王彩玲 劉瑞香 宋 釗

（西安石油大學(xué)計算機學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為計算機技術(shù)中研究，開發(fā)和應(yīng)用的熱點，廣泛的應(yīng)用于教育[1-2]、醫(yī)療[3]、建筑、工業(yè)設(shè)計[4-5]、產(chǎn)品展示等各個領(lǐng)域。虛擬校園社區(qū)實現(xiàn)了對校園三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化。將學(xué)校風(fēng)光用虛擬仿真實現(xiàn)，既可以為學(xué)校樹立良好的形象，讓來訪者足不出戶就可以身歷其境的感受到真實的校園實景和有關(guān)介紹信息；還可以作為校園規(guī)劃的輔助工具，提高校園管理的現(xiàn)代化水平[6-7]。

虛擬校園社區(qū)可以提供三維虛擬環(huán)境，用于支持對現(xiàn)實大學(xué)的資源管理、環(huán)境規(guī)劃、學(xué)校發(fā)展和遠(yuǎn)程訪問等。是校園景觀和教學(xué)環(huán)境在計算機中的虛擬再現(xiàn)。它利用地理信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)，實現(xiàn)對真實校園環(huán)境中的三維景觀和教學(xué)環(huán)境的數(shù)字化和虛擬化。到那時，世界各地的人們不必親臨現(xiàn)場，只需在網(wǎng)上就能暢游其間，方便人們隨時隨地了解校園的情況。

虛擬校園為師生們提供了非常便利和快捷的交流，同時完善的虛擬校園系統(tǒng)集學(xué)習(xí)、工作、娛樂、生活為一體，增加了師生之間交流的趣味性，有利于師生之間的良好溝通。虛擬校園社區(qū)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進的信息化手段和先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)學(xué)校與教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)有關(guān)的所有信息資源進行全面的數(shù)字化。把學(xué)校建設(shè)成面向校內(nèi)外，也面向社會的一個超越時間、超越空間的虛擬校園社區(qū)，提高傳統(tǒng)校園的效率，擴展傳統(tǒng)校園的功能。最終實現(xiàn)教育過程的全面信息化，從而達(dá)到提高教育管理水平的目的。虛擬校園技術(shù)必將成為今后校園信息化發(fā)展方向的主流，而基于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模虛擬校園漫游將成為研究的新熱點.本系統(tǒng)以unity3d作為開發(fā)平臺，結(jié)合AUTOCAD規(guī)劃總平面圖[8]；利用AutoCAD、3DMAX、Photoshop、Unity3D等軟件實現(xiàn)了某高校虛擬校園設(shè)計，該虛擬校園場景具有良好的沉浸感，通過網(wǎng)上發(fā)布，測試了其流暢性，可以作為該學(xué)校的數(shù)字解說平臺使用。

1 三維虛擬校園漫游的總體設(shè)計

1.1 虛擬校園漫游開發(fā)總體框架

虛擬校園的設(shè)計總體框架如圖1所示。

如圖1所示，首先，基于通過測量、觀察、相機記錄等方式獲取校園地理信息數(shù)據(jù)。包括校園建筑平面圖AutoCAD和校園建筑鳥瞰圖[9-10]，以及花草、樹木、道路的具體數(shù)據(jù)及信息。

然后，使用3d建模軟件例如maya 3dmax等專業(yè)建模軟件，制作三維數(shù)字模型。本系統(tǒng)使用的是最為流行的3dmax對校園建筑模型進行加工和渲染。從而得到更加真實的三維立體模型。

第三步，在Unity3D中添加地面。將上述步驟建好的三維建筑模型根據(jù)地理坐標(biāo)依次添加到Unity3D中，進行場景融合。以及紋理添加、燈光渲染等工作[11-13]。

第四步，通過unity3D的跨平臺性，生成可以通過網(wǎng)頁瀏覽的Web格式的虛擬社區(qū)[14]。

1.2 Unity3d中虛擬場景的設(shè)計

Unity3d中的地形建立：

在Unity3D軟件中通過Terrain菜單建立及修改地形。Terrain地形編輯工具可以根據(jù)具體的實地場景進行隨意設(shè)置及修改。采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的地形，可以完成山地、城市和鄉(xiāng)村場景的設(shè)計，具有友好的界面。同時，可以在整個地形上鋪設(shè)地形紋理來裝飾地圖風(fēng)景，還可以混合或合并地形紋理來平滑地過渡一個地圖到另一個地圖，或使地圖的環(huán)境多樣化。這極大方便了虛擬場景的制作。

1.3 Unity3D中三維模型的導(dǎo)入

Unity3D軟件只支持fbx格式的三維模型，因此，在設(shè)計時，采用3DMax建模，將模型存儲為fbx類型。在Unity3D中的asset文件夾中添加Object文件夾，此時，Unity3D將自動識別該模型，并將其Material和 Textures分離出來導(dǎo)入到Object的文件夾下面。此時，當(dāng)模型導(dǎo)入時，我們可以在菜單欄Assetsimport new asset,選擇我們要導(dǎo)入的 *.fbx[15]。

