基于倾斜摄影建模和Unity引擎的虚拟校园设计与实现

徐杰 孙大洋 胡怡

摘  要：随着大数据、云计算、人工智能等新技术、新业务的发展，各行各业都在以互联网为平台进行融合创新，进入了“互联网+”快速发展的时代。文章以“云校园”为出发点着手研究虚拟校园项目，以还原校园真实场景为目标，致力于为学校开发一套基于Context Capture倾斜摄影建模和Unity 3D引擎的虚拟校园。模型贴合校园中的真实建筑，项目注重场景还原和互动式第一人称导游的沉浸感，既能为熟悉校园的同学提供全新的观感，更能让校外所有想了解校园，接触校园的用户获得对校园最真实的感受。

关键词：倾斜摄影；Unity；虚拟校园

中图分类号：TP391.4；P231   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0039-06

Design and Implementation of Virtual Campus Based on Oblique Photography Modeling and Unity Engine

XU Jie， SUN Dayang， HU Yi

（Southeast University Chengxian College， Nanjing  210088， China）

Abstract： With the development of new technologies and new businesses such as big data， cloud computing and Artificial Intelligence， all industries are integrating and innovating on the internet platform， entering the era of rapid development of “Internet plus”. This paper starts with “cloud campus” as the starting point to study the virtual campus project， aiming at restoring the real campus scene， and it is committed to developing a set of virtual campus based on Context Capture oblique photography modeling and Unity 3D engine for the school. The model fits the real buildings in the campus. The project focuses on the scene restoration and the immersion of the interactive first-person guide. It can not only provide a new look and feel for students who are familiar with the campus， but also let all users outside the campus who want to know about the campus and contact the campus get the most real feeling of the campus.

Keywords： oblique photography; Unity; virtual campus

0  引  言

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起來的一项高新技术，通过在一飞行平台上搭载传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片（四组影像）。

Unity 3D是虚拟现实和增强现实（VR/AR）开发重要的一种开发引擎，它具有完善的技术和丰富的个性化功能，具有跨平台的部署能力，能兼顾在PC、Mac、Linux、iOS、Android和Web端等平台进行项目发布和部署，从而降低了项目开发人员的要求，可以是一次开发多端使用。

对于学校来说，如果将以倾斜摄影构造出来模型应用到Unity引擎上，实现漫游交互功能的“虚拟校园”，不仅能够增加熟悉校园的途径，提高学校的知名度，增强学校的影响力，设计者们更能够方便系统地对学校结构进行分析，对规划方案进行预设计，作出合理的布局规划。同样的技术若应用到其他行业中更能大放异彩。

1  研究背景

1.1  国内外现状

近年来，越来越多的领域和BIM接壤，也有越来越多的公司开发了BIM相关的产品。国内的行业先锋们不满足于常规建模软件的交互展示功能，把目光投向了Unity这样的产品，开始研究游戏引擎的非游戏应用。

Unity 3D是由Unity Technologies开发的一款综合游戏引擎，人们通过它可以在PC 手机等平台创建三维游戏，建筑可视化，实时三维动画等互动内容，但利用Unity也可以开发许多非游戏应用，比如地产项目VR、虚拟施工、消防模拟等应用。这些应用的本质都是开发一个游戏，所以其交互界面的自由度几乎就是无限大的，这样，对项目后期的开发有着强力的后劲。

2019年，Las Vegas的Autodesk University大会上，Unity公布了与Autodesk的合作计划，计划实现Unity与Autodesk产品之间的完全数据互通，Unity Reflect就在这样的背景下诞生了。

SHoP Architects是一家位于纽约市曼哈顿下城的建筑公司，其项目遍布五大洲，为住宅，商业建筑，学校和文化机构以及大型总体规划提供服务。美国的全球大使馆和Uber洛杉矶总部都出于他们的设计。他们通过Reflect和Unity编辑器，创造了各种定制AR和VR应用，把设计和施工更好地结合到一起，施工人员把iPad对准需要安装柱子的位置，屏幕上就会显示柱子的虚拟模型，点击屏幕就可以看到它的参数和安装说明，安装人员不需要去翻阅纸质文件，就能随时查看安装要求。

