郭圣，胡輝煌，李軍

（湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410081）

0 引言

隨著近些年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展其三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維電子地圖技術(shù)等多個領(lǐng)域也逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。本文是以“湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院”為案例而設(shè)計(jì)出的一款基于PC 端Unity3D 平臺開發(fā)的“智慧校園”應(yīng)用系統(tǒng)。用戶可以選擇不同視角在三維校園地圖中體驗(yàn)三維漫游和情景交互功能。本系統(tǒng)將結(jié)合時下流行的VR 技術(shù)將學(xué)校以三維的形式展示校園真實(shí)場景來增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，從而達(dá)到學(xué)校宣傳的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

“智慧校園系統(tǒng)”的功能框架，如圖1 所示，本系統(tǒng)由三大模塊組成：

第一部分是最為核心的功能——尋址功能，系統(tǒng)將用戶選取的校園輸入地點(diǎn)作為起始地點(diǎn)，然后再由用戶選擇終點(diǎn)位置，點(diǎn)擊查詢后本系統(tǒng)將利用Unity3D中Navigation 組件（該組件使用網(wǎng)格算法實(shí)現(xiàn)）的來計(jì)算起點(diǎn)與終點(diǎn)間的最短路徑，并由尋路機(jī)器人帶領(lǐng)用戶前往目的地；

第二部分是查詢功能：包括查詢校園歷史、校園榮譽(yù)、校園開展的專業(yè)、校園景點(diǎn)用戶點(diǎn)擊菜單中的校園簡介，可以查詢到湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院的歷史，開展的專業(yè)，所獲得的榮譽(yù)等信息；校園景點(diǎn)信息查詢，用戶可以通過景點(diǎn)名稱查詢到與之對應(yīng)的景點(diǎn)或者建筑物的相關(guān)圖片以及文字介紹信息，還可以通過點(diǎn)擊對應(yīng)的景點(diǎn)跳轉(zhuǎn)按鈕，將視角切換至三維地中對應(yīng)的景點(diǎn)的位置。

第三部分是附加功能：附加功能主要具體包括系統(tǒng)退出功能、小地圖顯示功能和背景音樂調(diào)節(jié)功能等。

退出功能：將系統(tǒng)打包成PC 端后，提供退出功能；

小地圖顯示功能：在地圖的右上方添加一個小地圖，讓用戶在操作界面中也能清楚的知道自己當(dāng)前所在位置；

背景音樂調(diào)節(jié)功能：當(dāng)用戶走進(jìn)校園的樹林中可以聽到鳥兒清脆的聲音，在湖邊也聽到潺潺的流水聲，在校園其他地方漫游可以聽到動人的背景音樂；使其虛擬校園世界更加真實(shí)有趣。

圖1 智慧校園系統(tǒng)的功能框架圖

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 界面設(shè)計(jì)

“智慧校園系統(tǒng)”界面設(shè)計(jì)框架，如圖2 所示。主要功能為“最短路徑查詢”（最短路徑計(jì)算并顯示），“學(xué)校簡介”（對學(xué)校信息，專業(yè)，師資力量，所獲榮譽(yù)等進(jìn)行介紹），“景點(diǎn)簡介”（對校園的景點(diǎn)以及建筑物進(jìn)行介紹），退出（退出系統(tǒng)），“背景音樂調(diào)節(jié)”（對背景音樂進(jìn)行調(diào)節(jié)），“小地圖”（顯示學(xué)校平面圖）?！爸腔坌@系統(tǒng)”界面設(shè)計(jì)框架，如圖2 所示。主要功能為“最短路徑查詢”（最短路徑計(jì)算并顯示），“學(xué)校簡介”（對學(xué)校信息，專業(yè)，師資力量，所獲榮譽(yù)等進(jìn)行介紹），“景點(diǎn)簡介”（對校園的景點(diǎn)以及建筑物進(jìn)行介紹），退出（退出系統(tǒng)），“背景音樂調(diào)節(jié)”（對背景音樂進(jìn)行調(diào)節(jié)），“小地圖”（顯示學(xué)校平面圖）。

