基于Unity3D的教室三維查詢研究

汪俊峰　王星東　姚婷婷

摘 要：本系統(tǒng)以河南工業(yè)大學(xué)的3號(hào)和4號(hào)教學(xué)樓為模版，先對(duì)建筑物進(jìn)行拍照，獲得紋理信息，并對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，獲得相應(yīng)的尺寸信息；然后以CAD的二維校園圖作為模型制作底圖，進(jìn)而以3ds Max建模軟件建立三維模型，并進(jìn)行紋理貼圖；最后將三維模型導(dǎo)入到Unity3D交互軟件實(shí)現(xiàn)教室分布的三維快速定位查詢及教室屬性信息的顯示。

關(guān)鍵詞：3ds Max；三維建模；Unity3D；教室查詢

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0038-03

Research on Classroom Three-dimensional Query Based on Unity3D

WANG Junfeng WANG Xingdong YAO Tingting

（College of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： The system of Henan University of Technology， No. 3 and No. 4 teaching building for the template， the first to take pictures of the building， access to texture information， and the building measurements， access to the appropriate size information； then the CAD two-dimensional campus map as a model and then the three-dimensional model into the Unity 3D interactive software， texture mapping； finally， the 3D model is imported into Unity 3D interactive software to realize the 3D quick positioning query of classroom distribution and the display of classroom property information.

Keywords： 3ds Max；3D modeling；Unity 3D；classroom inquiry

1 研究背景

自從虛擬現(xiàn)實(shí)被提出后，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。美國(guó)是研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早的國(guó)家，美國(guó)航天局（NASA）模擬太空的真實(shí)環(huán)境為宇航員創(chuàng)建了虛擬太空空間，為宇航員提供訓(xùn)練[1]。中國(guó)展示的第一個(gè)含有歷史文化韻味的虛擬漫游系統(tǒng)是IBM與故宮博物館聯(lián)合推出的“故宮VR《紫禁城 天子的宮殿》”[2]。清華大學(xué)的虛擬漫游系統(tǒng)滿足用戶了解校園的需求，三維模型能展示出校園環(huán)境，使用者可以漫游其中，并與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬校園環(huán)境中對(duì)象的查詢和信息顯示[3]。上海交通大學(xué)基于360°全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬校園，提供漫游、景觀信息查詢和顯示功能[4]。

本系統(tǒng)是基于3ds Max的三維建模技術(shù)和Unity3D三維引擎開發(fā)技術(shù)構(gòu)建的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)河南工業(yè)大學(xué)蓮花街校區(qū)3號(hào)和4號(hào)教學(xué)樓教室的快速定位及屬性查詢。具體功能為：①用戶可通過第一人稱角色控制器在三維教學(xué)樓場(chǎng)景中漫游；②用戶可與系統(tǒng)交互，通過選擇教室編號(hào)對(duì)教室進(jìn)行定位和展示，并顯示教室的基本屬性信息。

2 三維場(chǎng)景的構(gòu)建

2.1 模型制作

教學(xué)樓模型利用3ds Max三維建模軟件制作而成，也是本系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。為了能更加逼真地還原教學(xué)樓，事先對(duì)教學(xué)樓建筑物信息進(jìn)行實(shí)地拍攝和信息收集，主要包括教學(xué)樓外觀輪廓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、每層教學(xué)樓的平面圖、教學(xué)樓的紋理。用單反相機(jī)拍攝到的照片經(jīng)過Photoshop軟件處理后可以作為三維建筑物模型的紋理貼圖，照片的質(zhì)量將直接影響整個(gè)虛擬漫游環(huán)境的用戶體驗(yàn)效果，所以需要注意拍攝時(shí)間、光照條件、拍攝位置、相機(jī)的傾斜角及拍攝的手段。

2.2 模型導(dǎo)入

不同軟件建立的模型導(dǎo)入到Unity3D中都要求一定的格式，3ds Max軟件建立的模型要以FBX文件格式才能導(dǎo)入。模型導(dǎo)入可能會(huì)造成模型貼圖的丟失，所以，將模型從3ds Max中導(dǎo)出時(shí)需要注意以下三個(gè)問題。

