三维虚拟漫游系统的设计与实现

褚欣凡 朱长永

摘要：近年来，伴随着信息技术的迅速发展，数字化校园建设成为各大高校研究的重要课题，而虚拟校园作为校园信息化建设的重要组成部分意义重大。传统的校园信息化大多建立在二维地图及数字影像资料的基础上，难以满足校园在对外宣传、对内引导、校园规划、信息化管理等方面的需求。虚拟现实技术具有真实感强、可交互、多设备兼容等特点，现将其应用于虚拟校园的信息化建设，设计一种三维虚拟数字校园漫游系统，以弥补传统校园固有的不足，为校园宣传、规划、信息化管理等方面提供服务。

关键词：虚拟校园;消息化建设;三维数字模型;交互设计

0    引言

本文以南通理工学院为试点，研究虚拟现实技术与数字化校园的融合，将三维建模技术、三维可视化技术和虚拟现实技术相结合，让用户在虚拟的网络中产生一种身临其境的感觉，利用漫游功能和人机交互功能，使用户更加深刻地体会校园文化和校园环境，并通过三维可视化功能显示校园内的各种信息，方便学院的规划和发展。

1    相关技术介绍

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是借助计算机技术及传感装置所创建的一种崭新的模拟环境[1]。在虚拟数字校园建设过程中，主要是采用Maya并结合Unity3D软件进行开发。Maya是Alias公司生产的一款用于动画制作、影视后期制作及虚拟交互设计的优秀三维软件，其因强大的建模、渲染、后期等功能受到用户的肯定。Unity3D引擎是由Unity Technologies公司开发的能够支持多平台发布的专业虚拟现实引擎[2]，各种游戏创意和三维互动开发可以通过此平台轻松完成，精彩丰富的游戏作品、逼真庞大的虚拟场景都是其产物。Unity3D具有良好的兼容性，通过使用c#脚本可以很好地完成与三维虚拟物体的交互。

2    主要开发流程

任何项目的开发都需要一个完整的流程，在本次南通理工学院虚拟校园漫游过程中，同样需要一个完整的流程进行项目的开发，具体开发流程如下：

2.1    建筑资料信息数据整理

在项目前期，主要搜集学校各个建筑的资料，并对建筑的形体进行测量，记录相关数据，使用CAD软件绘制建筑的四个视图，为后期的三维建模打下基础。

2.2    三维数字模型制作

经过前期的测绘以及数据资料的整理，使用三维软件Maya进行三维模型的制作。以南通理工学院体育馆为例，首先使用Maya中的多边形工具绘制基本的形体，并通过调整基础模型的点、线、面等命令绘制出体育馆的基础模型，在基础模型的技术上，进行细致的刻画，最终完成三维模型制作，如图1所示。

2.3    三维模型UV的拆分及贴图绘制

三维模型制作完成后，需对模型进行UV的拆分，三维建模中材质与贴图能够赋予模型图案纹理，使模型更加形象。要达到更好的效果，需对模型拆分UV、生成贴图[3]。UV主要是指物体表面的纹理坐标点，模型上的每个UV点直接依附于模型的每个顶点，可以理解为模型表面的纹理坐标信息，通过UV拆分技术，获得物体表面的纹理坐标，将绘制完成的UV重新贴到物体的表面，则可将物体本身的纹理信息呈现出来。UV在本次项目中用到的非常多，在Maya有四种基本的UV映射方式，它们分别是：平面映射（Planar Mapping）、圆柱体映射（Cylindrical Mapping）、球体映射（Spherical Mapping）、自动方式映射（Automatic Mapping）。通过对不同的物体进行分析，从而选择不同的UV拆分方式。拆分完成后导出jpg图片格式，并使用Photoshop软件进行贴图的绘制，最终完成模型与贴图的匹配，使完成的模型不再是白色的，而是具备一定颜色及纹理的模型，如图2所示。

2.4    三维模型输出

将制作完成的三维数据模型，输出到Unity3D软件中，在输出过程中主要采用的是FBX模型格式，Unity3D本身并非建模软件，只能完成基本模型的创建，无法对模型进行细节的修改。FBX格式为三维软件通用格式，通过FBX输出可以将Maya的材质贴图及三维模型一起输出到Unity3D软件中，从而完成交互设计的前期工作。

2.5    Unity3D交互设计的实现

在Unity3D中，建立工程目录便于将制作所需要的资源进行分类归纳整理，从而保证场景更加规范，后期如果某个制作环节存在问题，开发者只需要在相应的目录中修改错误的部分，数据就会实时更新，从而提高了开发效率。

2.6    第一人称角色的实现

第一人称是以“我”作为主角进入场景中，用户即为“我”，在场景中第一人称视角更容易给用户产生带入感，能够带来更加直观刺激的感受。第一人称角色控制器的组件保存在Unity3D的标准资源包中，Unity3D标准资源包功能十分强大，可以模拟用户不同的视角。同时，标准资源包中的角色自身带有刚体属性，适合游戏中主角的运动控制，其具体的操作流程为：首先加载标准资源包—导入标准包—角色控制—将选中的角色直接拖放到场景中，即可实现角色的运动。

3    项目测试

根据软件的开发需求进行系统的功能测试，系统在设计时主要围绕以下功能的实现进行：（1）游览者注册登录系统平台;（2）以第一视角及第三视角进入场景;（3）角色与周边的物体发生碰撞，角色不能够穿过物体;（4）具备地图导航功能;（5）有一定的粒子及特效;（6）360°全景照片展示学校各个场景。通过测试发现，系统基本能够满足开发需求，后期在模型的细腻程度方面需要进一步调整。

4    结语

伴隨着信息技术的迅速发展，虚拟校园作为数字化校园的重要组成部分所具备的意义十分重大。将新技术与教育事业结合，必定会焕发新的生机，为教育事业发展输入新的动能。

[参考文献]

[1] 侯长海.2015年虚拟现实产业发展状况分析[J].互联网天地，2016（4）：51-54.

[2] 龚柏茂.Unreal 3引擎技术在实现虚拟场馆设计中的疑难问题剖析[J].浙江师范大学学报（自然科学版），2017，40（2）：161-167.

[3] 赵伟明.三维模型拆分UV及生成贴图技术分析[J].信息与电脑（理论版），2017（18）：27-29.

收稿日期：2019-12-18

作者简介：褚欣凡（1998—），男，江苏泰州人，主要从事数字媒体技术研究工作。

朱长永（1984—），男，山东潍坊人，硕士，讲师，主要从事3D打印、计算机虚拟现实研究工作。