VR校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張心悅 謝麗怡 李文娟

關(guān)鍵詞：3D場景構(gòu)建；游戲開發(fā)；虛擬現(xiàn)實(shí)；Unity3D；導(dǎo)航

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，大學(xué)師生人數(shù)逐年增加，大學(xué)校園的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。學(xué)生群體中既有初來乍到、不能很快熟悉新環(huán)境的新生，也有度過四年時(shí)光，不斷耕耘收獲，滿懷不舍之情即將遠(yuǎn)航的畢業(yè)生，更有職場沉浮、念念不忘母校青春記憶的校友們。為了讓新生更快熟悉校園環(huán)境、給即將離開母校的畢業(yè)生和更多的校友留下真實(shí)美好的回憶，本文以杭州師范大學(xué)下沙校區(qū)為背景，在對(duì)校園環(huán)境和文化活動(dòng)進(jìn)行深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于unity3D開發(fā)了一個(gè)校園漫游系統(tǒng)，通過模擬校園建筑物、環(huán)境等，讓使用者體驗(yàn)到親臨其境的效果。

全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以較好地展示目標(biāo)場景，通過圖片幾何關(guān)系，讓人感受到虛擬影像中的三維立體空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)全方位瀏覽圖像景色[1-2]。近年來全景技術(shù)飛速發(fā)展，包括360°全方位實(shí)景圖像或視頻和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)），以及后來由VR 進(jìn)一步衍生出的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)），均在各行業(yè)被廣泛應(yīng)用且得到了很好的反饋[3]。隨著5G時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，搭建虛擬校園可以讓全國各地的新生足不出戶就可以游覽熟悉校園，了解校園文化和場地環(huán)境，通過交互獲得更多的學(xué)校信息[4]，相較于傳統(tǒng)的校園宣傳，擁有更好的推廣效果[5]。

本文開發(fā)的校園漫游系統(tǒng)分為男女兩個(gè)人物視角，玩家既可以選擇女性角色，也可以選擇男性角色，通過圓盤控制人物在模擬的虛擬校園中進(jìn)行游覽此外，還包含自動(dòng)導(dǎo)航功能，能夠引導(dǎo)玩家找到相應(yīng)的地方，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的校園活動(dòng)，當(dāng)然，玩家也可以選擇地點(diǎn)進(jìn)行場景直接跳轉(zhuǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)還帶有若干交互式游戲。校園場景模擬的效果如圖1所示。

校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)如下：

1） 采用3D技術(shù)還原校園場景：首先，對(duì)校園實(shí)景進(jìn)行采集并最大限度地加以還原，其次，通過地形地貌設(shè)計(jì)、場景整合、轉(zhuǎn)場特效等，以及加入天氣、動(dòng)物元素，讓場景更加真實(shí)；

2） 具備自動(dòng)導(dǎo)航功能：玩家可以設(shè)定目的地，系統(tǒng)將結(jié)合人物當(dāng)前位置進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航，也可選擇目的地進(jìn)行場景的直接跳轉(zhuǎn)。

3） 交互方式豐富、體驗(yàn)感強(qiáng)；添加了多場景交互式小游戲，實(shí)現(xiàn)游戲場景轉(zhuǎn)換，增加交互樣式，考慮光影效果、顏色搭配，通過較少的性能消耗使靜態(tài)場景看上去更真實(shí)、豐富，具備立體感，使整體游戲體驗(yàn)十分豐滿。

本系統(tǒng)有助于方便師生學(xué)習(xí)生活工作，對(duì)宣傳校園文化、提升高校的知名度和影響力具有積極意義，也具有良好的應(yīng)用、開發(fā)和推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：場景瀏覽主界面模塊，自動(dòng)導(dǎo)航模塊和小游戲模塊，如圖2所示。