1.4 建筑模型紋理設(shè)計

在Unity3d環(huán)境中設(shè)計紋理及貼圖之前應(yīng)先確定各模型的材質(zhì)、貼圖和物理屬性。在獲取相關(guān)屬性后，將模型導(dǎo)入Unity3d中進行Shader腳本設(shè)置和紋理貼圖。Unity3D中的shader腳本，采用shaderlab腳本語言編寫，shader的框架如下：

shader"shader name"

{ properties

{ _Color("Diffuse Color",Color)=(1,.5,.5,1)_Texture("Main Texture",2D)=""{}

}

SubShader

{

Tags{"Queue"="Transparent"}

pass

{

Tags{}

Material{}

}

}

Fallback""

}

其中，properties中定義的變量，是可以采用編輯器編輯的。在Unity3D編輯器中選中一個材質(zhì)，材質(zhì)中的shader里面定義在properties中的變量就會出現(xiàn)該材質(zhì)的屬性面板中，可以手動設(shè)置對應(yīng)的屬性。其中，紋理屬性后面，還有一些可選的屬性可以設(shè)置，用于設(shè)置紋理的坐標(biāo)，和其他一些屬性。

1.5 虛擬場景的合并

在進行模型設(shè)計后，需要將多個模型及場景依據(jù)平面圖進行場景整合，還需要背景配樂等多媒體文件支持。在設(shè)計時，通過建立Directional Light和sky box，可以使場景更加明亮和逼真。

2 虛擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 漫游技術(shù)的實現(xiàn)

在虛擬漫游中，我們希望通過控制鼠標(biāo)或者鍵盤實現(xiàn)視角和場景的轉(zhuǎn)換。在具體實現(xiàn)中，首先，在3DMax建模軟件中分別制作人物的行走動畫、站立動畫、跳躍動畫和跑步動畫，制作完畢后，將動畫模型保存為.fbx文件格式。將動作模型導(dǎo)入到Unity3D項目的Object文件夾中。然后，在欄中選中導(dǎo)入動畫模型，在屬性面板中設(shè)置模型不同動作的開始和結(jié)束幀，所拖拽動畫模型到舞臺中去。

通過Character Moto命令給動畫模型添加人物控制器，在屬性面板中調(diào)節(jié)Radius和Height來調(diào)節(jié)人物控制器的輪廓、高度。在軟件中添加Javescript控制代碼實現(xiàn)運動控制。具體的，設(shè)計鼠標(biāo)控制需要對人物添加Mouse Look旋轉(zhuǎn)控制器，設(shè)計鍵盤控制需要對人物添加FPS Input Controller移動控制器。對相應(yīng)控制器設(shè)計即可實現(xiàn)視角隨著鼠標(biāo)方向的旋轉(zhuǎn)和鍵盤控制人物實現(xiàn)前后左右的移動[16-17]。

在具體設(shè)計時，需要考慮當(dāng)角色移動時，需要配合相應(yīng)的動作來完成角色移動的效果，比如：跑動作、跳動作等，為了給用戶帶來視覺的更加逼真的效果，在設(shè)計時，在animatioController.js添加動作代碼，其中核心代碼如下：

if(Input.GetAxis("Vertical")＞ .1)//如果是豎直方向的向前運動

{

if(Input.GetButton("Run"))//按下 run 按鈕

{

animation.CrossFade("run");//播放 run 動畫

walkSpeed=4;//同時設(shè)置速度為4

}

else

{

animation["walk"].speed=1;//其他時候則為走路

animation.CrossFade("walk");//播放走路動畫

walkSpeed=1;//同時設(shè)置速度為1

}

if(Input.GetAxis("Vertical")＜ -.1)////如果是豎直方向的向后運動

{

animation["walk"].speed=-1;//速度設(shè)置為負(fù)值

animation.CrossFade("walk");//播放走畫面

walkSpeed=1;

}

else

{

animation.CrossFade("idle");//其他時候為站立動畫

}

if(Input.GetI}eyDown ("space"))//當(dāng)空格鍵被按下就執(zhí)行跳躍動畫。

animation.CrossFade(”jump");

}

水平方向的控制和垂直方向運動相同代碼在此省略。

2.2 碰撞檢測[18]

碰撞檢測[19]是模擬現(xiàn)實環(huán)境中的人物及物體在遇到障礙物時發(fā)生的本能反應(yīng),例如，當(dāng)角色遇到墻壁,如果沒有設(shè)計碰撞檢測，則角色會出現(xiàn)穿墻而過的失真現(xiàn)象，在現(xiàn)實中，應(yīng)該是當(dāng)發(fā)現(xiàn)墻壁與角色存在一定距離時，則需要停止前進。在這種情況下，設(shè)計人員需要添加碰撞檢測函數(shù)。在Unity3d軟件中提供了Mesh Collider撞檢測組件，該組件可以有效計算模型表面的網(wǎng)格自動生成碰撞面，但是如果模型表面的網(wǎng)格較多會影響執(zhí)行效率，通過給網(wǎng)格較多的模型添加一個基本體作為該模型的父模型，設(shè)置成不可渲染則可以有效解決該問題。