①嵌入的媒體。如果不選擇該項(xiàng)，3ds Max對(duì)模型的導(dǎo)出不包括貼圖資源，只有貼圖路徑的引用，不能真正地導(dǎo)出含有貼圖的模型，貼圖的資源路徑和名稱也不能是中文。

②單位設(shè)置。默認(rèn)情況下，3ds Max軟件導(dǎo)出的模型再導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中模型尺寸放大了100倍。因此，可以在Unity3D下Inspector面板中修改Scale Factor的值進(jìn)行調(diào)整，還可以在3ds Max建模時(shí)設(shè)置基本單位為厘米。

③軸心設(shè)置。3ds Max導(dǎo)出的模型導(dǎo)入到Unity3D中總會(huì)出現(xiàn)軸向不符合要求的情況，因此，要對(duì)其進(jìn)行一定的旋轉(zhuǎn)[5]。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，模型導(dǎo)入后軸向會(huì)自動(dòng)偏轉(zhuǎn)，在Unity3D中y軸是朝上的，所以在導(dǎo)出時(shí)選擇軸轉(zhuǎn)向?yàn)閦軸向上。

2.3 場(chǎng)景構(gòu)建

2.3.1 地形創(chuàng)建。通過Unity3D提供的地形編輯器組件，可方便地模擬真實(shí)地形效果。首先，獲取地形資源包后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，點(diǎn)擊視圖中的Terrain組件，創(chuàng)建出地形，然后調(diào)整教學(xué)樓模型的位置。之后，在地形編輯器中編輯樹木、花草貼圖。選擇地形組件屬性框中Paint Texture按鈕，給“白膜”繪制上草、花的貼圖，單擊Edit Textures按鈕選擇貼圖，利用畫筆在地形上繪制。

2.3.2 添加角色控制器及其碰撞實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)入角色資源包，把第一人稱控制器組件拖入到網(wǎng)格層次面板中，調(diào)整角色的位置和視角，以便場(chǎng)景進(jìn)入到角色的視野中。主要用到的組件有Transform、Rigidbody、Capsule Collider。在這些組件中，修改前進(jìn)的速度、爬坡的高度等參數(shù)，使角色能在場(chǎng)景中漫游。另外，角色控制器組件默認(rèn)情況下移動(dòng)鼠標(biāo)會(huì)旋轉(zhuǎn)視角，這在某種情況下會(huì)給我們的操作帶來很多困擾，所以要修改角色控制器下的Mouse Look腳本，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到鼠標(biāo)按下時(shí)才旋轉(zhuǎn)視角，在Look Rotation（ ）方法中當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)執(zhí)行函數(shù)。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 界面和菜單設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)采用Unity3D的NGUI插件，首先下載NGUI插件后導(dǎo)入，導(dǎo)入成功后菜單欄會(huì)增加NGUI菜單。

3.1.1 界面設(shè)計(jì)。選擇NGUI菜單下面的Create，在場(chǎng)景中創(chuàng)建Sprite將其命名為main，再創(chuàng)建main子節(jié)點(diǎn)index，在子節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建Lable和Sprite，分別作為系統(tǒng)的標(biāo)題和按鈕，標(biāo)題上添加Tween組件，以動(dòng)畫的效果顯示，界面設(shè)計(jì)如圖1所示。

在工程面板中創(chuàng)建Resource及子文件夾prefab，把設(shè)計(jì)好的主界面直接拖到prefab文件夾下生成預(yù)制體，使界面在運(yùn)行時(shí)才被實(shí)例化，設(shè)計(jì)的界面預(yù)制體必須放在Resource文件下，在Inspector面板中，物體是由預(yù)制產(chǎn)生的。

3.1.2 查詢菜單設(shè)計(jì)。由于河南工業(yè)大學(xué)3號(hào)和4號(hào)教學(xué)樓的教室編號(hào)是四位數(shù)字，所以這里設(shè)置4個(gè)下拉列表提供用戶選擇，然后是查詢按鈕和詳細(xì)信息按鈕的設(shè)計(jì)。

