基于Unity3D的虚拟校园设计与实现臧辉

2020-09-26袁涌

电脑知识与技术 2020年24期

袁涌

摘要：虚拟校园漫游系统是当今校园发展和更新的重要举措，也是当前状况下各高校宣传自身必不可少的平台，对推进校园的现代化管理水平和提升学校知名度也起到了积极的促进作用。通过以开发湖北理工学院虚拟校园漫游系统为例，论述了开发虚拟校园漫游系统的方法和步骤。利用3DsMax建立三维模型，对建筑模型进行贴图，再将模型导入Unity3D进行漫游系统的开发，逐步实现虚拟校园漫游系统。

关键词：虚拟校园;3DsMax;Unity3D

中图分类号：TP319 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）24-0023-03

1背景

自20世纪90年代以来，国内高校纷纷对校园网加大建设力度，并以校园网为依托开发应用形式多种多样的管理信息系统用于学校日常管理和教学管理，开启了我国高校校园数字化的进程。2002年5月，在中山大学举行了高校数字化校园建设工作研讨会，标志着我国高校数字化校园建设进入一个崭新的阶段。随着网络技术和虚拟现实技术的发展，人们对于校园在网络上的展示也不满足于仅仅以平面图形或图片的形式，而提出了以三维物体的形式来展示校园。虚拟校园逐步出现在人们的视野中，并成了校园数字化的过程中一个重要的建设问题。建设虚拟校园对于各个高校扩大其知名度和拓展高校功能起到了建设性的作用。

2国内外现状概况和发展趋势

在如今互联网络遍布全球的时代，虚拟校园已经成为各个大学在校园数字化发展过程中的一个重点建设问题，对于学校的管理和对外宣传都会起到不可或缺的作用。

国外的高校一向都很重视虚拟校园的建设。1999年10月，瑞士联邦两院正式通过了《瑞士大学2000—2003年发展计划》。在2000—2003年期间，瑞士联邦政府将以特别财政补贴方式为州立大学拨款3000万瑞郎，以鼓励在高等教育领域应用新的信息与通信技术，建立“瑞士虚拟校园”[1]。土耳其的伊斯坦布尔大学早在2002年前后就已经开始着手以VRML作为工具建立应用虚拟校园，如图1所示。新加坡南洋理工大学在网络上建立起了虚拟校园，进入虚拟校园的用户可以选择成为自己心目中的各式人物或者其他的任何物品，比如一辆跑车。这大大增加了虚拟校园的趣味性和用户的自主性。在虚拟校园内部，虚拟人物可以相互之间交流。老师更是可以利用建立起来的虚拟教室和学生进行交流沟通，学生可以自主选择需要学习的课程来进行学习。

在国内现在很多大学都已经有了自己的虚拟校园平台。1996年天津大学以VRML国际标准为准则，基于SGI硬件平台，开发出了虚拟校园，这是国内最早涉足虚拟校园的高校之一。随着网络时代的来临，北京大学、清华大学、上海交通大学、浙江大学等国内著名高校开始在校园网内建设虚拟校园系统，使得学生可以在网上浏览学校各景点和建筑，如下图2所示。近几年来各高校虚拟校园系统不再局限于校园网内，而是在更加开放的互联网平台上，虚拟校园系统的受众面也更加的广泛。

但是这些三维虚拟校园大多都不是完全的3D显示，从严格意义上说，只能算作是2.5D。本系统应用3DSMAX和Unity3d结合的方式，开发出面向3D的虚拟校园仿真系统。

3D Studio Max，常简称为3d Max或3ds MAX，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件[2-3]，现在最新版本是3ds max 2020。

Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity3d利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件。其编辑器可运行在Windows、Linux（目前仅支持Ubuntu和Centos发行版）以及Mac OS X下[4]。

3开发流程

开发流程涉及模型的制作和导入Unity3d中实现漫游。

建模包括建筑模型和地形制作，第一步是提取建筑物贴图的资料，需要对实际校园里的建筑物进行拍照以收集数据，并将这些照片進行提炼以形成对应建筑物的贴图材质。第二步是完成建筑物的3d模型构建，以校园内实际建筑物为原型，应用3Ds Max软件构建出虚拟校园系统中建筑物的3d模型。第三步是将第一步得到的贴图加载到建筑物的3d模型上，得到实景的3d建筑模型，并将其导出为.fbx格式文件存储，从而完成建筑物模型的制作。

随后进行全面的校园地形数据采集，利用Unity3D进行地形制作。并在校园地形的基础上，对各处有特色的场景单独拍照，从而得到实景地形。在实景地形上进行3d建筑模型摆放，最后进行发布即可。整个开发流程如下图3所示。