1.2  研究意义

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。倾斜摄影建模效率高，效果好，可大大缩短开发过程中建模阶段的时间，为Unity或其他引擎进行后续开发加快了速度。

1）智慧城市的规划建设过程中，体量规模非常庞大，利用人工建模的方法非常浪费人力和时间，采用倾斜摄影实景建模，可以快速获取大面积区域的真实城市模型。

2）区域高层违建排查，很多高层很难从地面上观测到。而使用无人机完成空中的倾斜摄影，可以快速地排查出违建建筑。

3）景区三维导览和平面布置图，可以快速进行景区导览路线和场景的布置，方便游客快速了解景点布置和安全路线选择。

4）使用倾斜摄影对于古建筑和文物的保护、数字化留存有重大意义，模型精度可达到毫米级，可以使用实景模型，对古建筑进行修复，还能制作数字版高端文物展示品。

5）大面积的测绘放点，这些工作特别耗费人工，还不一定满足精度要求。这时候可以使用倾斜摄影的放大功能，对目标区域进行航拍，快速获取该区域的高程信息和村落的分布，为路线设计、选线方案提供良好的数字信息。

6）施工前期做场地规划，施工过程中监测基坑的施工状态等现场工作场景，也可以通过倾斜摄影把实景模型快速建立出来，无论是开会还是汇报都能起到很好的指导作用。

2  总体方案设计

总体方案设计如图1所示，相较于其他软件的开发，使用Unity3D引擎进行游戏的开发难度更大，周期更长，对团队的技术基础和合作分工要求更高。本项目的开发流程主要包括2个阶段：

1）利用无人机进行倾斜摄影，通过ContextCapture

建模软件对拍摄的实景进行3mx模型的建立，再对模型进行裁剪，拼接等设计工作。

2）将完成的3mx模型导入Unity引擎，在模型基础上设计和实现虚拟校园的多种功能，功能包括：场景交互，语音讲解等。

3  软件的实现

实现过程严格按照预定流程进行，分为：倾斜摄影建模、虚拟校园设计两個阶段。

3.1  倾斜摄影建模

倾斜摄影建模分为两个步骤：对目标建筑进行倾斜摄影和将拍摄照片导入实景建模软件ContextCapture。

3.1.1  无人机的选择

倾斜摄影三维模型的质量主要取决于两个因素：一是影像质量，二是照片数量。从实际建模效果来看，要想获得完整清晰、可供高精度量测的三维模型，建筑区倾斜影像的分辨率要达到2～3厘米、一般地区要达到5～6厘米，照片的平均覆盖度要达到70度重叠以上。因此，多旋翼无人机是进行建筑区倾斜摄影的首选，一般地区的倾斜摄影则可选择小型电动垂直起降固定翼无人机。

3.1.2  倾斜摄影相机

固定式五镜头倾斜摄影相机是目前在无人机倾斜摄影中普遍使用的设备之一，它延续的是原来用在有人驾驶飞机上使用的传统的五相机结构。

3.1.3  航线设计

1）航摄分区尽量为矩形，航线沿矩形区域长边方向敷设，实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高，图2和图3分别为环绕式航线和矩形航线。

2）航线数量为双数且不少于6条，单航线最大长度按无人机有效续航里程的40%计算。

3）相对航高平均按100米设计，当航摄分区内有超过30米的建筑物时，最小相对航高应按100 米加上建筑物高度计算。

4）航向重叠度大于80%，旁向重叠度大于80%。

3.1.4  进行建模

倾斜摄影完成后，即可把拍摄的照片导入ContextCapture实景建模软件进行建模。

第一步，新建项目，将包含照片的文件夹导入，软件会自动采集照片的可用状态、照相机、感应器尺寸、焦距、GPS点位等信息，如图4所示。

第二步，提交空中三角测量计算。在概要界面，点击提交空中三角测量计算，选择Process with CaptureContext Engine，并打开CaptureContext Engine软件，使其在后台计算。计算空三不需要设置，直接提交，如图5所示。

第三步，重建项目。完成空三计算后，点击右下角新建重建项目按钮，选择3D reconstruction。如图6所示，界面便提示可进行生产，选择空间框架，便可在此页面进行模型大小的调整，模型分区设置。模型的分块数量取决于电脑内存，若模型较小，整个模型进行生产所需内存低于电脑内存，可直接进行生产，否则需要对模型进行切块，保证每块模型生产所需内存都低于电脑内存，不然任务会失败。

