天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 秦 凡 朱 澤 胡松花 段海龍

1.引言

目前國(guó)內(nèi)的虛擬校園建設(shè)大部分采取的是外景的漫游系統(tǒng),用戶(hù)利用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行漫游。具體的例如重慶郵電大學(xué)和天津科技大學(xué)的三維虛擬漫游、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的矢量圖漫游系統(tǒng)。但是目前的虛擬校園系統(tǒng)存在以下幾個(gè)缺陷：

（1）單一的漫游模式：目前無(wú)論是虛擬校園還是商業(yè)的漫游系統(tǒng)都存在用戶(hù)體驗(yàn)性單一的問(wèn)題。用戶(hù)只能利用前進(jìn),后退和水平方向的平移來(lái)進(jìn)行瀏覽，一旦漫游場(chǎng)景太大就會(huì)讓用戶(hù)覺(jué)得乏味，缺少了交互性和沉浸感。

（2）不夠理想的視覺(jué)效果：在大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的建設(shè)過(guò)程中，貼圖的改進(jìn)和優(yōu)化往往被忽略。真實(shí)性和用戶(hù)體驗(yàn)不夠好。

（3）沒(méi)有語(yǔ)音導(dǎo)航功能：在網(wǎng)絡(luò)上的虛擬校園中基本沒(méi)有出現(xiàn)帶有導(dǎo)航功能。在目前各大高校越來(lái)越大的新校區(qū)建設(shè)和復(fù)雜的路況信息情況下,對(duì)于虛擬導(dǎo)航的需求也提升到了用戶(hù)的需求層面。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目首先研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，以及其在虛擬校園漫游系統(tǒng)中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上基于幾何造型和圖像的建模技術(shù)完成整個(gè)虛擬校園系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和場(chǎng)景地景的建模。根據(jù)圖形學(xué)原理，建立校園內(nèi)建筑物的三維模型，并建立戶(hù)外草地、道路、樹(shù)木等虛擬景物。從本系統(tǒng)需求出發(fā)，我們選擇了利用3ds Max搭建模型，利用Unity3d搭建場(chǎng)景，利用Unity3d自帶的monodevelop編輯軟件，采用c#的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的編寫(xiě)，最后確立如何在虛擬建筑中漫游的方法和策略，最后以天職師大學(xué)校園為背景建立虛擬環(huán)境，以第一人稱(chēng)視角進(jìn)行虛擬校園漫游，使用者可通過(guò)模擬騎行來(lái)游覽校園，使用Socket強(qiáng)連接的通信方式，通過(guò)服務(wù)器myrio發(fā)送自行車(chē)的實(shí)時(shí)速度及角度的數(shù)據(jù)到客戶(hù)端unity上，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)漫游功能。（見(jiàn)圖1）。

圖1

3.上位機(jī)部分（unity3D）的實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

（1）信息采集

①通過(guò)查詢(xún)資料，得到了學(xué)校的CAD規(guī)劃平面圖，并根據(jù)CAD的圖例得到需要的信息，基本確定建筑物的布局。

②為了將校園環(huán)境中的建筑物、道路表現(xiàn)的更加真實(shí)，對(duì)具體對(duì)象用數(shù)碼相機(jī)拍攝清晰照片，并用Photoshop等軟件對(duì)照片進(jìn)行雜質(zhì)去除、大小調(diào)整、對(duì)比度、亮度等處理。

③為了虛擬模型中環(huán)境更加生動(dòng)逼真，在unity中制作了車(chē)輛、花草樹(shù)木等預(yù)制體。

④根據(jù)校園實(shí)景，對(duì)于學(xué)校的CAD規(guī)劃平面圖中不準(zhǔn)確的布局信息進(jìn)行修改優(yōu)化。

（2）模型構(gòu)建

模型構(gòu)建主要包括建筑物構(gòu)建與環(huán)境構(gòu)建。建筑構(gòu)建是包括校園里的地形、建筑物，以學(xué)校的CAD規(guī)劃平面圖作為數(shù)據(jù)參考，選擇合適的比例尺，在Unity3D中進(jìn)行地形和建筑物的構(gòu)建。環(huán)境部分主要包括花草樹(shù)木、路燈、車(chē)輛、涼亭及垃圾桶，這些在Unity3D中有自帶的多種模型可以選擇。在模型的構(gòu)建中需要注意的是各建筑物材質(zhì)球的制作及模型各面的優(yōu)化，貼圖除盡量真實(shí)外，還要注意與建筑物的大小相匹配，避免影響模型美觀與系統(tǒng)運(yùn)行速度。對(duì)模型比例尺的正確選擇，建筑物的合理布局可以減少最終文件的大小，利于存儲(chǔ)運(yùn)行及用戶(hù)的快速瀏覽。

3.2 建筑物的碰撞檢測(cè)與觸發(fā)檢測(cè)