1） 場景瀏覽主界面模塊。在校園瀏覽界面中，玩家通過圓盤控制角色走動(dòng)，以人物視角進(jìn)行校園環(huán)境瀏覽。玩家還可以通過天氣控制按鈕切換天氣，以體驗(yàn)不同天氣狀況下的校園風(fēng)景，系統(tǒng)還能自動(dòng)識(shí)別白天夜晚，使場景切換白天和黑夜的效果。體驗(yàn)者控制人物走動(dòng)到對(duì)應(yīng)的校園的標(biāo)志性建筑附近，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)地點(diǎn)的介紹，在圖書館的信息欄處可以查看校園的活動(dòng)。

2） 自動(dòng)導(dǎo)航模塊。玩家可選擇想去的地點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)開啟自動(dòng)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)路線自動(dòng)規(guī)劃。玩家還可以點(diǎn)擊場景切換按鈕，在彈出的地點(diǎn)選擇菜單中選擇想去的地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地點(diǎn)的直接跳轉(zhuǎn)。

3） 小游戲模塊。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三個(gè)小游戲：小貓喂食、知識(shí)問答和投籃。玩家可在知識(shí)問答和投籃游戲中獲得金幣，金幣可用于小貓喂食游戲中購買貓糧喂食。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 進(jìn)入界面

以學(xué)校的寢室作為背景，中間是“憶錢江”校園漫游標(biāo)題，點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)入角色性別選擇界面，如圖3所示。

以3D校園的俯視圖為背景，體驗(yàn)者可以選擇性別，完成性別選擇后進(jìn)入校園瀏覽主界面。

2.2 校園瀏覽界面

2.2.1 控制角色走動(dòng)

在校園瀏覽界面中，玩家可以通過圓盤控制角色走動(dòng)，場景90%還原校園真實(shí)場景，體驗(yàn)者可以通過人物視角進(jìn)行校園環(huán)境的參觀，如圖4所示。

2.2.2 場景切換

在界面的右下角可以看到“場景切換”按鈕，點(diǎn)擊“場景切換”按鈕，會(huì)向左彈出地點(diǎn)選擇菜單，體驗(yàn)者可以選擇想去的地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地點(diǎn)的直接跳轉(zhuǎn)。

2.2.3 校園公告欄

為了讓玩家能夠更好地了解校園文化，當(dāng)人物接近標(biāo)志性建筑物時(shí)會(huì)出現(xiàn)校園活動(dòng)介紹。

2.2.4 導(dǎo)航

體驗(yàn)者可以點(diǎn)擊右下角的“導(dǎo)航”按鈕，選擇想去的地點(diǎn)，角色會(huì)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航，不用體驗(yàn)者手動(dòng)選擇圓盤，角色會(huì)自動(dòng)規(guī)劃路線，走動(dòng)到相應(yīng)的地點(diǎn)。

2.2.5 天氣切換

在界面的左上角是“天氣控制”按鈕，體驗(yàn)者可以切換天氣按鈕，用來體驗(yàn)不同天氣下的校園風(fēng)景，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)識(shí)別白天和夜晚，使場景切換白天和黑夜的效果，如圖5所示。

2.3 游戲

點(diǎn)擊界面右下角的“游戲”按鈕，進(jìn)入小游戲的選擇界面，本系統(tǒng)包含小貓喂食、知識(shí)問答和投籃三款小游戲。

2.3.1 小貓喂食游戲

在小貓喂食游戲中，體驗(yàn)者在商店中購買貓糧，點(diǎn)擊小貓進(jìn)行投喂，小貓頭上的進(jìn)度條為小貓的饑餓狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)度條被填滿時(shí)，小貓被喂飽，會(huì)在原地蹲下眨著眼睛看著體驗(yàn)者，如圖6所示。

2.3.2 知識(shí)問答游戲

在知識(shí)問答游戲中，每次從題庫中隨機(jī)抽取三道題目，答對(duì)即可獲得金幣，金幣可用于購買貓食。

2.3.3 投籃游戲

在投籃游戲中，體驗(yàn)者有三次機(jī)會(huì)可以進(jìn)行投籃，將籃球投進(jìn)籃球框中即為勝利。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 場景搭建