圖2 智慧校園系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)框架圖

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 尋址功能實(shí)現(xiàn)

Navigation 簡介：Navigation 是 Unity3D 提供的導(dǎo)航的組件，可以對地圖進(jìn)行烘培，顯示可以行走的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)路徑尋址的功能。

NavMesh（導(dǎo)航網(wǎng)格）是3D 虛擬世界中用于實(shí)現(xiàn)動態(tài)物體自動尋址的一種技術(shù)，將場景中的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組織關(guān)系簡化帶有一定信息的網(wǎng)格，在這些網(wǎng)格的基礎(chǔ)上通過一系列的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)自動尋路。

（1）在unity 的InSpector 面板中將要參與網(wǎng)格導(dǎo)航的物體上勾選Navigation Static 選項(xiàng)。

（2）打開網(wǎng)格尋路的面板（Window->Navigation）選擇調(diào)整的烘培半徑（Agent Radius）、角色可以通過高度（Agent Height）等參數(shù)，然后進(jìn)行地形的烘培。

（3）在尋路 NPC 上添加尋路組件（Nav Mesh agent）。

（4）創(chuàng)建一個校園建筑物名稱與坐標(biāo)的關(guān)系哈希表（Hashtable），作為映射表

（5）編寫控制NPC 尋路和人機(jī)交互的交互C#腳本，定義獲取用戶輸入終點(diǎn)的下拉菜單，根據(jù)獲取下拉菜單輸入的建筑物名稱，根據(jù)獲取用戶輸入的信息查看Hashtable 得到該建筑物的三維坐標(biāo)，使用Nav Mesh agent 組件中的SetDestination（終點(diǎn)的三維坐標(biāo)）方法進(jìn)行尋址，該方法參數(shù)接收一個三維坐標(biāo)，并移動掛載了的該尋路組件的NPC 進(jìn)行移動尋址；尋址結(jié)束為判斷當(dāng)前尋址物體與終點(diǎn)坐標(biāo)的距離小于1f，使用Unity 中 Vector3.Distance（Vector3，Vector3）判斷尋址機(jī)器人是否到達(dá)目的地，當(dāng)函數(shù)返回值小于1f 認(rèn)定以到達(dá)目的，大于1f 繼續(xù)尋址，實(shí)現(xiàn)該功能的代碼請查看附件。

2.2.2 校園簡介實(shí)現(xiàn)

編寫了 ShoolHistory（）、ShoolHonor（）、SchoolMajor（）三個方法分別用來綁定校園歷史、校園榮譽(yù)、開設(shè)專業(yè)的Button 控件，獲取一個text 控件來輸出對校園信息的文字描述（Text.text=“文字描述”）。

2.2.3 景點(diǎn)簡介實(shí)現(xiàn)

（1）創(chuàng)建獲取用戶的輸入名稱的下拉菜單（Drop?Down）。

（2）創(chuàng)建輸出圖片、文字信息的UGUI 控件Image和Text。

（3）根據(jù)用戶輸入，輸出對應(yīng)的信息，使用unity 中提供的動態(tài)加載圖片的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

2.2.4 音樂模塊功能實(shí)現(xiàn)

（1）在第一人稱視角的膠囊體上添加Audio Listen?er 組件（類似與現(xiàn)實(shí)中的耳朵），用于收聽虛擬校園中的聲音。

（2）在地圖中有樹和湖的地方添加碰撞器，在這些碰撞器上添加Audio Source 組件（用于播放音樂）。

（3）編寫控制音樂播放的C#腳本：第一步獲取碰撞器上的Audio Source 組件，使用觸發(fā)檢測函數(shù)On?CollisionEnter（）、OnCollisionExit（）來實(shí)現(xiàn)不同場景的音樂播放，當(dāng)用戶進(jìn)入碰撞器的范圍OnCollisionEnter（）方法自動執(zhí)行，在該函數(shù)中寫入播放音樂的方法Au?dio Source.PlayOneShot（“音樂片段名”），當(dāng)用戶離開碰撞器的范圍OnCollisionExit（）方法自動執(zhí)行，這時在該方法中寫播放背景音樂的，這樣就實(shí)現(xiàn)音樂模塊的功能。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

