摘 要：本文主要對3D校園模型、虛擬教學(xué)模塊和交互功能模塊這三個模塊進(jìn)行了詳細(xì)的綜合性分析，從而完善虛擬校園的系統(tǒng)功能，向大家展示了一個更真實網(wǎng)絡(luò)校園。

關(guān)鍵詞：設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)通信；虛擬校園

中圖分類號：TP391.9

1 虛擬校園總體設(shè)計

虛擬校園系統(tǒng)包括三維虛擬校園場景建模、虛擬漫游、虛擬教室和虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字圖書館、虛擬實驗室、行政管理系統(tǒng)等功能模塊。三維虛擬場景建模主要是利用三維建模軟件3DS Max對學(xué)校主要建筑、地形、景觀等進(jìn)行建模，包括教學(xué)樓、實驗樓、圖書館、體育場館、行政樓、宿舍樓等主要標(biāo)志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機(jī)控制組件等結(jié)合C#代碼控制虛擬角色在虛擬校園場景模型里的行動來實現(xiàn)虛擬場景漫游。虛擬數(shù)字圖書館提供三維圖書館的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，并實現(xiàn)了漫游圖書館的虛擬角色預(yù)定圖書館自習(xí)室座位的特色功能。行政管理信息系統(tǒng)為校園管理者提供可視化的管理解決方案，并對校園遠(yuǎn)景規(guī)劃提供決策支持。本文的研究內(nèi)容的特點主要有如下幾個方面：首先是在虛擬教學(xué)方面，詳細(xì)闡述如何利用強(qiáng)大的三維游戲引擎Unity，結(jié)合socket網(wǎng)絡(luò)通信，建立實時多人在線虛擬教室，使得用戶能遠(yuǎn)程接受如同身臨其境般的虛擬教學(xué)，相比于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育模式，本文設(shè)計的虛擬教學(xué)系統(tǒng)具有虛擬角色對應(yīng)、多人實時在線音視頻交流互動、遠(yuǎn)程提交批閱作業(yè)等沉浸式虛擬環(huán)境；其次，在虛擬實驗室設(shè)計上，特別是在基礎(chǔ)物理、化學(xué)、生物實驗方面，提供完全仿真過程的實驗系統(tǒng)，避免真實實驗過程中可能發(fā)生的有毒性、爆炸性等潛在安全風(fēng)險，同時能省去實驗器材、實驗藥品等的花費；在機(jī)械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過三維模型在虛擬空間的三維坐標(biāo)的控制實現(xiàn)裝配過程，節(jié)約了機(jī)械零部件成本，同時能給予用戶裝配流程指導(dǎo)；再次，在虛擬校園系統(tǒng)的實現(xiàn)上，充分考慮到現(xiàn)在校園用戶對移動終端的使用頻繁度，利用Unity引擎強(qiáng)大的跨平臺特性，發(fā)布多平臺的虛擬校園系統(tǒng)，特別是支持移動終端的虛擬校園系統(tǒng)，使得用戶能通過訪問移動互聯(lián)網(wǎng)方便的使用本系統(tǒng)提供的豐富的功能，既方便用戶隨時學(xué)習(xí)和使用，也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)和使用的趣味性和吸引力，對提高學(xué)生用戶的學(xué)習(xí)興趣有促進(jìn)作用。本系統(tǒng)設(shè)計思路框圖如圖1。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)功能圖

2 部分系統(tǒng)功能詳解

2.1 3D校園模型。為了逼真的表現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)所描繪的環(huán)境，可以給虛擬環(huán)境設(shè)置背景，加上地表與天空，建立的三維世界處于大地的中心，就如同自然界的大地和天空一樣，由于學(xué)校是小區(qū)域，而且實地地勢比較平坦，因而，本論文的地表模型建立為一個平面。在模型的構(gòu)建中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化，一個虛擬的校園系統(tǒng)還是比較大的，對模型充分的優(yōu)化可以最大化減小最后網(wǎng)絡(luò)文件的大小，利于用戶瀏覽?？臻g背景和空間本身都是無限大的，但是空間背景可以理解為包圍在空間周圍的一個球狀殼體，稱為空間背景球體。整個空間背景可以分為兩個部分：天空和地面，兩者之間以地平線分隔。設(shè)置背景是通過設(shè)定Background節(jié)點的各域的參數(shù)來實現(xiàn)的，可分為兩種設(shè)定方式，一種是通過顏色插值模擬大地和天空；一種是構(gòu)造背景的全景圖。在虛擬校園系統(tǒng)中采用了設(shè)置背景全景圖的方法，在天空模型的內(nèi)表面，用紋理映射產(chǎn)生全天候天空背景。