3.2 查詢功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)是通過設(shè)計(jì)下拉框選擇教室編號(hào)實(shí)現(xiàn)查詢。根據(jù)收集的教室編號(hào)信息，對(duì)下拉列表的值進(jìn)行設(shè)置，由于3號(hào)和4號(hào)教學(xué)樓教室編號(hào)不同，不同的下拉列表的值會(huì)根據(jù)用戶選擇的值而顯示。由于設(shè)計(jì)了在未選中下拉列表的值時(shí)后面下拉列表的值不能選擇，動(dòng)態(tài)添加列表內(nèi)的值是通過把值存儲(chǔ)在集合中，在設(shè)計(jì)列表框時(shí)添加Box Collider，所以在鼠標(biāo)選中當(dāng)前列表值時(shí)會(huì)獲取當(dāng)前選中的值。用戶在選擇樓層編號(hào)后會(huì)實(shí)現(xiàn)畫中畫的效果，在屏幕的右下角顯示該樓層的平面圖。

當(dāng)選擇完教室的編號(hào)后，會(huì)對(duì)教室查詢的結(jié)果以一定的視角進(jìn)行大概方位的定位顯示，并在平面圖上顯示出教室的位置，點(diǎn)擊圖標(biāo)會(huì)進(jìn)入到教室門口，圖2和圖3是教室編號(hào)為4120的定位效果圖。定位的實(shí)現(xiàn)是把教室的位置賦予第一人稱控制器，第一人稱控制器可在場(chǎng)景中漫游。

對(duì)教室進(jìn)行定位的同時(shí)，點(diǎn)擊詳細(xì)信息按鈕，會(huì)彈出教室信息窗口，如圖4所示。信息顯示的實(shí)現(xiàn)是通過連接數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建教室信息屬性表，對(duì)表的行和列進(jìn)行設(shè)計(jì)，把獲取的教室信息和行一一對(duì)應(yīng)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的表中。

3.3 系統(tǒng)發(fā)布

Unity3D提供多種系統(tǒng)發(fā)布平臺(tái)，本系統(tǒng)采用的是PC版，直接運(yùn)行.exe可執(zhí)行文件即可運(yùn)行該系統(tǒng)。操作步驟如下。

①在系統(tǒng)功能完成后選擇File菜單下的Building Setting選項(xiàng)，選擇創(chuàng)建好的兩個(gè)場(chǎng)景：第一個(gè)場(chǎng)景是首頁(yè)場(chǎng)景，序號(hào)為0；第二個(gè)是查詢的場(chǎng)景，序號(hào)為1。因?yàn)榘l(fā)布后系統(tǒng)是按索引值載入場(chǎng)景的，所以首頁(yè)場(chǎng)景要確定索引值為0，查詢場(chǎng)景確定索引值為1。如果場(chǎng)景的索引順序不對(duì)，可進(jìn)行拖動(dòng)調(diào)整。

②Unity提供Platform選項(xiàng)選擇目標(biāo)平臺(tái)PC & Linux Standalone，以PC單機(jī)版的形式發(fā)布，選擇PC單機(jī)版平臺(tái)后會(huì)被高亮顯示。另外，對(duì)發(fā)布的單機(jī)版進(jìn)行了設(shè)置，去除了在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的Resolution Dialog（分辨率對(duì)話框）。選擇Player Settings，在打開的窗口中設(shè)置Display Resolution為Disabled。

③做好發(fā)布的準(zhǔn)備后點(diǎn)擊Build按鈕，選擇發(fā)布的位置，Unity會(huì)在相應(yīng)的文件夾下生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件夾和一個(gè).exe可執(zhí)行的文件。點(diǎn)擊.exe文件，運(yùn)行教室分布三維快速查詢系統(tǒng)，系統(tǒng)可以很好地運(yùn)行，且操作界面良好。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過使用Photoshop圖片處理軟件處理紋理貼圖，3ds Max三維建模軟件制作建筑物、地形、樹木等校園環(huán)境的三維模型，Unity3D三維引擎軟件對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行編輯和快速查詢功能開發(fā)，構(gòu)建教室分布三維快速查詢系統(tǒng)，不但可以讓用戶在計(jì)算機(jī)上通過地面瀏覽進(jìn)行漫游，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室位置的快速定位和屬性信息的查詢，使用戶在虛擬漫游系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的真實(shí)感。

參考文獻(xiàn)：

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