虛擬3D校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車月琴，張瑞芳，呂米佳

(1.廣州城市職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510405;

2.廣州城市職業(yè)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)系，廣東 廣州 510405)

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虛擬3D校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車月琴1，張瑞芳1，呂米佳3

(1.廣州城市職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510405;

2.廣州城市職業(yè)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)系，廣東 廣州 510405)

摘要：隨著高校擴(kuò)建以及招生宣傳的競爭，集成校園導(dǎo)航、景觀展示、招生宣傳、校園信息化管理的新一代三維虛擬校園系統(tǒng)成為大勢所趨。文章結(jié)合廣州城市職業(yè)學(xué)院的實(shí)際，基于Unity3D平臺(tái)，采用3DMAX為場景建模工具，通過java script和C#語言實(shí)現(xiàn)交互，最后與Html的整合完成集成虛擬校園的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：虛擬校園系統(tǒng)；Unity 3D；場景建模；招生宣傳

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，校園信息化建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展，虛擬校園作為校園信息化建設(shè)的重要組成部分，成為了發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)的虛擬校園是建立在二維平面地圖和影像地圖的基礎(chǔ)上，無法滿足學(xué)校對外招生宣傳、校園導(dǎo)航、信息化管理等的多元化功能需求[1]。三維虛擬校園比二維平面直觀形象，更逼近真實(shí)的校園場景，從而受到各大院校的熱捧。另外三維虛擬校園還具有智能化的查詢功能和管理后臺(tái)功能，是虛擬校園建設(shè)的革命性突破。

本文將從招生宣傳的角度出發(fā)，從需求分析，關(guān)鍵技術(shù)介紹，制作軟件介紹，系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)流程，實(shí)際設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行闡述說明。

二、需求分析

依據(jù)廣州城市職業(yè)學(xué)院的實(shí)際情況，結(jié)合招生宣傳的目的，設(shè)計(jì)基于招生宣傳的虛擬3D校園系統(tǒng)。

(一)總體需求

對于了解一個(gè)學(xué)校，首先要了解它的全貌，因此虛擬3D校園的功能需求首要是校園3D虛擬瀏覽。要做到這一點(diǎn)要求是校內(nèi)、外用戶均可以通過互聯(lián)網(wǎng)對學(xué)校各校區(qū)進(jìn)行三維的虛擬瀏覽，包括的功能如下：

1.校園3D在線同步漫游。通過漫游，了解整個(gè)校園的全貌。

2.校園2D地圖同步漫游。通過地圖，直觀了解校園各建筑物的地理位置。

3.校內(nèi)樓宇、景觀等的語音與網(wǎng)頁介紹。通過交互技術(shù)，介紹校園的樓宇景觀。

4.樓內(nèi)實(shí)景360度展示。這里表現(xiàn)在可以通過用鼠標(biāo)點(diǎn)擊指向左邊的箭頭，或是指向右的箭頭進(jìn)行瀏覽，在瀏覽的過程中用戶以該點(diǎn)為圓心旋轉(zhuǎn)360度觀看四周的校園景觀。

另外，對于建筑物，如果能夠在建筑物的位置處進(jìn)行標(biāo)注，并顯示建筑物的名字及其相關(guān)信息等數(shù)據(jù)，這樣瀏覽者對校園內(nèi)的建筑有一個(gè)更深入的了解。

(二)地圖的切換

目前廣州城市職業(yè)學(xué)院擁有五個(gè)校區(qū)，即廣園南校區(qū)、廣園北校區(qū)、海珠校區(qū)、濱江校區(qū)及越秀校區(qū)5個(gè)校區(qū)。如果想要瀏覽各個(gè)校區(qū)的景觀就應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)地圖的切換功能。但是在實(shí)現(xiàn)切換時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，在之前的地圖之上顯示的所有的信息應(yīng)當(dāng)全部消失。

(三)地圖放大縮小功能

瀏覽者只需從地圖上點(diǎn)擊放大、縮小的功能鍵即可實(shí)現(xiàn)地圖的放大與縮小。但是需要注意的是在用戶對地圖的放大與縮小操作時(shí)，地圖上的與特定地理位置相關(guān)聯(lián)的信息，如建筑物的名稱等也應(yīng)當(dāng)發(fā)生相應(yīng)的變化，否則會(huì)給用戶的瀏覽帶來不便，從而造成誤區(qū)。