设置完成后，返回概要界面，点击右下角提交新的生产项目，选择Process with CaptureContext Engine，并打开CaptureContext Engine软件，使其在后台计算。如图7所示，在生产项目定义界面，确认模型格式为3mx，纹理贴图的JPEG质量为100%，确认好路径，则可提交生产。

最后，经过一段时间的等待后，模型生产完成，如图8所示。

3.2  虚拟校园设计

虚拟校园的结构主要有三层，分别是：

1）视图层。这一层的主要内容是加入场景中的各种标识，主要功能是能提供指示，将虚拟校园的可互动内容提供给用户。

2）控制层。将脚本组件加入主摄像机、空对象和UI界面中。这层可实现用户与场景的交互。

3）模型层。包含所有连接到3mx模型的空对象和渲染对象中加入的逻辑脚本组件，这些脚本对校园模型进行逻辑处理，便于更好的管理导入的3mx模型。

3.2.1  场景搭建与模型导入

创建一个新的工程和场景，在场景中创建空对象，添加可将3mx模型导入Unity的Unity3mxComponent脚本，组件连接3mx模型的路径，这样不仅可以实现模型的导入，模型即使在项目文件夹之外也可被引用到，如图9所示。Bentley公司的ContextCapture实景建模软件生成的模型为3mx格式，而不是常见的obj或者fbx格式，放入Unity可天然地实现Level of Details技术。LOD技术根据模型的节点在显示环境中所处的位置（Screen Size）和重要度，来决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节数，从而获得高效率的渲染计算，而obj模型要想实现LOD技术却需要大量的后期处理。

3.2.2  摄像机控制设计

编写脚本，使主摄像头可随着键盘和鼠标实现以下功能：

1）按住鼠标右键：摄像机不动，视角随着鼠标移动。

2）按住鼠标中键：以一点为准心，移动摄像机。

3）滚轮向前滑动，视角向前；向后滑动，视角向后。

4）W、S、A、D：控制摄像机前进、后退、左右平移。

3.2.3  功能设计

1）在每个建筑中放置一个立方体，将其隐藏，编写点击立方体便可使镜头移动到立方体处的脚本。再新建画布，在画布中为每个隐形立方体都添加指示箭头和指示框。这样便可实现用户可从界面观察到建筑所在位置并可将镜头移动至建筑处的功能。

2）设置四个互斥选择框和一个下拉框，四个选择框为四种建筑类型，共用一个下拉框，选择一种类型，下拉框便可连接到对应的选项。而每个选项再对应第一个设计里的每个建筑，再为下拉框添加已经设计好的镜头移动到立方体处的脚本。这样，用户便可通过选择下拉框中的选项，将镜头拉到每座建筑。

3）编写使主摄像机围绕目标坐标点进行圆周运动的脚本，并将目标点坐标与第一个设计里的隐藏立方体坐标关联，将脚本添加进一个按钮中。这样，用户便可通过点击按钮，实现主摄像机对目标建筑的环绕，达到环绕观看效果。

4）新建一个平面，将其贴图材料更换为使用无人机从校园上空拍摄的校园全境图，并将平面放置于建筑模型之下。新建另外一个摄影机，其X轴位置和Z轴位置与主摄影机相关联，Y轴置于主摄影机之上。再新建一个画布，中央放置一个固定箭头，将画布设计成圆形，置于主画布的右下角，关闭副摄影机中的模型显示，这样，副摄像机只会显示到平面图案，又因为副摄像机的位置与主摄像机相关联，这样便可实现右下角圆形画布实时播放副摄影机的画面，以达到小地图的效果。

5）再设置若干按钮，分别实现开启/关闭音乐、开启/关闭指示标识、跳转官网和显示操作界面的功能。

6）UI设计。UI界面整体以灰色半透明图片为主。上侧是东南大学成贤学院的Logo，下拉框和视角环绕按钮放入左侧导航栏，四种建筑选项放于底部菜单栏，功能按钮置于界面左右下角。UI界面和画布表示可被隐藏。

