張紹江

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

基于Unity虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

張紹江

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350）

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)性能的不斷提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，虛擬校園漫游系統(tǒng)就是其中之一，它讓學(xué)生足不出戶(hù)就能游覽校園全貌，感受校園文化，對(duì)學(xué)校的對(duì)外宣傳起到積極作用。文章使用Unity游戲引擎設(shè)計(jì)了一套虛擬校園漫游系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程和使用的關(guān)鍵技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬校園；漫游；Unity

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和Unity平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）是在綜合使用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等創(chuàng)設(shè)的一個(gè)以視覺(jué)感受為主，包括聽(tīng)覺(jué)等多種感受在內(nèi)的人工虛擬世界，并在這個(gè)虛擬世界中運(yùn)用多種交互手段給人一種多感官的刺激，是一種高級(jí)的人機(jī)交互系統(tǒng)[1]。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一個(gè)演示載體，還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，它以視覺(jué)為主要形式產(chǎn)生一個(gè)多維的信息空間，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有利的支持[2]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)性能的大幅提升，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事仿真已逐漸過(guò)渡到文物保護(hù)、交通模擬、城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、游戲開(kāi)發(fā)、教育教學(xué)等諸多領(lǐng)域，并取得了巨大的發(fā)展。其中虛擬校園漫游系統(tǒng)就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園景觀展示方面的應(yīng)用。

Unity是一款跨平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)引擎，主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑可視化、三維視頻游戲等互動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。其主要特點(diǎn)是入門(mén)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，可同時(shí)運(yùn)行在windows和Mac OS操作系統(tǒng)下，支持C#、JavaScript、Boo三種腳本語(yǔ)言，其成品可發(fā)布至windows、Mac、Android等多種平臺(tái)。

二、虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程

按照虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一般流程，可以將虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程分為素材的收集與整理、三維場(chǎng)景的建立與優(yōu)化及系統(tǒng)交互的開(kāi)發(fā)4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 虛擬校園漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程圖

素材的收集與整理為三維場(chǎng)景的建立提供校園內(nèi)部建筑、場(chǎng)地、道路等尺寸數(shù)據(jù)和外觀圖像素材；三維場(chǎng)景建立后要優(yōu)化并導(dǎo)入到Unity中進(jìn)行使用；最后在Unity中進(jìn)行系統(tǒng)交互的開(kāi)發(fā)。

三、虛擬校園漫游系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

（一）三維場(chǎng)景建模技術(shù)

在三維場(chǎng)景的建立過(guò)程中，校園中的地面、建筑等主要使用3DS MAX軟件來(lái)完成。先通過(guò)丈量好的尺寸數(shù)據(jù)或施工圖紙繪出建筑外觀輪廓線，再制作建筑物外墻，然后通過(guò)布爾運(yùn)算和對(duì)多邊形中的頂點(diǎn)、邊、面和元素進(jìn)行修改，完成建筑模型的建立。最后，將處理好的建筑外觀圖像作為建筑模型的貼圖進(jìn)行應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 使用3DS MAX進(jìn)行建筑建模圖

在3DS MAX中建立的三維模型需要導(dǎo)出到Unity中進(jìn)行使用。常用的方法是在3DSMAX中將文件導(dǎo)出為.FBX文件，連同貼圖一同放置到Unity的資源文件夾中。打開(kāi)Unity后，即可自動(dòng)加載，供開(kāi)發(fā)人員使用。

對(duì)于天空盒的建立，Unity中提供了一個(gè)設(shè)置選項(xiàng)，可以方便地使用Unity中默認(rèn)的天空盒資源，或者自定義5張可無(wú)縫連接圖片進(jìn)行天空盒的設(shè)置。

（二）三維場(chǎng)景的優(yōu)化技術(shù)

三維場(chǎng)景中面數(shù)的多少直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的效率，因此要盡量降低模型的面數(shù)，以達(dá)到系統(tǒng)流暢運(yùn)行的目的[3]。

