虚拟现实技术在数字校园中的应用

杜沁雯 李浩铭 冯留柱 王斌

摘 要：虚拟仿真相关技术为建筑设计提供了新的手段，也带来了创作方法和概念的变革。文章记录了借助虚拟现实技术，规划虚拟现实场景以及搭建三维模型等步骤实现校园的虚拟化可交互展示，提供沉浸式场景体验的全过程，并对虚拟现实技术在数字校园中的应用发展方向进行了讨论。

关键词：虚拟现实;三维建模;数字校园;辅助建筑设计

0 引言

随着信息技术的发展和应用的不断深入，在建筑辅助设计领域，领域化、数字化和虚拟化成为目前非常重要的技术方式。数字校园是在现实校园的基础上，利用信息化及计算机技术，构建一个数字空间以拓展现实校园的时间和空间维度，从而提升传统校园的效率，扩展其功能，最终通过数字形式表现与分析建筑空间，实现建筑设计多样化的研究。

本研究采用三维成像和虚拟现实技术构建校园全景，将学校风光和学校地图有机结合起来，既是对学校全方位、立体化、真实客观的展示，让来访者足不出户就可尽览校园风光和有关介绍信息，亲历校园风貌，感受校园氛围;也可以作为校园规划的辅助工具，为使用者出谋划策，将其与学校的有关信息相结合，提供给师生一个三维可视化的信息环境[1]。

1 项目简介

（1）为用户提供三维立体的虚拟环境。我们生活的现实场景是一个立体多维世界，场景是建立在三维立体基础上的，因此要做到完全模拟现实，仅仅靠简单的平面二维图形是不够的，只有用三维系统才能真正地模拟三维世界，给用户一种身临其境的体验，生成一种三维立体的虚拟境界是构成虚拟现实的一个最基本元素。（2）给用户第一人称的视角，并有任意活动的自由。用户能够在场景中有和现实生活相似的感受，视点的设置就好像用户亲身经历前进、后退、转弯、穿越廊架。只有拥有这种视角，用户才能有沉浸和参与感。（3）用户能够通过一些控制装置实时操纵和改变用户所进入的虚拟环境。在前两项的基础上，用户对虚拟环境实现互动操作。

考虑到诸上问题，研究团队通过引入AR，VR技术，基于三维模型的建立，利用虚拟现实unity平台，利用相关VR交互设备实现沉浸式交互漫游。

2 关键性实施步骤

本项目利用Mars软件制作规模较大的三维场景，通过VR交互设备，访问者可以走入校園，观赏校园的自然风貌，领略校园的生活氛围[2-3]。为了比较真实地反映校园风貌，我们通过3个步骤实现虚拟场景搭建（如图1所示）。

2.1 建模

在项目初期，团队以学校的现有建筑作为研究对象，在校档案室查找相关CAD设计图纸作为参照，通过学习并运用多种数字建模软件对学校的教学楼等建筑物、整体地形进行了相关的“可视化”数字建模。

2.2 渲染，场景制作

融合地形与建筑模型，根据实际的自然场景对校园内各个场景进行深入制作。根据需求对建筑的材质贴图进行更换，置入自然树木和一定数量的配景增强真实感，细化马路牙、喷泉、路边花坛等具体细节。调整光源和场景视角，输出校园各主要节点全景图。在主楼、图书馆等考虑加入运动场上运动的学生、路上匆匆前行的同学及树上的鸟鸣增强校园生机盎然的气氛，对校园一些细节场景，如标志校徽、先锋角、夜晚操场等特定场景进行单独制作，以保留较高还原度，增强代入感。

2.3 后期，信息补充

通过声音、文字、图片、视频等多媒体技术手段辅助性地介绍大学的概况、历史、学科设置等情况。对重要节点、标志性场景设置漫游路径，能够实现预定路线游览，并将全景图输出制作为二维码成果展示。

3 项目技术小结

3.1 建立模型使用软件不同导致模型大小格式问题

以项目整体地形为例，在制作过程中首先遇到了地形图较为复杂，建模经常发生碰撞，地形高低起伏变化较多经常报错的问题，仔细研究revit地形拆分工具，成功制作了整体地形模型（如图3所示）。另外，建好的整体地形模型受限，大小细致程度不高，且部分比例与建筑模型有一些出入，先转化成其他格式模型文件进行了调试和测试，效果并未达到预期，于是采用重新分块建立模型后拼接的方式重新建模，解决现有问题的同时由于分块模型文件整体较小也为后期渲染提高效率。

3.2 越复杂越大型的场景对制作设备的配置要求越高

从使用软件建模逻辑入手，在不同的需求情况下选择不同的软件进行建模。在建模时需要根据场景进行判断，是建立精细的几何模型还是采用简化模型复杂度，对于细节采用贴图等方式来表现。尽可能用最小的模型达到最佳的表现效果。

3.3 碰撞检查及后期制作

在虚拟环境中，由于有重合的地形、建筑构件与自然景观，物体间可能经常发生碰撞。此时为保持环境的真实性，需要及时调整，否则物体间会发生穿透现象，破坏虚拟环境的真实感和用户的沉浸感（见图3）。

4 现状与未来预期

尽管本项目对虚拟现实技术进行了较深入的应用与研究，取得了一些经验和成果，为项目开展做了一些基础性的工作。但是由于技术、时间的限制和学科专业知识结构的制约，离完善还有不少差距，目前也对如何实现它们的一些方法有所体会[4]。

（1）场景建模及渲染流程人工依赖度高。（2）场景与使用者交互性不高。（3）校园信息管理数字化结合度不高。同时，对本项目的下一步研究方向有以下几点设想，希望在今后的工作学习中能加以不断补充和完善：（1）基于现有模型及场景探索更多成果输出方式。就现有基础模型进行各种尝试，探索效果图、全景视图、漫游视频之外的其他表达方式。（2）完善基于虚拟现实的校园漫游系统设计。就现有成果继续深化、细化，包括但不仅限于设计简单的交互系统，开发置入简单的小游戏，部分建筑深入实体内部等。（3）VR与AR用于建筑教学方向的研究与应用。引入增强现实，通过建模可拆构建，处理深入制作模型与场景，助力建筑学设计沟通，通识教育等方面，数字技术与传统建筑设计联系更紧密。

[参考文献]

[1]乔秀珍.基于虚拟现实技术的图书馆虚拟漫游系统设计[J].自动化技术与应用，2020（11）：159-161，173.

[2]王晨晨.虚拟现实技术及其在图书馆的应用[J].图书馆学研究，2011（20）：34-37，33.

[3]李苏旻.虚拟现实技术在建筑与城市规划中的应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[4]王洪.基于虚拟现实的三维漫游技术研究与实践[D].成都：电子科技大学，2004.

（编辑 王雪芬）