4三维建模和实景地形生成技术重点

首先要对学校的各个主要建筑物进行拍照采集资料。由于受建筑物高度、拍摄距离及相机自身成像特点的影响，拍摄的相片往往会比例失调或有一定量的畸变，需要使用图形处理软件Photoshop对每张图片进行处理，如用自由变换把比例失调的图片拉正，去除图片中的杂物等[5-6]。

在3Ds Max中需要对照着图纸描绘出建筑物的外形再进行拉伸变形之类的处理即可，因为学校建筑外形都比较规则，所以只需要避免出现错面就可以完成三维实景的建模。但这是一个需要大量精力投入的细致事项，在完成期间一定要保证认真仔细。

模型完成后，就需要将前期处理好的纹理图片贴到模型各个外墙面上。纹理贴上去后，有可能出现贴图与模型面不一致的情况，这时就要手动调整UVW坐标的方式，使二者相互吻合。还有一点需要注意的就是，由于贴图在拍摄的时候光照等外部条件不一样，从而导致贴图在色调等方面不一致。所以在贴图之前需要利用图像处理软件将纹理图片的色调等调整一致。

贴图完成后还需要进行灯光的调整，以使得模型更加的逼真，我们可以采用经典的三点光源来进行灯光的调整。如图4所示的教学楼和学校大门。

将已经建好的各个模型以.FBX格式导出，再将此文件导入到Unity 3D中。然后采用Unity 3D自带的地形生成工具，并在校园地形的基础上，對各处有特色的场景单独拍照，进而得到实景地形。将在分别得到实景的3d建筑模型和实景地形之后，要将实景的3d建筑模型导入到Unity3D中的实景地形上，这时就可以开始对建筑物进行摆放在对应位置上并对其进行光照渲染，最后应用Unity3D的发布平台将该漫游系统发布在计算机上。

5 Unity3d实现漫游

完成上述步骤后就可以在Unity3D中设计虚拟校园场景交互，用户可以通过采用如键盘、鼠标之类的简单输入设备操纵虚拟角色在学校场景中游览，体验网上虚拟漫游校园。

5.1碰撞检测的实现

碰撞检测（Collision Detection）也称作接触检测或干涉检测，主要是避免在虚拟系统中出现运动物体穿过墙壁、穿越山体等障碍物，其中采用的技术要点是对物体在运动过程中可能与其他运动物体或障碍物出现的碰撞进行检测。

在高校漫游系统中，需要处理漫游人物不能穿墙而过，这就需要碰撞检测到漫游人物与不能通过的建筑或者地形相遇时，要限制通行。要产生碰撞必须为漫游人物添加刚体和碰撞器，刚体可以让物体在物理影响下运动。刚体和碰撞器结合在一起添加到漫游对象上才有可能触发碰撞检测。两个以上的对象在有碰撞体存在的前提下，物理引擎才会对碰撞进行计算。如果对刚体不设置碰撞体，这类刚体会直接穿过。

触发器的设置在Unity3D中是通过在检视面板中的碰撞器组件中勾选IsTrigger属性选择框完成。Unity3d中，主要有触发信息检测和碰撞信息检测两类接口函数来处理对应的两种碰撞检测。如下表1和表2所示。

上述两表中的六个接口函数都是MonoBehaviour的函数，可以通过重写这六个函数来实现虚拟系统中实际的要求。

5.2虚拟漫游

虚拟漫游是系统的重要模块，通过虚拟漫游可以让用户充分感受到校园的3D美景，本文采用自动漫游的方式带领，系统会带领用户按照预定的浏览路线进行游览，自动对整个校园3D美景进行游览。在自动漫游中，由于路线是预先设定好的，所以用户可以不受外界一切干扰，只需要跟随当前的路线欣赏学校景色。

对于学校几个较重要的景点，漫游系统到了景点后会暂停下来，系统会弹出一个对话框介绍该景点的相关信息，也可以选择视频文件进行播放，从而了解更加具体的细节。

6结束语

校园虚拟系统通过前期的各个阶段设计与实现和对系统的内部测试检验，达到了预期的设计效果，场景展示效果逼真、用户沉浸度较高、建筑模型高拟真度，为校园虚拟系统的设计与实现提供了一个3D沉浸式解决方案。

基于今年的疫情，像以往大规模的聚集进行学校招生宣传不再可行，在线虚拟漫游校园将成为各个高校引领外界了解校园的主要方式，也是各高校宣传自身必不可少的平台，对推进校园的现代化管理水平和提升学校知名度也起到了积极的促进作用。

参考文献：

[1] 牟萍. 虚拟校园建模、漫游技术研究及其实践[D]. 重庆：重庆师范大学， 2006.

[2] 王靖. 基于Unity3D矿山虚拟现实系统开发研究[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2018.

[3] 阳菲，贺细平，何俊锋. 基于VR与TTS的沉浸式虚拟校园向导系统设计[J]. 电脑与信息技术， 2018， 26（4）： 56-58.