大数据学院虚拟现实系统设计与开发＊

孟庆轩，扬帆凌波，李侍奉

(北京城市学院，北京 101300)

0 引言

虚拟现实技术是综合应用多个学科知识的3D 交互逻辑成像高新实用技术。它是一种有效地模拟生物在自然环境中视、听、动等行为的交互技术，其概念是发展的和变化的。虚拟校园技术（Virtual campus technology）是指：在计算机中对现实校园中的景观以及教学设施、教学环境等通过数字化处理，有效再现虚拟校园的技术。本系统采用3ds Max 进行立体建模，使用Photoshop软件对于拍摄的大数据学院图片进行处理形成三维模型的贴图，最后将模型与贴图导入到Unity3D 引擎中实现交互式功能。采用360 度俯瞰的方式对于大数据学院的三号实训楼进行自由浏览，对于大数据学院内部采用第一人称的方式进行漫游，并对课程与专业信息、教学设备进行立体式的展示，以互动的方式为学生与家长提供有趣的虚拟大数据学院漫游，并最终发布为Web 版本，为学生和家长熟悉大数据学院提供便利。

1 建模方法

三维建模技术是在软件中建立模型的技术手段。建模就是建立数字化虚拟模型的过程，又称模型化。本系统的三维模型采用3ds Max 进行制作，制作之前为了真实还原大数据学院楼体的外观与内部房间布局，并按照1：1的方式进行展示，需要对楼体外部与内部进行测量，并根据这些数据来进行建模。本系统是虚拟现实系统，需要给人们身临其境的漫游，模型的贴图需要通过相机拍摄并使用Photoshop 软件进行处理的方式来得到。

1.1 数据与贴图的采集

楼体的外部在最终的系统中，是以360 度环绕漫游的方式进行展示，只需要精确到米就可以。楼体内部的结构比较复杂，在最终完成的系统中是以第一人称方式进行漫游，需要精确到厘米，这样才能更好的展示楼体内部结构与对应的教学硬件。并且楼体内部的设备：桌椅、投影仪等，也需要进行测量，这样在模型制作的过程中才能做到楼体内部模型比例正确，给人一种真实的感觉。

模型的贴图需要使用相机拍摄来得到，拍摄时需要拍摄两套图片：一套图片用于查看楼体的外观与房间结构、教学设备，方便后期的建模使用，拍摄时可以让一张图片尽量放下楼体更多的内容，这样可以方便后期建模时比例的把握；另一套作为楼体外观与内部物体的贴图，拍摄时需要物体纹理清晰，一张照片最好存放一个物体的纹理情况，方便以后的贴图制作。

1.2 模型的制作

楼体的外部与内部分别进行模型制作，楼体外部的模型重点在于表现楼体的外观结构，需要将3ds Max 的单位设置为“米”，这样在模型制作时方便按照所测量的数据进行建模。楼体外观制作好之后，需要使用Photoshop软件制作对应的贴图，整个楼体的贴图是一张，贴图长宽的大小要是2 的n 次方。楼体贴图上的树木可以保留，这样可以体现细节信息，并且也能给人以真实感。制作好的贴图需要使用3ds Max中的展UV 工具赋予到楼体的每一个面上，最终才完成楼体外观模型的制作，完成的楼体外观模型与贴图如图1所示。

图1 楼体外观模型与贴图

楼体的内部结构需要单独进行模型制作，制作之前需要将3ds Max 的单位设置为厘米，对于楼体内部模型贴图的制作，需要按照材质的种类分别放在不同的贴图中，这样方面在Unity3D 中的进行着色器设置，每一张贴图也需要把亮度调整一致，并且每一张贴图的长宽大小也要是2 的n 次方。做好的贴图需要赋予给楼体内部模型，最终才完成楼体内部模型的制作，完成的楼体内部模型与贴图如图2所示。

图2 楼体内部模型与贴图

2 虚拟大数据学院的构建

Unity3D 的强大引擎功能具有跨平台性，通过Unity3D 开发的软件可以在手机操作系统和PC 操作系统等诸多操作系统中运行，并且具有可移植性，运行应用灵活。Unity3D 强大的插件工具，在设计开发上更加简化，可以有效地缩短设计周期。所以本系统采用Unity3D引擎进行开发。

