摘 要：本文主要對3D校園模型、虛擬教學模塊和交互功能模塊這三個模塊進行了詳細的綜合性分析，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)絡校園。

關鍵詞：設計；網(wǎng)絡通信；虛擬校園

中圖分類號：TP391.9

1 虛擬校園總體設計

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、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對學校主要建筑、地形、景觀等進行建模，包括教學樓、實驗樓、圖書館、體育場館、行政樓、宿舍樓等主要標志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機控制組件等結合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定圖書館自習室座位的特色功能。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，并對校園遠景規(guī)劃提供決策支持。本文的研究內容的特點主要有如下幾個方面：首先是在虛擬教學方面，詳細闡述如何利用強大的三維游戲引擎Unity，結合socket網(wǎng)絡通信，建立實時多人在線虛擬教室，使得用戶能遠程接受如同身臨其境般的虛擬教學，相比于傳統(tǒng)的遠程教育模式，本文設計的虛擬教學系統(tǒng)具有虛擬角色對應、多人實時在線音視頻交流互動、遠程提交批閱作業(yè)等沉浸式虛擬環(huán)境；其次，在虛擬實驗室設計上，特別是在基礎物理、化學、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險，同時能省去實驗器材、實驗藥品等的花費；在機械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過三維模型在虛擬空間的三維坐標的控制實現(xiàn)裝配過程，節(jié)約了機械零部件成本，同時能給予用戶裝配流程指導；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，既方便用戶隨時學習和使用，也增強了學習和使用的趣味性和吸引力，對提高學生用戶的學習興趣有促進作用。本系統(tǒng)設計思路框圖如圖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。設置背景是通過設定Background節(jié)點的各域的參數(shù)來實現(xiàn)的，可分為兩種設定方式，一種是通過顏色插值模擬大地和天空；一種是構造背景的全景圖。在虛擬校園系統(tǒng)中采用了設置背景全景圖的方法，在天空模型的內表面，用紋理映射產(chǎn)生全天候天空背景。

2.2 虛擬教學。虛擬教學是利用虛擬現(xiàn)實技術來模擬教學過程，將教學過程真實的展現(xiàn)出來，它不僅能夠彌補院校硬件設施的不足，打破傳統(tǒng)的說教的教學模式，而且虛擬現(xiàn)實的強大的畫面感會很大程度的提高學生上課的積極性，尤其是在一些實際操作性非常強的專業(yè)上，如導游、旅游、自動化、機械、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)同時還可以對學校的宣傳起到積極的推動作用，方便想了解學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”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)的關鍵，人機交互部分的主要是利用鼠標或者鍵盤等計算機輸入、輸出設備控制有關設備的運行和理解，并執(zhí)行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學生、老師或者家長，所以其人機交互界面，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)中主要的人機交互包括GUI界面設計和漫游設計。用戶通過瀏覽器可以直接打開軟件，進入使用界面，界面中可以呈現(xiàn)多種的漫游界面以供選擇，例如自動導航、手動導航燈。

基于虛擬校園的人機交互，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，對校園景貌進行環(huán)視、俯視、仰視，使人感覺更真實。同時，用戶能夠由遠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行游覽，下一階段的目標就是能夠讓用戶進入教室里體驗。在人機交互時，視點會隨著輸入設備的運動而發(fā)生變化，這個過程會導致視點進入地面下、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 結束語

隨著計算機水平技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)被廣泛的應用到了各個領域中，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用。它采用虛擬物體和實景拍攝影音結合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，使用用戶能遠程的通過單機或者網(wǎng)絡訪問該系統(tǒng)，以虛擬漫游的形式感受正好校園風貌。雖然現(xiàn)在虛擬校園技術在國內的應用還處于起步階段，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，并且它對硬件設備的要求不高而且設備價格不斷降低，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領域廣泛應用并發(fā)揮其重要作用。

參考文獻：

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[2]李芙蓉，靳盼盼.基于ArcScene和3Dsmax虛擬校園的初步實現(xiàn)[J].計算機光盤軟件與應用，2013（04）：250-251.

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，碩士生導師。

作者單位：湖北大學 物理學與電子技術學院，武漢 430062；貴州大學 電子信息學院，貴陽 550025