(四)地圖的漫游

用戶可以通過地圖漫游實(shí)現(xiàn)地圖顯示區(qū)域的切換。有以下兩種方式的漫游：

1.地圖的拖動(dòng)：當(dāng)用戶點(diǎn)下鼠標(biāo)左鍵后，隨意拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，地圖的顯示區(qū)域及位置便隨著鼠標(biāo)的拖動(dòng)而發(fā)生變化，當(dāng)放開鼠標(biāo)左鍵時(shí)，地圖的位置固定不便。

2.點(diǎn)擊功能鍵：在這種漫游方式中，用戶通過點(diǎn)擊屏幕上的上、下、左、右功能鍵實(shí)現(xiàn)地圖的向上或是向下移動(dòng)，向左或是向右移動(dòng)。

在實(shí)現(xiàn)漫游功能時(shí)，要注意地圖的邊界，當(dāng)?shù)貓D的邊界與可視界面的邊界重合以后應(yīng)禁止瀏覽者繼續(xù)將地圖向重合邊界的相反方向繼續(xù)移動(dòng)，也就是碰撞檢測技術(shù)的應(yīng)用。

(五)支持移動(dòng)版的查看

三維虛擬校園系統(tǒng)應(yīng)該支持iPhone、iPad、Android等移動(dòng)終端設(shè)備訪問，可以通過移動(dòng)終端拖動(dòng)、放大、縮小地圖，點(diǎn)擊興趣點(diǎn)查看詳細(xì)信息。

三、關(guān)鍵技術(shù)與主要開發(fā)工具

(一)關(guān)鍵技術(shù)

1.碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是防止在遇到墻壁或者其他障礙物時(shí)，使用者在場景中穿墻而入或穿過障礙物等的奇怪行為。Unity3D提供了Mesh Collider碰撞檢測組件，該組件可以有效計(jì)算模型表面的網(wǎng)格自動(dòng)生成碰撞面[2]，從而避免碰撞。

2.場景建模技術(shù)

建模是根據(jù)前期的造型設(shè)計(jì)，通過3D MAX或者其他建模軟件繪制出校園物體的三維模型。需要建模的物體有很多，包括教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、圖書館，校道、校園樹木等，而且模型的創(chuàng)建也要經(jīng)過建模、材質(zhì)和貼圖、燈光、渲染等一系列步驟，因此場景建模是一個(gè)細(xì)致而繁重的過程[3]。

3.漫游交互技術(shù)

Unity 3D引擎中的交互功能是通過對游戲物體編寫控制腳本來實(shí)現(xiàn)的。Unity 3D同時(shí)支持JavaScript、C#和Boo 三種腳本語言，而且Unity 引擎還支持在同一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)使用多種腳本語言來進(jìn)行腳本的編寫[4]。

(二)開發(fā)工具

1.Unity 3D

Unity 3D是輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，有直觀的編輯環(huán)境，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎和三維建筑的平臺(tái)[5]。Unity 3D性價(jià)比高，可以發(fā)布成網(wǎng)頁瀏覽的方式，用戶不用下載客戶端，便可直接體驗(yàn)。Unity 3D支持各種腳本語言包括Java script、C#、Python，兼容各種操作系統(tǒng)，真正的實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)[6]。

本論文中主要用Unity 3D整合三維模型，最終合成輸出網(wǎng)頁版的3D虛擬校園系統(tǒng)。

2.3D MAX

3D Studio Max，常簡稱為3D Max或MAX，是Discreet公司開發(fā)的(后被Autodesk公司合并)基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件[7]。

用于場景可視化建模的軟件主要有3DMAX、MultigenCreator、VRmap等，通過對不同建模軟件所完成的作品進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：在精細(xì)程度方面，3DMAX的精細(xì)度最好；MultiGenCreator善于對大場景地理環(huán)境進(jìn)行可視化再現(xiàn)及瀏覽，操作簡單；Creator比較適用于大型建筑物的仿真開發(fā)與應(yīng)用。因此，3DMAX建模軟件較適合對中、小區(qū)域進(jìn)行三維可視化[8]。

