吳輝煌

摘 要：三維虛擬校園平臺的設(shè)計與實現(xiàn)不僅僅可以讓我們進行校園漫游，對校園進行宣傳介紹，也可以為我們實現(xiàn)校園應(yīng)急事件的推演提供強有力的支持。利用3DSMAX和unity游戲引擎我們可以實現(xiàn)三維虛擬校園平臺的運行，該文以廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，設(shè)計與實現(xiàn)軟件學(xué)院的三維虛擬校園平臺。

關(guān)鍵詞：UNITY 三維 虛擬校園

中圖分類號：TP391. 41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0051-02

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是結(jié)合地理信息技術(shù)、計算機圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)等多種技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)我們可以實現(xiàn)真實環(huán)境的數(shù)字化、虛擬化?，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事航天、工業(yè)仿真、房地產(chǎn)、應(yīng)急推演、游戲、教育等領(lǐng)域中。特別是在教育領(lǐng)域中，教育部在一系列的相關(guān)文件中，多次提及到虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。

三維虛擬校園環(huán)境平臺是以真實校園為整體藍本，包括校園布局設(shè)計、交通、景觀、教學(xué)及生活環(huán)境、建筑物內(nèi)外、人文等。該平臺可以成功虛擬現(xiàn)實校園的全部場景，可以實現(xiàn)訪問者自動漫游，以及改變視點進行環(huán)視，訪問者還可以做出像在真實世界一樣的動態(tài)行為，實現(xiàn)了環(huán)境的藝術(shù)性和真實性[1]。該文將對三維校園虛擬化平臺進行設(shè)計與實現(xiàn)。

1 虛擬校園環(huán)境的總體布局

雖然虛擬漫游系統(tǒng)并不要求虛擬場景與真實場景完全一致，但是構(gòu)建的模型和場景應(yīng)該盡量真實反映實際的情況，應(yīng)該做好校園的總體布局，該文的虛擬校園平臺是以廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，校園環(huán)境主要把重要的建筑以及建筑周邊環(huán)境表現(xiàn)出來，校園環(huán)境的總體布局如圖1所示。

2 虛擬校園模型創(chuàng)建

三維模型的創(chuàng)建有很多方法，在市場上比較常見的有3DSMAX，MAYA，Sketch Up等。Sketch Up也叫草圖大師，使用操作比較簡單直觀，但是對一些復(fù)雜的模型處理起來不是很好，在細節(jié)表現(xiàn)上比較欠缺[2]。而3DSMAX和MAYA都是autodesk公司的產(chǎn)品，兩個軟件功能差不多。MAYA的動畫系會比較全面，但3DS MAX的樣條線建模卻更強大一些，而且3DS MAX有很多插件支持，所以在建筑動畫方面，使用3DS MAX會更多一些，該文也是采用3DSMAX軟件來設(shè)計的。在3DSMAX當中建模的時候用的方法也有很多，比如基礎(chǔ)幾何體建模、復(fù)合對象建模、二維圖形轉(zhuǎn)三維模型建模、多邊形建模、網(wǎng)格體建模、面片建模、NURBS 建模等。在虛擬校園實現(xiàn)平臺上面建模，應(yīng)該在保證必須的模型質(zhì)量情況下做到數(shù)據(jù)量盡量小，也就是模型的面數(shù)盡量地少，這樣能保證虛擬現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)的運行效率。材質(zhì)貼圖設(shè)置的時候也盡量不要使用高清的貼圖，避免后期平臺運行的時候比較卡。

我們先在3DSMAX軟件中導(dǎo)入在CAD軟件當中繪制的學(xué)校平面圖，然后在標準平面圖的基礎(chǔ)上再進行各個模型的創(chuàng)建。

（1）道路模型創(chuàng)建。

道路模型的創(chuàng)建我們主要使用樣條線來進行編輯，樣條線包括點、線段、樣條線3個層級。我們先利用線描繪出道路的線路，使用控制柄調(diào)整樣條線使其與平面圖當中的道路吻合。道路的邊緣我們可使用樣條線的輪廓來擠出獲取路沿，道路中央則可以直接把樣條線轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，這樣就可以直接得到三維路面了。

（2）樓房模型創(chuàng)建。

3DSMAX在進行模型創(chuàng)建的過程中方法很多，我們主要使用高級建模當中的多邊形建模的方法來進行樓房模型的創(chuàng)建。多邊形的編輯有包括點、邊、邊界、多邊形、元素5個層級。在創(chuàng)建樓房等模型時我們先創(chuàng)建標準基本體，然后把模型轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形，再對模型的點、邊、多邊形等進行編輯，慢慢細化生成我們所需要的樓房模型。在進行多邊形編輯的過程中盡量要控制多邊形的面數(shù)，在后面進行材質(zhì)貼圖的時候可以減少很多的工作量。在創(chuàng)建模型的時候我們需要根據(jù)實際的模型進行調(diào)整，模型如果凹進去或者凸出來不超過50 cm的，則直接用面貼圖表示，這樣可以節(jié)省很多的面數(shù)。

（3）花草樹木的創(chuàng)建。

樹木和花的創(chuàng)建我們主要使用TreeStorm，下載TreeStorm插件之后放置到3DSMAX軟件plugcfg根目錄下面就可實現(xiàn)插件的加載，從TreeStorm插件當中自帶的樹庫我們可以選擇樹木模型直接加載在我們的場景中。當然這時候的樹都是比較精細的，并不適合大量的加載。為了使我們后期在引擎中能夠順利運行，我們只加載幾個精細樹木。更多的樹木和花我們還是使用簡單的面配上貼圖來實現(xiàn)。樹可以使用交叉的四個面來實現(xiàn)，而花使用交叉的3個面來實現(xiàn)即可。草地的制作和路面類似，主要樣條線編輯再進行多邊形轉(zhuǎn)換，后期配上貼圖就能實現(xiàn)了。