2.2 虛擬教學(xué)。虛擬教學(xué)是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬教學(xué)過程，將教學(xué)過程真實的展現(xiàn)出來，它不僅能夠彌補(bǔ)院校硬件設(shè)施的不足，打破傳統(tǒng)的說教的教學(xué)模式，而且虛擬現(xiàn)實的強(qiáng)大的畫面感會很大程度的提高學(xué)生上課的積極性，尤其是在一些實際操作性非常強(qiáng)的專業(yè)上，如導(dǎo)游、旅游、自動化、機(jī)械、動漫等專業(yè)，可以通過動畫模擬的形式將理論知識呈現(xiàn)出來。不僅如此，本系統(tǒng)同時還可以對學(xué)校的宣傳起到積極的推動作用，方便想了解學(xué)校的用戶在電腦上就能身臨其境的獲得更多的校園信息，使任何用戶只需一步就能“踏進(jìn)”校園參觀了解。

2.3 交互功能模塊。漫游是該虛擬校園系統(tǒng)的關(guān)鍵，人機(jī)交互部分的主要是利用鼠標(biāo)或者鍵盤等計算機(jī)輸入、輸出設(shè)備控制有關(guān)設(shè)備的運行和理解，并執(zhí)行通過人機(jī)交互設(shè)備傳來的有關(guān)的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學(xué)生、老師或者家長，所以其人機(jī)交互界面，必須以一般大眾（而非專家）為其用戶對象，以簡單直觀、方便快捷為目的。在本系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互包括GUI界面設(shè)計和漫游設(shè)計。用戶通過瀏覽器可以直接打開軟件，進(jìn)入使用界面，界面中可以呈現(xiàn)多種的漫游界面以供選擇，例如自動導(dǎo)航、手動導(dǎo)航燈。

基于虛擬校園的人機(jī)交互，它能使得用戶就像親身行走在校園之中。隨著天氣和時間的不同，校園中的光線等也隨之發(fā)生變化，對校園景貌進(jìn)行環(huán)視、俯視、仰視，使人感覺更真實。同時，用戶能夠由遠(yuǎn)及近的觀看校園中建筑物，熟悉校園環(huán)境。由于現(xiàn)在的虛擬校園都是從外觀進(jìn)行游覽，下一階段的目標(biāo)就是能夠讓用戶進(jìn)入教室里體驗。在人機(jī)交互時，視點會隨著輸入設(shè)備的運動而發(fā)生變化，這個過程會導(dǎo)致視點進(jìn)入地面下、飛出天空外和穿過建筑物或樹木、路燈等特征物，這樣就不夠完美，因此必須進(jìn)行實時漫游的碰撞測試。通過Vega中的相交矢量控制視點與碰撞檢測目標(biāo)的距離，減少了不必要的碰撞，提高系統(tǒng)性能和真實程度。

3 結(jié)束語

隨著計算機(jī)水平技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了各個領(lǐng)域中，與人們的生活、工作密不可分，其中虛擬校園是一個很重要的應(yīng)用。它采用虛擬物體和實景拍攝影音結(jié)合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，使用用戶能遠(yuǎn)程的通過單機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)訪問該系統(tǒng)，以虛擬漫游的形式感受正好校園風(fēng)貌。雖然現(xiàn)在虛擬校園技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段，但其發(fā)展前景不可估量。它現(xiàn)在正在不斷發(fā)展和完善，并且它對硬件設(shè)備的要求不高而且設(shè)備價格不斷降低，使得它逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞，因此它會在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：周超（1988-），男，湖北人，碩士，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實；胡明哲（1974-），男，湖北人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

作者單位：湖北大學(xué) 物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，武漢 430062；貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴陽 550025