3D MAX常用的建模技術(shù)有基本幾何體建模、二維圖形建模、擠壓建模、車削建模、放樣建模、多邊形建模等技術(shù)6，結(jié)合不同的對象的特效需要選擇合適的建模技術(shù)。例如，像樓房建筑的模型主要采用標(biāo)準(zhǔn)的長方體或圓柱體等標(biāo)準(zhǔn)幾何體實(shí)現(xiàn)，必要時(shí)可以使用紋理技術(shù)修改完善，平坦地面建模主要利用平面建模工具實(shí)現(xiàn)對象模型的建立，起伏地面的建?？山Y(jié)合二維圖像建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

四、虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)流程[9]

攝影圖片地理數(shù)據(jù)信息采集數(shù)據(jù)預(yù)處理建筑物CAD場景繪制3DMAX構(gòu)造復(fù)雜模型導(dǎo)出復(fù)雜模型優(yōu)化場景模型在Unity3D編輯器中組合優(yōu)化模型交互功能設(shè)計(jì)場景渲染腳本優(yōu)化構(gòu)建多平臺(tái)虛擬校園系統(tǒng)的發(fā)布

圖1虛擬校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)流程

虛擬3D校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，首先收集攝影圖片、衛(wèi)星地圖、CAD電子圖等，然后利用虛擬場景，軟件建模，并在Unity 3D編輯器中組合優(yōu)化模型，同時(shí)增加交互功能，并重新對場景等進(jìn)行優(yōu)化，最終合成不同平臺(tái)的虛擬校園，從而進(jìn)行發(fā)布。本論文中，虛擬3D校園系統(tǒng)的開發(fā)是基于Unity3d平臺(tái)開發(fā)，運(yùn)用3dmax建模軟件進(jìn)行對場景建模，通過JavaScript和C#計(jì)算機(jī)編程語言實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，最后結(jié)合html進(jìn)行融合導(dǎo)出，從而完成虛擬校園的開發(fā)。

五、虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(一)數(shù)據(jù)的采集

要使校園環(huán)境中的建筑物、道路、花草樹木等對象描述的更加生動(dòng)，達(dá)到逼真的效果。首先要根據(jù)地圖及影像圖繪制出校園的CAD平面圖[10]。模型的紋理大部分來源于數(shù)碼照片，因此在前期需要收集高清的數(shù)碼相機(jī)圖片，并在Photoshop等圖像處理軟件中進(jìn)行雜質(zhì)去除、大小調(diào)整、對比度、亮度和銳化等效果處理，最終制作成模型的材質(zhì)貼圖，存放在紋理庫中。

(二)三維建模

本設(shè)計(jì)中使用3D MAX軟件進(jìn)行三維建模，建模時(shí)要采用搭積木的方式進(jìn)行組合拼接。模型建立后，需要對模型的每一部分分配材質(zhì)和貼圖。同時(shí)，對前期拍攝和處理過的圖片可以根據(jù)建筑物的真實(shí)情況進(jìn)行二次處理，以達(dá)到逼真的效果[11]。Unity 3D平臺(tái)的Terrain系統(tǒng)可以創(chuàng)建校園環(huán)境的綠化地、道路及植物，創(chuàng)建后再對地形進(jìn)行貼圖處理以及布置各種植物。

(三)模型貼圖優(yōu)化

三維模型制作完畢后，需要對整個(gè)場景的貼圖進(jìn)行烘焙、壓縮、優(yōu)化。所謂貼圖，就是用PS等平面軟件制作材質(zhì)平面圖，覆蓋于利用Maya、3DMax等3D制作軟件建立的立體模型上的過程。烘焙貼圖是將場景表面的光影存入到文件中， 以提高場景的真實(shí)感，增加場景的視覺效果[11]。

(四)導(dǎo)入模型

要將虛擬的場景交互并以多種形式輸出，需要將3Ds Max創(chuàng)建的虛擬場景模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D編輯器中，需要安裝相應(yīng)的插件。同時(shí)，要重新指定模型中丟失的材質(zhì)和貼圖，重新對光線進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到所需的照度和燈光色彩效果，體現(xiàn)空間的真實(shí)感。

(五)交互設(shè)置

交互技術(shù)是三維虛擬校園設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。虛擬校園的使用者主要面向?qū)W生、老師或者家長，因此三維虛擬校園的控制要以方便快捷、簡單直觀為目標(biāo)[6]。