2.3 系統(tǒng)聯(lián)機功能實現(xiàn)

當(dāng)用戶漫游在數(shù)字校園中，如果只包含靜態(tài)的建筑，而缺乏了動態(tài)的人物交互，這樣的設(shè)計缺乏真實的體驗，在本系統(tǒng)中，采用C/S客戶端服務(wù)器模型，實現(xiàn)場景中的人物互動。其中，服務(wù)器相對獨立，可支持多個客戶端的訪問。兩者之間交互的原理為:客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器給予反饋。當(dāng)訪問者按下移動按鍵時，客戶端將事件發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器端判斷角色該如何移動才能將事件返回給客戶端，當(dāng)客戶端接受到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)后，開始移動角色，同時服務(wù)器端還會將其他訪問者的移動事件發(fā)送給客戶端。這樣客戶端就可以顯示其他訪問者的模型位置了。

具體設(shè)計時，服務(wù)器默認(rèn)開啟，服務(wù)器端核心代碼：

Void OnGUI(){

Switch(Network.PeerType){

Case NetworkPeerType.Disconnected:

StartServer();

Case NetworkPeerType.Server:

Break;

Case NetworkPeerType.Client:

Break;

Case NetworkPeerType.Connecting

Break;

}

}

Void StartServer()

{

if(GUILayout.Button("創(chuàng)建服務(wù)器”))

{

//服務(wù)端創(chuàng)建服務(wù)器

NetworkConnectionError error=Network.Connect(IP,Port,false);

//如果連接失敗，將錯誤信息打印出來

Debug.Log("連接狀態(tài):"+error);

}

客戶端核心代碼為：

Void OnGUI(){

Switch(Network.PeerType){

Case NetworkPeerType.Disconnected:

StartConnect();

Case NetworkPeerType.Server:

Break;

Case NetworkPeerType.Client:

Break;

Case NetworkPeerType.Connecting

Break;

}

}

Void StartConnect()

{

if(GUILayout.Button("連接服務(wù)器”))

{

//客戶端連接服務(wù)器

NetworkConnectionError error=Network.Connect(IP,Port);

//如果連接失敗，將錯誤信息打印出來

Debug.Log("連接狀態(tài):"+error);

}

服務(wù)器創(chuàng)建完成后，客戶端需要向服務(wù)服務(wù)器發(fā)送消息請求，并且確保服務(wù)器能夠?qū)碜阅骋豢蛻舳说恼埱笙⒎祷亟o連接到服務(wù)器的所有客戶端。需要首先創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)視圖組件，然后就可以使用RPC向服務(wù)器發(fā)送消息了。使用RPC發(fā)送消息的方法如下:

networkView.RPC("RequestMessage",RPCMode.All,inputMessage);

在服務(wù)器端或客戶端中接收消息請求的方法如下：

void RequestMessage(string message，NetworkMessageInfo info)

{

//message:消息內(nèi)容

//info:消息附帶信息

}

模擬效果如下：

3 軟件測試與優(yōu)化

任何系統(tǒng)都需要進行黑盒子測試以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題和漏洞。本系統(tǒng)也進行了相應(yīng)的測試。在測試中發(fā)現(xiàn)，基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)存在占用網(wǎng)絡(luò)流量大，運行緩慢的現(xiàn)象。分析原因是因為測試電腦配置較低及網(wǎng)絡(luò)帶寬限制。這就要求我們從用戶角度出發(fā)，在保證真實度的情況下盡量減少模型的數(shù)量，大部分建筑需要通過平面建模來優(yōu)化模型的復(fù)雜度，在建模過程中盡量減少模型頂點和分段數(shù)，在unity3d處理過程中，盡量使用靜態(tài)燈光，動態(tài)實時燈光相比靜態(tài)燈光，非常耗費資源。所以除了能動的角色和物體靜態(tài)的地形和建筑。盡量減少視角范圍和距離，減少不必要的運行消耗。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)通過Unity3D平臺建立了一個虛擬系統(tǒng)，并通過C/S模式構(gòu)建人物交互，采用HTML格式發(fā)布，幾乎適應(yīng)所有平臺瀏覽。實現(xiàn)效果逼真仿真度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠性好，系統(tǒng)與用戶交互性好，能夠非常直觀地帶給用戶身臨其境的場景漫游效果，漫游過程場景切換順暢，而且可以為場景提供豐富的多媒體影音交互。

Unity3D提供可視化的界面操作，地形制作和文理添加，以及擁有“對象碰撞檢測”、“角色漫游”功能，方便了系統(tǒng)的開發(fā)?；赨nity3D的虛擬漫游技術(shù)原理與渲染效果非常適合虛擬校園漫游的設(shè)計，隨著以后越來越多的漫游系統(tǒng)的需求，Unity3D引擎技術(shù)將會被更為廣泛的應(yīng)用。

［1］范立冬,李曙光,張治剛.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].創(chuàng)傷外科雜志,2008,12(9).

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