文/劉柱 李先毅 劉瑾

基于UNITY Web3D虛擬校園的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

文/劉柱 李先毅 劉瑾

三維虛擬校園目前已成為高校信息化建設(shè)的重點(diǎn)，成為展示高校信息化技術(shù)能力和形象的一個(gè)重要方式；三維虛擬校園是將計(jì)算機(jī)三維技術(shù)、環(huán)境建模技術(shù)、貼圖渲染技術(shù)、仿真技術(shù)和不斷發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，形成一種嶄新的信息交流方式。與傳統(tǒng)二維數(shù)字校園相比，能更真實(shí)地展現(xiàn)客觀世界；和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合后，使得瀏覽者能夠更加便捷的、真實(shí)的體驗(yàn)校園人文氣息和優(yōu)美的場景，可以不受時(shí)間、空間的約束來滿足用戶參觀、了解學(xué)校的需求，對于介紹和宣傳學(xué)校的歷史、文化等有著重要的意義；通過動(dòng)態(tài)交互產(chǎn)生身臨其境的感覺,可以用于改善教學(xué)科研手段，能夠?yàn)閺V大師生提供一個(gè)功能強(qiáng)大的溝通、互動(dòng)、分享的虛擬平臺(tái)，提高教學(xué)科研的效率和水平，對提高校園管理水平等也具有重要的實(shí)際意義。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開發(fā)平臺(tái)選擇Unity是由Unity Technologies開發(fā)的工具，能夠讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建諸多三維視頻游戲、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、建筑可視化等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面專業(yè)方便的游戲引擎。UNITY3D適合大型場景的制作，支持所有主要文件格式且對硬件要求不高，低端硬件亦可流暢運(yùn)行廣闊茂盛的植被場景；對DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，使得畫面效果優(yōu)異，擴(kuò)展空間高，并且提供了真實(shí)的高度完善的光影渲染以及柔和陰影與烘焙的系統(tǒng)。

圖形底層與邏輯架構(gòu)

3D底層使用微軟DirectX9.0c接口（簡稱DX9），兼容所有支持DX9.0c的硬件與操作系統(tǒng)?？梢垣@得更好的圖像顯示質(zhì)量與硬件兼容性，使項(xiàng)目具備硬件平臺(tái)伸縮性，以及更佳的畫面效果。

邏輯層面使用.net開發(fā)基于微軟運(yùn)行環(huán)境。主體使用C#開發(fā)，為保持在普通瀏覽器上的兼容性與透明性，涉及瀏覽器部分的功能使用JavaScript腳本，從根本上解決多瀏覽器兼容問題。

軟件結(jié)構(gòu)方案

為了最大限度發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)功能，節(jié)省硬件資源，該系統(tǒng)使用B/S+C/S結(jié)構(gòu)方案。在充分使用B/S架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過分布式后臺(tái)下載方式在客戶端機(jī)器建立有效緩存，實(shí)現(xiàn)半C/S結(jié)構(gòu)，有效減小服務(wù)器的負(fù)載。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對象建模

3D虛擬校園中建筑和場景模型的好壞，直接影響運(yùn)行的效果和用戶使用的逼真度。簡陋的模型會(huì)破壞視覺效果，高精度大數(shù)據(jù)量的模型會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行速度，因此能否制作出簡潔適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，決定作品畫面質(zhì)量的好壞。大連理工大學(xué)校園面積大、建筑物多、樹木景觀多，而對系統(tǒng)畫面效果要求極高，根據(jù)以上因素，在建筑建模時(shí)采用特殊技術(shù)并制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，盡量減低模型的數(shù)據(jù)量；花大量精力對貼圖進(jìn)行處理，減少貼圖的數(shù)量。同時(shí)利用法線貼圖和相關(guān)特效實(shí)現(xiàn)逼真的效果；樹木模型精選五種樹，通過對樹木形態(tài)改變完成對整個(gè)校園樹木的模擬，精細(xì)程度樹葉可見；人物雕塑模型一直是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型的難點(diǎn)，對該類模型的解決方式采取先捏塑簡單泥模，將其掃描進(jìn)電腦，之后進(jìn)行處理建模，這樣得到的模型兼顧了仿真度高、數(shù)據(jù)量小的要求。