3.1.1 校園實(shí)景拍攝

以杭州師范大學(xué)下沙校區(qū)的真實(shí)場景為虛擬場景的搭建樣板，以圖書館、教學(xué)樓、行政樓和體育館等標(biāo)志性建筑為主，包括學(xué)校的綠化景觀的構(gòu)建，90% 還原真實(shí)校園場景，利用實(shí)景圖完成整個(gè)虛擬校園場景搭建。

3.1.2 地形地貌搭建

在Unity中建立地形（Terrain），在地形的屬性中有設(shè)置地形渲染的筆刷，可以導(dǎo)入地面的渲染模型。創(chuàng)建不同的筆刷，用筆刷對(duì)地面進(jìn)行渲染，從而搭建出不同的地貌。

種植樹木的筆刷，可以選擇paint trees 下的edittrees選項(xiàng)，加入樹的模型，調(diào)整筆刷的參數(shù)，即可在地形上種植樹木。種植花草的筆刷，可以選擇paint de?tails 下的edit details button，點(diǎn)擊add grass texture，即可添加花草筆刷。表1和表2分別顯示了本系統(tǒng)種植樹木和花草所使用的筆刷屬性。

3.2 人物控制

3.2.1 使用搖桿控制

采用Easytouch插件進(jìn)行人物控制。首先，在官網(wǎng)下載Easytouch插件后導(dǎo)入U(xiǎn)nity項(xiàng)目中。創(chuàng)建一個(gè)虛擬搖桿，將搖桿與人物綁定，使用EasyTouch實(shí)現(xiàn)角色的轉(zhuǎn)向，再通過設(shè)置Camera，相機(jī)會(huì)跟隨在角色背后，即可通過移動(dòng)搖桿來控制人物走動(dòng)。圖7顯示了通過搖桿進(jìn)行人物綁定的過程。

3.2.2 鍵盤控制人物

使用playmaker 插件實(shí)現(xiàn)鍵盤對(duì)人物動(dòng)作的控制。將playmaker包和人物模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity項(xiàng)目中，創(chuàng)建Animator Controller，添加人物坐標(biāo)變量Horizontal 和Vertical，在BlendTree中綁定人物向前走、向后走、向右走、向左走的動(dòng)作，然后將Animator Controller綁定到人物。接下來為人物創(chuàng)建playmaker，將人物的坐標(biāo)和變動(dòng)實(shí)時(shí)記錄下來。上述步驟成功后便可使用鍵盤的上下左右（WSAD） 鍵控制人物走動(dòng)。

3.3 導(dǎo)航系統(tǒng)

運(yùn)用Unity自帶的Navigation實(shí)現(xiàn)人物的自動(dòng)導(dǎo)航。主要步驟是：1） 首先進(jìn)行地面烘焙：在地面In?spector面板中選中靜態(tài)（static）下拉選項(xiàng)的NavigationStatic，再依次選擇菜單欄中的Windows - Navigation，單擊該面板右下角的Bake按鈕，即可生成導(dǎo)航網(wǎng)格；2） 其次，設(shè)定可行走與不可行走地區(qū)：通過點(diǎn)擊地面上的物體，將障礙物設(shè)置為不可行走部分。保證導(dǎo)航系統(tǒng)工作時(shí)，人物按照既定路線行走能分辨哪些地方可以行走、哪些不可以行走；3） 最后，創(chuàng)建C#代碼，綁定到人物上，即可進(jìn)行人物的自動(dòng)導(dǎo)航功能。

4 總結(jié)與展望

本文以杭州師范大學(xué)下沙校區(qū)為背景，運(yùn)用VR 技術(shù)搭建了虛擬校園，使體驗(yàn)者如身臨其境般在虛擬校園中自由漫步，了解校園地理環(huán)境和人文風(fēng)貌，幫助新生更快地熟悉校園環(huán)境，讓畢業(yè)生能夠回憶往昔美好時(shí)光。