虚拟漫游平台搭建需要将3ds Max制作好的场景以FBX 格式导出，并导入Unity3D 中进行场景搭建，该步骤主要分为五个环节，分别是场景导入、环境灯光、障碍物设置、摄像机布置、摄像机和灯光切换设置。本系统先导入模型贴图到Unity3D 引擎的texture 文件夹中，再导入FBX 格式的模型，再为场景设置灯光、为模型添加碰撞器、设置摄像机。

2.1 系统设计

虚拟漫游分为大数据学院室外楼体漫游展示与室内第一人称漫游展示两种方式。系统运行后首先进入主界面，如图3 所示。主界面有两个选项，点击“进入”后加载三号实训楼室外楼体的场景进行漫游展示，并进行大数据学院室内场景的后台异步加载；点击“关于”，将进入对于系统进行介绍与操作说明的场景，对于本系统的开发背景与操作进行介绍。

图3 系统主界面

2.2 功能设计

本系统包含两个场景：三号实训楼室外场景与三号实训楼室内场景。在主界面点击“进入”，会加载三号实训楼楼体外观展示的场景，并可采取俯瞰的方式对于大数据学院所在的三号实训楼进行展示，通过Cinemachine 插件中的FreeLook 虚拟摄像机进行环绕式360 度自由浏览，此时也会在后台异步加载三号实训楼室内的场景，场景的预加载通过SceneManager.LoadSceneAsync()函数实现。

当点击“返回”按钮时，会返回到主界面；当点击“退出”按钮时，会退出系统；当点击“回车”键或者界面底部的黄色按钮“单击回车键”的时候，会切换到注视鹰游戏物体的Virtual Camera，会通过鹰俯冲飞行的视角进入三号实训楼内部，如图4 所示。三号实训楼内部是在另一个场景中，由于使用了异步加载方式，所以在鹰俯冲到三号实训楼的时候，会自动进入三号实训楼内部所在的场景，没有场景的加载等待。

图4 三号实训楼外部场景

进入三号实训楼内部所在的场景后，可以进行第一人称漫游，并在后台异步加载三号实训楼的室外场景。当第一人称的游戏物体与场景中的黄色桌子发生触发检测时，会进入课程与教师介绍的展示，并可以查看任意课程与对应教师的介绍，如图5所示，当第一人称物体不与黄色桌子发生触发检测时，会退出课程与教师介绍的展示界面，继续进行第一人称漫游。当点击界面下方的“退出”按钮时，可以退出本系统；当点击“返回”按钮时，会返回到主界面。

图5 室内场景第一人称漫游

在第一人称漫游的过程中，当第一人称游戏物体与教室的门发生碰撞时点击“F”键，门可以自动打开。漫游进入某一个教室区域后，界面下方会出现对应的按钮：点击“打开屏幕”可以将投影屏幕降下；点击“关闭屏幕”可以将投影屏幕升起；点击“课程介绍”可以播放教师的语音，对课程进行介绍，如图6 所示。漫游离开教室区域后，语音播放会自动停止，三个按钮也会消失。开门动画与投影屏幕的上升与下降通过Animation 组件实现。当漫游到115 会议室区域时候，界面下方会出现对应的按钮，通过多个教室屏幕同时播放同一个视频的方式，展示115 会议室控制113、115、117 教室同步播放开展会议的功能。对于会议室115 的多个屏幕同时播放笔记本电脑的PPT 内容，也采取同样的技术实现方式进行展示。当漫游到玻璃门时，会自动进入三号实训楼的室外场景，以此完成室内与室外场景的切换。

图6 系统交互功能

3 结束语

本系统通过3ds Max、Photoshop 与Unity3D 的技术方式实现了一个可以全景展示大数据学院的虚拟现实系统，实现了多个交互的功能，可以让学生与家长全方位了解大数据学院。最终系统以Web 方式进行发布，方便学生与家长的使用，以第一人称漫游的方式进行交互，为学生与家长了解我校的大数据学院提供了一个很好的平台。以后可以结合VR 设备进行开发与发布，提供身临其境的交互。