場景效果實(shí)現(xiàn)

一直以來，虛擬現(xiàn)實(shí)作品的場景效果和系統(tǒng)的運(yùn)行速度一直是一對矛盾體，尤其網(wǎng)上應(yīng)用，大家一直在“痛苦”地取舍。結(jié)果多是為保證系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，犧牲畫面質(zhì)量，沒有完全達(dá)到仿真效果。為達(dá)到功能和畫質(zhì)的兼得，在制作過程中進(jìn)行了一些探索：

1.運(yùn)用多核支持技術(shù)

渲染引擎是面向多核處理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，有很多針對多核心系統(tǒng)的優(yōu)化，應(yīng)用了先進(jìn)的無鎖并行性技術(shù)，使引擎有更好的縮放性，并在不阻塞主渲染線程的情況下提供動(dòng)態(tài)加載更新場景的能力，使基于互聯(lián)網(wǎng)的高精度、大場景即時(shí)下載漫游和編輯功能成為現(xiàn)實(shí)。

2.延遲著色

延遲著色是一種針對3D場景進(jìn)行后期照明的技術(shù)。利用這種技術(shù)打破了以往渲染系統(tǒng)支持多重動(dòng)態(tài)光源時(shí)，效率和各種性能急劇下降的限制，從而使得在一個(gè)3D場景能夠支持上百上千動(dòng)態(tài)光源的效果。它的實(shí)現(xiàn)方法主要是將3D場景的幾何光照信息渲染到render targe上，把它們從三維世界空間轉(zhuǎn)變成屏幕的顏色空間，作為光照計(jì)算時(shí)的輸入，然后對每一個(gè)光源，使用這些信息輸入逐一進(jìn)行計(jì)算生成一幀，然后把這樣的一幀合成到結(jié)果的幀緩存上，當(dāng)遍歷完所有的光源后，計(jì)算就完畢了，幀緩存上的圖像就是最后的渲染結(jié)果。

圖1 天光效果

圖2 體積光效果

Unity3d引擎著色框架是基于DX10架構(gòu)的，64bit顏色抗鋸齒G-Buffer，提供更精確的顏色計(jì)算，并支持大量的實(shí)時(shí)光源，能提供逼真的建筑內(nèi)外光照效果。

3.真實(shí)的自然天光

一個(gè)真實(shí)的天空效果對渲染氣氛是十分重要的，渲染引擎基于地球任一點(diǎn)任意時(shí)間的大氣光學(xué)厚度對于不同波長光波的Rayleign和Mie散射的數(shù)學(xué)建模，可以提供真實(shí)的天光和光照效果，如圖1所示。

4.動(dòng)態(tài)軟陰影

獲得動(dòng)態(tài)樹陰影效果，Unity3D引擎采用先進(jìn)的多級(jí)PSSM ShadowMap投影方式和VSM的過濾算法，可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的精細(xì)的柔和陰影效果，并可以支持半透明的物體投影。

Shadow Mapping（陰影映射）是一種圖像空間的技術(shù)，它是在以光源位置作為視點(diǎn)的情況下渲染整個(gè)場景的深度信息，然后再使用這些深度信息去決定場景的哪一部分是處于陰影之中。它有鋸齒并且依賴緩沖技術(shù)。由于可以在保持幀率的情況下達(dá)到真實(shí)感光照和陰影效果，編輯器允許在場景中放置任意數(shù)目的靜態(tài)光源，它會(huì)為每個(gè)面預(yù)計(jì)算光流量和靜態(tài)陰影。

5.體積光

體積光是指大氣中漂浮的塵埃在光照情況引起的散射效果，比如像在暗屋子中從窗縫投進(jìn)的光柱效果，它給人一種莫名的厚重感和時(shí)間感，也是構(gòu)成真實(shí)畫面效果的不可或缺的一部分，如圖2所示。

