)行訪問(wèn)與游覽。第二種方式，就是通過(guò)外接的VR設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)更為逼真的虛擬漫游。使用VR設(shè)備需要在Unity3D平臺(tái)上中導(dǎo)入SteamVR的插件，通過(guò)編寫(xiě)腳本代碼實(shí)現(xiàn)Unity3D與外接VR設(shè)備的連接，并通過(guò)對(duì)Camera添加功能控制的代碼，使整個(gè)Camera能夠?qū)崿F(xiàn)360度的全方位視野，使體驗(yàn)者通過(guò)佩戴VR設(shè)備有更切實(shí)的“身臨其境”之感。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著VR技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)具有更優(yōu)交互性與更強(qiáng)體驗(yàn)感的系統(tǒng)已經(jīng)成為每一個(gè)項(xiàng)目小組都必須要考慮到的事實(shí)。本文展示了從開(kāi)發(fā)前期準(zhǔn)備到模型建立與模型優(yōu)化，再到用C#腳本完成漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與VR設(shè)備的連接，最終實(shí)現(xiàn)了基于Unity 3D和VR技術(shù)的虛擬校園漫游系統(tǒng)，且該系統(tǒng)具有良好的交互性和實(shí)時(shí)性。雖然整個(gè)虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已基本完成，也具有一定的實(shí)用價(jià)值，但是由于項(xiàng)目成員沒(méi)有足夠的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，所以系統(tǒng)中還是有很多地方值得改進(jìn)，例如優(yōu)化代碼、精修模型等等，希望之后有機(jī)會(huì)能夠?qū)Ρ驹O(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的完善。