①在Unity3D建模過(guò)程中，為了模擬真實(shí)環(huán)境中遇到障礙物時(shí)物體的本能反應(yīng)，我們需要做一些碰撞事件的處理，例如物體不能穿墻而過(guò)。在 Unity3d 中，能檢測(cè)碰撞發(fā)生的方式有兩種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。碰撞器是一群組件，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，碰撞器又分為多種，例如：Box Collider、Sphere Collider等。此外，碰撞器的使用需要加在游戲?qū)ο蟮纳砩?，并且它要與剛體一起添加到游戲?qū)ο笊喜拍苡|發(fā)碰撞。

②如果既要檢測(cè)到物體接觸又不想碰撞檢測(cè)影響物體移動(dòng)，則可用觸發(fā)器。觸發(fā)器只是碰撞體身上的一個(gè)屬性，即在檢視面板中的碰撞器組件中勾選IsTrigger屬性選擇框。

3.3 校園漫游與語(yǔ)音播放

為讓使用者更清晰地了解校園各建筑的結(jié)構(gòu)及其作用，同時(shí)增加漫游的趣味性，我們?yōu)楦鱾€(gè)建筑添加了AudioSource組件，將聲音資源添加到AudioSource中的AudioClip上面,并在Camera上添加了AudioListener組件。利用觸發(fā)檢測(cè)可以捕捉攝像機(jī)的動(dòng)作，我們?cè)O(shè)置當(dāng)攝像機(jī)進(jìn)入觸發(fā)范圍內(nèi)，語(yǔ)音播放，離開(kāi)觸發(fā)范圍，語(yǔ)音播放結(jié)束。

4.下位機(jī)myrio軟件設(shè)計(jì)

以下分別為myrio在labview中的編程結(jié)果，見(jiàn)圖2。

①角度計(jì)算：用myrio采集自行車(chē)的車(chē)把轉(zhuǎn)動(dòng)角度，用myrio接收到的滑動(dòng)變阻器兩端的電壓值，從而換算出對(duì)應(yīng)相對(duì)角度，每200ms采集一次，后一次角度值減前一次角度值即角度變化量。

②速度計(jì)算：用myrio采集自行車(chē)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。把小磁鐵固定在車(chē)輪上，小磁鐵通過(guò)霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，計(jì)算兩個(gè)連續(xù)脈沖的時(shí)間差，乘以磁鐵個(gè)數(shù)即車(chē)輪轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間，再依據(jù)公式v=2πr/t，計(jì)算出車(chē)輪實(shí)時(shí)速度。

圖2 Labview前面板程序

5.網(wǎng)絡(luò)通信

labview網(wǎng)絡(luò)通信的程序：該通信程序利用tcp協(xié)議，將下位機(jī)myrio計(jì)算出的速度值和角度值，利用WiFi傳給上位機(jī)unity使unity作出相應(yīng)動(dòng)作。見(jiàn)圖3。

圖3 tcp網(wǎng)絡(luò)通信程序

使用Socket強(qiáng)連接的通信方式，通過(guò)服務(wù)器labview發(fā)送自行車(chē)的實(shí)時(shí)速度及角度的數(shù)據(jù)到客戶(hù)端unity上，使用unity建立Socket客戶(hù)端去連接服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。Socket支持TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信。

6.系統(tǒng)性能測(cè)試與實(shí)例驗(yàn)證

以天職師大校園為模型，通過(guò)3D MAX三維建模和ps修圖等處理，在Unity3D上實(shí)現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)如圖所示，瀏覽者可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位瀏覽，而且也可以通過(guò)myrio傳送以騎行的方式漫游，還可以選擇不同視角進(jìn)行瀏覽。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

7.結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)虛擬校園作為虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)應(yīng)用，可以讓學(xué)生或家長(zhǎng)在虛擬環(huán)境下漫游學(xué)校，對(duì)校園有較直觀的了解。不用實(shí)際漫步整個(gè)校園就能對(duì)校園內(nèi)各個(gè)方位的建筑有較好的了解，虛擬的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景給人身臨其境的感覺(jué)，也為我們提供了便利。此外，在實(shí)際操作中通過(guò)模擬騎行自行車(chē)，體驗(yàn)穿梭于校園的真實(shí)感受，也能讓人體會(huì)到游戲的樂(lè)趣。

本項(xiàng)目的技術(shù)方案是首先進(jìn)行圖像的采集，接著完成模型的建立，然后用Unity3D完成場(chǎng)景的搭建，并實(shí)現(xiàn)功能的編寫(xiě)，最后用網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)建模與程序之間的通訊。虛擬校園項(xiàng)目的運(yùn)行載體為普通的計(jì)算機(jī)，大大降低了項(xiàng)目成本，并且在地點(diǎn)設(shè)置上也沒(méi)有確切的限制。

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)虛擬漫游系統(tǒng)是數(shù)字化校園建設(shè)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)三維可視化的，有聲有色的仿真校園景觀，該系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)數(shù)字校園的建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義