要使用戶有真實(shí)的體驗(yàn)感，在Unity3D里應(yīng)該設(shè)置碰撞檢測，添加天空盒、太陽光暈、背景音樂等交互行為。通過交互對應(yīng)的命令，可以實(shí)現(xiàn)行走、動(dòng)畫相機(jī)、場景切換等動(dòng)作。在鼠標(biāo)屬性中設(shè)置腳本命令，可以實(shí)現(xiàn)用鼠標(biāo)控制觀察者場景中自由行走、漫游等。利用腳本還可以為虛擬場景添加說明文字、背景音樂、解說詞等[11]。

(六)場景渲染腳本的優(yōu)化

三維虛擬校園最終將發(fā)布為網(wǎng)頁瀏覽文件，因此，除要求計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度盡量高外，還要求建立的三維立體虛擬場景模型盡量簡單，否則容易造成用戶體驗(yàn)不佳。因此，需從建模、貼圖、渲染及控制代碼等方面對軟件運(yùn)行性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。

1.場景優(yōu)化。場景優(yōu)化主要是控制模型的面數(shù)。建模時(shí)都是采用單面建模，刪除看不到或不需要的面。地形及道路的精度可適當(dāng)降低，少用光滑曲面。

2.渲染優(yōu)化。渲染優(yōu)化主要是優(yōu)化貼圖和優(yōu)化光照渲染。透明材質(zhì)在渲染中要使用較多的系統(tǒng)資源，因此可將相同貼圖的窗戶玻璃合并為一個(gè)物體，把多個(gè)面的貼圖合并為一個(gè)貼圖，盡量共享材質(zhì)，對于僅紋理不同的材質(zhì)可以把紋理組合到一張更大的紋理中。

3.腳本優(yōu)化。編寫腳本時(shí)，盡量使用靜態(tài)類型替代動(dòng)態(tài)類型，使用觸發(fā)器觸發(fā)腳本的執(zhí)行，并少使用每幀都執(zhí)行的腳本。

(七)多平臺(tái)構(gòu)建

目前，Unity 3D可以支持Web、PC、IOS、Android、Flash、Apps等主操作系統(tǒng)和服務(wù)器平臺(tái)。Unity 3D能夠很好的支持WAMP(Windows+Apache+MySQL +PHP)、LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)和IIS(Internet Information Services) 等常用Web應(yīng)用程序平臺(tái)。因此，可以使用IIS發(fā)布不同平臺(tái)的系統(tǒng)。

七、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用拓寬了人們獲取信息的感知通道，增強(qiáng)了人們對復(fù)雜動(dòng)態(tài)事件的感知能力，將計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提高到一個(gè)嶄新的階段，其未來的發(fā)展不可估量。限于篇幅，本文還有很多需要研究和完善的地方，未來可以在理論以及技術(shù)結(jié)合層面，加強(qiáng)對校園地形高精度仿真，虛擬校園對于招生宣傳等的實(shí)用性方面進(jìn)行深入研究，希望現(xiàn)有的介紹對讀者構(gòu)建虛擬3D校園有所啟發(fā)。相信隨著各項(xiàng)技術(shù)的逐步發(fā)展成熟，虛擬校園的創(chuàng)建會(huì)有更大的發(fā)展空間，虛擬校園也會(huì)從多元化的角度發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯潘志和)

Design and Implementation of Virtual 3D Campus System for Enrollment—A Case Study to Guangzhou City Polytechnic

CHEYue-qin,ZHANGRui-fang,LVMi-jia

(Guangzhou City Polytechnic, Guangzhou 510405, China)

Abstract：With the expansion of competition and college admission publicity, a new generation of three-dimensional integrated campus virtual system, which consists of campus navigation, school profile display, enrollment information, campus information management, becomes a popular one. In this paper, experience of Guangzhou City Polytechnic is shared. Based on Unity3D platform, the 3Dmax is used as the scenario modeling tools, to be interacted through java script and C # language, and finally, the integration of the Virtual Campus system with the Html is completed.

Key words：virtual campus system; Unity 3D; scenario modeling; enrollmen

中圖分類號(hào)：G64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-0408(2016)01-0068-04

作者簡介：車月琴，女，廣州城市職業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事教育電視、信息化教育。

收稿日期：2016-03-10