（4）其他道具的創(chuàng)建。

場景當中我們還需要不少的道具，比如路燈、石頭、籃球架、足球門等。這些模型在創(chuàng)建的過程中主要也是使用多邊形來進行編輯。路燈模型采用統(tǒng)一的模型進行創(chuàng)建，石頭模型則根據(jù)具體的石塊進行編輯，得到不同的形狀并賦予材質(zhì)，籃球架和足球門使用簡單面片模型配上貼圖就可以實現(xiàn)，這邊就不詳細說明了。

3 材質(zhì)貼圖的設(shè)置

校園模型創(chuàng)建完成之后我們開始進行模型材質(zhì)貼圖的設(shè)置。首先我們在校園里面拍攝了一些樓房的照片，針對照片需要進行圖片大小和像素的處理。我們根據(jù)樓房中單面墻壁或者單個創(chuàng)建來設(shè)置貼圖，如果單面墻壁都屬于統(tǒng)一顏色的使用則使用材質(zhì)來設(shè)置。比如樓房外墻我們會按照窗戶大小來設(shè)置單個面的大小，這時候截取照片中的窗戶賦予該面就可以較好地表現(xiàn)出窗戶了。如果是樓道，我們可以用白色材質(zhì)來表現(xiàn)屋檐，欄桿和門的材質(zhì)則和窗戶材質(zhì)的設(shè)置一樣。沒有窗戶的墻壁和地板我們使用磚塊的貼圖來進行平鋪。

道路的材質(zhì)和草地的材質(zhì)我們分別使用水泥和草貼圖來進行平鋪，注意調(diào)整好平鋪數(shù)量使材質(zhì)看起來真實一些?；ê蜆淠镜馁N圖需要做好透明材質(zhì)貼圖，因為我們是用面直接表現(xiàn)，所以需要制作黑白貼圖來設(shè)置材質(zhì)的透明度。

4 虛擬引擎的導(dǎo)入

要想實現(xiàn)虛擬環(huán)境，需要把3DSMAX當中的模型導(dǎo)入引擎。寒霜、虛幻、unity這些引擎都是常見的普通游戲開發(fā)者使用的游戲引擎！我們的三維虛擬校園環(huán)境采用的unity引擎來實現(xiàn)校園虛擬平臺的運行。Unity是能讓用戶輕松自如地創(chuàng)建三維游戲、虛擬漫游、實時三維動畫等一系列能互動的多平臺的游戲引擎。使用unity引擎可以發(fā)布到Windows、Android和iPhone等平臺上面，也可以直接發(fā)布到網(wǎng)頁游戲上面。

在Unity引擎中創(chuàng)建一個工程文件，在工程文件當中導(dǎo)入天空、地形、角色等插件。我們把創(chuàng)建出來的3DSMAX模型導(dǎo)出生成FBX格式，把FBX和貼圖統(tǒng)一放置在Unity工程文件當中。這時候?qū)С鰜淼奶摂M校園平臺就可以導(dǎo)入到Unity工程中了，在Unity場景當中添加平行光作為太陽光。角色使用第一人稱視角，游戲運行的時候就可以直接使用第一人稱攝像機來進行漫游了。第一人稱角色這時候會直接穿過Unity當中的模型，所以我們需要把模型創(chuàng)建成剛體。創(chuàng)建完剛體對象之后就可以實現(xiàn)第一人稱視角在三維虛擬校園的漫游了，但整個背景只有單一顏色，所以我們可以在第一人稱的攝像機背景上面添加天空貼圖。天空背景就可以直接顯示出來了。如果我們的虛擬校園平臺還需要有界面，可以再創(chuàng)建一個場景，然后在場景當中進行界面設(shè)計，引擎導(dǎo)出運行程序的時候再進行場景的轉(zhuǎn)換[3]。

5 三維虛擬校園環(huán)境的實現(xiàn)

我們利用Unity引擎導(dǎo)出成在Windows平臺上面能運行的文件，會有生成EXE、pdb文件和一個DATA文件夾，把這3個文件放置在同一個文件夾中就可以實現(xiàn)文件的運行了。三維虛擬校園環(huán)境就可以實現(xiàn)漫游了，如圖2。在漫游的時候我們既可以采用窗口模式進行漫游，也可以使用全屏，利用鍵盤的上下左右鍵我們就可以在里面進行走動。如果需要第三人稱的時候我們也可以在3DSMAX里面創(chuàng)建角色并做好角色的走路、停止動畫，然后再導(dǎo)入引擎中進行動畫的運行。

6 結(jié)語

三維虛擬校園平臺的創(chuàng)建方法還是比較多的，在進行模型創(chuàng)建的時候我們就可以采用草圖大師、CAD、3DSMAX或者MAYA等軟件了。導(dǎo)入引擎的方法也比較多，我們主要采用Unity這個游戲引擎。在進行引擎設(shè)置的過程中我們還可根據(jù)情境編輯一些場景內(nèi)部切換或者學(xué)校應(yīng)急動畫演練等等效果。虛擬校園平臺的實現(xiàn)對我們進行學(xué)校宣傳教育都能起到比較重要的作用。

參考文獻

[1] 王振德，王艷春.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在虛擬校園中的應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（7）：3223-3224，3235.

[2] 蘭玉芳，付金霞，徐霞華，等.基于SketchUp與ArcGIS的校園3DGIS 的設(shè)計與實現(xiàn)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28（2）：346-351.

[3] 張青峰，吳發(fā)啟，周淑，等.校園虛擬漫游設(shè)計初探[J].測繪科學(xué)，2005，30（6）：124-126.