1.三維建筑的優(yōu)化

一是將漫游過(guò)程中看不到的面降低其復(fù)雜程度，使用一個(gè)平面來(lái)代替；二是使用紋理貼圖技術(shù)，將面數(shù)較多的外墻文字、門(mén)窗部分的模型，復(fù)雜的光影效果等元素進(jìn)行先期渲染，然后作為虛擬校園中建筑的貼圖使用，以達(dá)到減少面數(shù)的目的。

2.樹(shù)木、路燈、隔離墩等場(chǎng)景元素的優(yōu)化

在校園場(chǎng)景中，離不開(kāi)樹(shù)木、隔離墩、垃圾桶等場(chǎng)景元素，數(shù)量多且不是重點(diǎn)?？墒褂肈oubleBoarding（交叉板）技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即使用兩個(gè)互相垂直且中心交叉的平面，并為其添加樹(shù)木、隔離墩等場(chǎng)景元素的透明紋理。

3.實(shí)時(shí)交互技術(shù)

系統(tǒng)交互主要在Unity中開(kāi)發(fā)。虛擬校園漫游系統(tǒng)中的交互主要是鍵盤(pán)與鼠標(biāo)的交互，通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的控制改變場(chǎng)景中漫游視角的瀏覽位置與角度，主要使用C#腳本語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如向前移動(dòng)的交互代碼為：

此外，GUI也是虛擬校園漫游系統(tǒng)的主要交互方式，負(fù)責(zé)系統(tǒng)漫游方式的選擇、系統(tǒng)的幫助和退出。例如，創(chuàng)建“自動(dòng)漫游”功能按鈕的代碼如下：

4.碰撞檢測(cè)技術(shù)

碰撞檢測(cè)是虛擬現(xiàn)實(shí)中一項(xiàng)重要技術(shù)，是基于現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)普遍存在的事實(shí)：兩個(gè)不可穿透的對(duì)象不能共享相同的空間區(qū)域[4]。碰撞檢測(cè)技術(shù)的主要目的是檢測(cè)兩個(gè)物體之間是否發(fā)生了碰撞，如果發(fā)生碰撞將如何進(jìn)行處理。好的碰撞檢測(cè)要求物體在場(chǎng)景中可以平滑移動(dòng)[5]。在Unity中，內(nèi)置了盒形碰撞器、球體碰撞器、膠囊碰撞器、網(wǎng)格碰撞器等來(lái)實(shí)現(xiàn)物體之間的碰撞檢測(cè)。用于進(jìn)行碰撞檢測(cè)的函數(shù)有：

MonoBehaviour.OnCollisionEnter(Collision colli sionInfo)、

MonoBehaviour.OnCollisionExit(Collision collision Info)、

MonoBehaviour.OnCollisionStay(Collision collision Info)，分別表示當(dāng)進(jìn)入碰撞器、退出碰撞器和逗留碰撞器時(shí)所觸發(fā)的函數(shù)。

四、虛擬校園漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)的總體規(guī)劃與功能設(shè)計(jì)

虛擬校園漫游系統(tǒng)一般是在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上展示學(xué)校整體面貌的系統(tǒng)，為使用戶(hù)能夠直觀獲取校園的外觀特征，校園中的建筑、場(chǎng)地等都真實(shí)重現(xiàn)，并且用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)自主控制觀看角度。虛擬校園漫游系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.漫游功能

系統(tǒng)的漫游功能包含自動(dòng)漫游與交互式漫游兩種方式。自動(dòng)漫游是指漫游路徑已固定的方式，在該方式下瀏覽視角將按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，用戶(hù)不能改變其狀態(tài)。交互式漫游是用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等交互方式控制瀏覽視角與位置的方式，這種方式需要用戶(hù)手動(dòng)控制，靈活性更強(qiáng)。