6.景深

無論是人眼還是照相機(jī)這種光學(xué)系統(tǒng)，都有在聚焦平面處清晰，在遠(yuǎn)離聚焦平面越來越模糊的現(xiàn)象。所以景深是重要的一種鏡頭表達(dá)方式，系統(tǒng)使用屏幕空間的基于逐像素的多次高斯卷積濾波，可以模擬出人眼的這種效果，增加用戶身臨其境的感覺。同時(shí)主畫面以外的部分被虛化后，面數(shù)大大降低，可減少系統(tǒng)對資源的占用，有助于實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)的流暢運(yùn)行。如圖3所示，近景場景清晰而遠(yuǎn)景場景模糊。

圖3 景深效果

7.實(shí)時(shí)環(huán)境遮擋

假設(shè)在一個(gè)太陽光沒有直接照射到的一個(gè)桌面放上一個(gè)茶壺，那么雖然這里沒有直接光照但是在茶壺底部仍然能形成一圈暗影，這便是間接光照的影子，就是說茶壺減少了其他物體如墻面對于桌面的關(guān)系反射，這種間接陰影是構(gòu)成真實(shí)的全局光照的重要的一部分，沒有這種效果桌上的茶壺就會(huì)有漂浮感。采用改進(jìn)的基于DX9.0c的實(shí)時(shí)環(huán)境遮擋技術(shù)HDSSAO，可以帶來逼真的間接陰影效果。

8.次表面反射

不大幅增加模型數(shù)據(jù)量而實(shí)現(xiàn)模型的高度真實(shí)感，除前面提到的法線貼圖技術(shù)比較典型，也比較受關(guān)注的是玻璃反光，甚至往往是觀察的重點(diǎn)。運(yùn)用基于雙向次表面散射反射分布函數(shù)BSSRDF，對玻璃和其他不同的材質(zhì)建模表現(xiàn)出和逼真的表面效果。

圖4 不同角度的反射效果對比

9.移動(dòng)控制

第一人稱瀏覽時(shí)，可以控制的動(dòng)作。就是通過“wasd”或者上下左右鍵來控制移動(dòng)。首先新建一個(gè)JavaScript文件，這里命名為InputDetect吧，輸入下面的代碼：

#pragma strict

var Player : GameObject;

function Start () {}

function Update () {

Player = GameObject.Find("PlayerCube");

if(Input.GetKey(KeyCode.W)){

Debug.Log("Hit w");

Player.transform.Translate(Vector3.forward ＊ 2);

}else if(Input.GetKey(KeyCode.S)){

Debug.Log("Hit s");

Player.transform.Translate(Vector3.back ＊ 2);

}else if(Input.GetKey(KeyCode.A)){

Debug.Log("Hit a");

Player.transform.Translate(Vector3.left ＊ 2);

}else if(Input.GetKey(KeyCode.D)){

Debug.Log("Hit d");

Player.transform.Translate(Vector3.right ＊ 2);

}

}

這時(shí)，運(yùn)行這個(gè)系統(tǒng)，就可以通過“WASD”來控制移動(dòng)了。

系統(tǒng)的發(fā)布

最終系統(tǒng)是網(wǎng)上應(yīng)用的，考慮到用戶硬件的配置差異，提供從高到低四個(gè)版本，最低可支持集成顯卡，并在主頁面上制作對應(yīng)按鈕，清晰標(biāo)注每個(gè)版本對應(yīng)的配置需求，方便選擇瀏覽，并在演示頁面設(shè)置操作圖示。

為了能夠更真實(shí)地展現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場景，充分地利用Unity3D系統(tǒng)的插件，通過延遲著色、真實(shí)的自然天光、動(dòng)態(tài)軟陰影技術(shù)、實(shí)時(shí)環(huán)境遮擋技術(shù)、HDR動(dòng)態(tài)亮度適應(yīng)、景深技術(shù)等展現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的、柔和的場景，為訪問者提供了良好用戶體驗(yàn)度。通過腳本編程，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)控制，增加用戶體驗(yàn)度。

大連理工大學(xué)三維虛擬校園系統(tǒng)每個(gè)版本文件25M左右，運(yùn)行時(shí)占內(nèi)存400M；頁面打開迅速、運(yùn)行流暢；界面友好，操作便捷。畫面精美自然，給人以身臨其境的感覺。

（作者單位為大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息化中心）