在系統(tǒng)中按下“Z”快捷鍵調(diào)出菜單界面，其菜單界面由六部分組成，具體包括學(xué)院簡介、景點(diǎn)簡介、路徑查詢、課程推薦、聲音調(diào)節(jié)、退出系統(tǒng)六個部分；菜單界面內(nèi)容顯示如圖3 所示。我們將介紹的導(dǎo)航程序位于路徑查詢模塊中，選擇路徑查詢選項(xiàng)并進(jìn)入路徑查詢界面如圖4 所示。

圖3 菜單界面

圖4 路徑查詢界面

進(jìn)入路徑查詢界面后，先點(diǎn)擊“起點(diǎn)”的下拉菜單來選擇初始出發(fā)地點(diǎn)，然后點(diǎn)擊“終點(diǎn)”的下拉菜單來選擇你的目的地接著點(diǎn)擊查詢按鈕，如圖5 所示。程序?qū)⒃诤笈_開始執(zhí)行路徑查詢操作，當(dāng)路徑計(jì)算完畢之后將在人物前方調(diào)出一個尋路機(jī)器人，用戶只需跟隨機(jī)器人即可到達(dá)目的地，如圖6 所示，自此尋路完成。

圖5 導(dǎo)航地點(diǎn)選擇

圖6 尋路機(jī)器人

4 程序測試

本文給出了基于選擇思想的不改變數(shù)據(jù)的原始位置而對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序的算法并利用C#語言編程實(shí)現(xiàn)了該算法的動態(tài)演示，該算法可用于解決實(shí)際工作中的一些相關(guān)問題，具有一定的實(shí)際意義。用C#語言實(shí)現(xiàn)的動態(tài)演示程序則有助于讀者更好地理解和把握該算法的基本思想和實(shí)現(xiàn)過程。

攝像機(jī)可視范圍參數(shù)調(diào)節(jié)對場景影響結(jié)果如表1所示。

表1 攝像機(jī)可視范圍參數(shù)對場景的影響結(jié)果

從表1 可以清晰看出，通過對攝像機(jī)可視范圍參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)Graphcs<40 時畫面就會出現(xiàn)掉幀，卡頓的現(xiàn)象，攝像機(jī)可視范圍過大容易導(dǎo)致幀數(shù)過低，從而造成畫面卡頓；而攝像機(jī)可視范圍過于小則會導(dǎo)致用戶體驗(yàn)差，場景模糊等問題。為了使其畫面的清晰與操作流暢，綜上考慮選取攝像機(jī)可視范圍的參數(shù)為200，此時能夠在幀數(shù)與場景清晰度達(dá)到較好的平衡。

5 結(jié)語

“虛擬校園漫游系統(tǒng)”主要實(shí)現(xiàn)了校園導(dǎo)航、路徑查詢、場景漫游、小地圖、登錄、注冊等功能。系統(tǒng)的界面簡潔明了，操作便捷。在建模方面主要是把校園環(huán)境、教學(xué)樓、宿舍樓、圖書館、體育館等主要建筑進(jìn)行了細(xì)致的建模，使其通過三維立體的方式呈現(xiàn)出來。真實(shí)的校園模型不僅有利于教師和學(xué)生進(jìn)一步了解學(xué)校，還能在無形之中提升學(xué)校魅力，尤其在學(xué)校宣傳、招生和展示學(xué)校風(fēng)貌等方面有著積極作用。當(dāng)然我們對于校園的三維模型建設(shè)方面還存在很大的優(yōu)化空間，對于體驗(yàn)感的提升還可以考慮采用更加精細(xì)的校園模及逼真的貼圖紋理去實(shí)現(xiàn)。