4  虚拟校园效果展示

本项目主要面向校园。虚拟校园系统以真实校园为整体蓝本，包括校园布局设计、交通、景观、教学及生活环境、建筑物人文等，让访问者在无法亲身体验的情况下能够身临其境体验校园，走遍校园，系统部分界面如图10至图12所示。

1）软件启动后进入初始化界面，界面包括“自由游览”“校园导览”和“退出”三个选项。

2）自由游览模式中，用户界面只包含操作提示按钮、背景音乐按钮、返回主界面按钮和小地图这四个元素，界面简洁，将画面中的元素控制到最少以减少元素过多给用户带来的干扰，增强用户自己探索的趣味性。用户可通过鼠标和键盘来控制摄像机的移动，可自由穿梭在校园之中，熟悉校园建筑。

3）校园导览模式是在自由游览的基础上，添加了建筑导航和互动功能，用户仍然可以像在自由游览模式中自由控制摄像机的移动。

底部菜单栏包括“公共服务”“教学楼列表”“宿舍楼列表”和“餐厅列表”四种选项，选中任一即可在左侧显示导航栏，镜头也会自动移动到目标类建筑处。菜单栏上方的小三角可以隐藏界面上各类按钮，使界面更加清晰可观。

左侧导航栏包含下拉框和“視角环绕”按钮。下拉框中显示列表包含的各建筑，点击任一建筑，视角移动至选中建筑处，建筑呈现在界面中间。导航栏可点击右上方箭头按钮隐藏，再点击下方菜单栏中的选项可唤出导航栏。

选中下拉框中的选项，点击下方“视角环绕”，视角围绕该建筑旋转，可“取消环绕”停止环绕。

点击目标建筑上对应的标识框，可查看建筑介绍，介绍界面的右下角可开启/关闭语音讲解。

校园导览界面除了包含自由游览模式中的三个按钮外，还有图标按钮和跳转官网按钮。点击图标按钮可开启/关闭界面中的建筑图标，跳转官网按钮可跳转到相应建筑的官方页面。

界面右下角显示小地图，可以看到主摄像机目前所在位置。小地图下方“返回主界面”，点击返回最初菜单界面。

4）点击“退出”，退出软件。

5  结  论

利用ContextCapture实景建模软件，能生产出精度很高的建筑模型，速度快，效率高，大大缩短了开发周期。在建筑模型的基础上再依托Unity 游戏引擎的强大功能，模拟真实的校园，实现虚拟校园，不仅可为用户提供快速、便捷的“云游校园”服务，增加了解学校的途径，更能为校园设计者们方便系统地对学校结构进行分析，为日后的布局作出合理的规划。倾斜摄影建模和Unity引擎的结合一定也可在其他行业大放异彩。

参考文献：

[1] 汪光跃，彭杨，张茂军.基于Unity3D的大规模倾斜摄影模型加载策略 [J].计算机应用，2019，39（S2）：194-198.

[2] 管练武，丛晓丹，张庆，等.基于微惯性与Unity3D的室内滑雪教学与训练可视化系统设计 [J].实验技术与管理，2021，38（10）：152-156.

[3] 李遇涵.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统的研究 [ D].武汉：华中科技大学，2019.

[4] 李兴久.浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用 [J].测绘标准化，2021，37（1）：75-78.

[5] 王倩，刘攀.基于无人机倾斜摄影的智慧校园三维建模应用研究 [J].科技创新与应用，2022，12（30）：49-51+55.

[6] 向华林，李秉兴.单镜头无人机倾斜摄影测量的三维建模及精度评估 [J].测绘通报，2022（S2）：237-240.

[7] 唐云龙，陈平.基于3ds max和unity 3d技术的校园虚拟漫游系统设计 [J].现代商贸工业，2022，43（16）：246-248.

[8] 杨文阳，孟青青.交互式数字校园虚拟漫游系统应用平台 [J].计算机系统应用，2021，30（9）：92-97.

[9] JACKSON S. Unity UI设计 [M].张骞，译.北京：清华大学出版社，2017.

[10] 宣雨松.Unity3D游戏开发：第2版 [M].北京：人民郵电出版社，2020.

作者简介：徐杰（2002—），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；孙大洋（2002—），男，汉族，江苏宿迁人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；胡怡（2001—），女，汉族，江苏无锡人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术。