2.GUI功能

系統(tǒng)提供操作方便的GUI用戶(hù)界面，用于控制手動(dòng)漫游與交互式漫游之間的相互切換，以及幫助、退出系統(tǒng)等功能。

（二）系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

1.自動(dòng)漫游功能的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)漫游功能是按照預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行的漫游，可以通過(guò)為顯示漫游瀏覽內(nèi)容的主攝像機(jī)（以后稱(chēng)為“漫游攝像機(jī)”）設(shè)定動(dòng)畫(huà)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這需要在Animation（動(dòng)畫(huà)）面板中為漫游攝像機(jī)設(shè)置關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)，如圖3所示。

圖3 為漫游攝像機(jī)設(shè)置關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)圖

2.交互式漫游功能的實(shí)現(xiàn)

由于交互式漫游功能是用戶(hù)控制漫游攝像機(jī)進(jìn)行瀏覽的方式，整個(gè)漫游的路徑受用戶(hù)控制，為避免漫游攝像機(jī)與建筑、樹(shù)木等碰撞后“穿入”其內(nèi)部的情況，需要為場(chǎng)景中的物體添加碰撞器，進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

交互式漫游使用Unity中的第一人稱(chēng)角色控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，給人以強(qiáng)烈的沉浸感。在實(shí)現(xiàn)上使用一個(gè)名稱(chēng)為“First Person Controller”的物體作為用戶(hù)操作的對(duì)象，同時(shí)添加“Character Controller”這一角色控制組件和Mouse Look、Character Motor、FPSInput Controller三個(gè)C#腳本組件，即可實(shí)現(xiàn)交互式漫游功能。

3.GUI界面的實(shí)現(xiàn)

GUI界面主要用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)漫游與交互式漫游之間的切換、打開(kāi)幫助和退出系統(tǒng)等功能，以界面功能按鈕為主。例如，由手動(dòng)漫游向交互式漫游進(jìn)行切換時(shí)，用戶(hù)只需使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“交互式漫游”按鈕，然后系統(tǒng)將關(guān)閉自動(dòng)漫游攝像機(jī)，打開(kāi)交互漫游攝像機(jī)，完成功能的轉(zhuǎn)換。具體程序如下：

void OnGUI(){

if(GUI.Button(newRect(400,560,100,50),"交互式漫游")){

其他功能按鈕使用同樣的方法進(jìn)行創(chuàng)建，并為其添加被點(diǎn)擊時(shí)所執(zhí)行的語(yǔ)句。完成后的效果，如圖4所示。

圖4 GUI界面功能按鈕圖

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)獲取知識(shí)信息的新途徑。虛擬校園漫游系統(tǒng)是使用Unity進(jìn)行開(kāi)發(fā)的能夠在瀏覽器上使用的校園展示系統(tǒng)，它為學(xué)生及其家長(zhǎng)提供了一個(gè)了解學(xué)校的平臺(tái)，對(duì)學(xué)校的對(duì)外宣傳起到了積極的作用。

[1]石教英．虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及實(shí)用算法[M]．北京：科學(xué)出版社，2002：1-3．

[2]Steven M．Drucker，David Zeltzer．Intelligent Camera Control in a Virtual Environment[J]．USA：Computing&Electronic Books，1998，34-57．

[3]賈民政，劉書(shū)香．3ds Max中低多邊形模型的創(chuàng)建方法研究．北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)[J]，2012 (7)：36-39．

[4]王祎.虛擬現(xiàn)實(shí)中碰撞檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．吉林：吉林大學(xué)，2009．

[5]王樹(shù)斌．淺析Unity3d開(kāi)發(fā)游戲流程及常用技術(shù)[J]．電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8(22)：5351-5352．

編輯 朱榮華

G712

A

2095-8528（2014）02-065-03

2014-07-03

張紹江（1980-），男，天津市人，碩士，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)系講師，研究方向?yàn)橛耙晞?dòng)畫(huà)與虛擬現(xiàn)實(shí)。