基于VR技术的虚拟校园漫游系统设计与关键技术研究

来源:用户上传      作者:张晓琪 唐天国 李欣 胡振 张海波 杨华

　　摘要：随着计算机技术与网络技术的迅猛发展，VR技术在军事、国防、教育、建筑等众多领域得到广泛应用。虚拟校园是VR技术在教育方面的重要应用之一。阐述VR技术特征及应用，分析虚拟校园漫游系统的设计，探讨虚拟校园漫游系统设计中的关键技术。为学校数字化校园的建设起到一定借鉴与参考作用。
　　关键词：VR技术;虚拟校园;漫游;Unity3D
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）08-0227-04
　　虚拟校园是将真实的校园场景用3D可视化的形式虚拟呈现出来，通过使用输入设备进行实时交互操作。让使用者沉浸在虚拟现实环境中，体验到一种身临其境的感觉，使人们足不出户就可以极其方便地浏览及访问虚拟校园。通过对校园三维虚拟建模和交互平台的设计，构建虚拟校园漫游系统，系统将校园的展示和游览有机的结合，为此改变了学校传统的纸质画册宣传方式，为师生提供崭新的虚拟校园的三维空间环境。本项目的研究对建设智能化校园有一定的现实意义。
　　1 VR技术
　　虚拟现实技术（Virtual Reality）简称VR技术，同时又被称为”灵境”技术。它是计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术、网络技术等多门学科融合于一体的新兴技术。它以计算机为核心的现代高科技手段模拟产生一个逼真的虚拟三维空间一体化环境，现已广泛应用于医学研究、军事仿真、环境规划、教育应用、数字城市、游戏娱乐、虚拟旅游、工程训练、科学可视化等各个领域。虚拟校园系统是VR技术在教育中的具体应用。
　　1.1 VR技术特征
　　VR技术是一种新型的综合技术，它呈现“31”特性，即沉浸性、交互性和想象性3个特性。
　　1）沉浸性（Immersion）：是指人们沉浸在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉。这种真实感程度越强，表明沉浸性就越强，让用户完全将自己沉浸于虚拟的世界之中，如果让用户产生一种完全难辨真假感受，这将是模拟场景达到了理想的程度[1]。
　　2）交互性（interactivity）：是指用户对于物体或者对象的互动可操作性和从现实或者模拟的环境中所获取信息得到反馈的自然程度，在虚拟仿真环境中，用户通过主动参与和反馈，这将大力改变和丰富当今人们与电脑或计算机的信息交流互动方式，同时有利于提升用户的学习兴趣和互动参与度，充分激发用户体验现实虚拟环境的乐趣和真实感。
　　3）想象性（Imagination）：虚拟现实技术为人们提供了丰富的想象空间，极大地拓展了人们对虚拟世界的认知范围，利用广阔的可想象空间来展示既可能存在的真实的虚拟世界，或是不容易接触到的虚拟场景，又能构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。构建中可以发挥广泛的想象，既有客观的数据支持，又有主观的想象空间。
　　1.2 VR技术的应用
　　随着各种技术的快速发展，深度融合，虚拟现实技术在军事、教育、医疗、工业、城市仿真、科学计算可视化等不同领域得到了广泛的应用与发展。
　　1）教育
　　虚拟现实技术把真实环境，通过VR技术构建三维空间的虚拟仿真场景，为受教育者提供一个能直接并自然地与虚拟环境中的各种对象交互的平台，使学习者在其中获得最大的控制和操作环境的自由度。为虚拟学习和培训环境提供直观最有效的方式。虚拟教室、虚拟校园，虚拟实训基地、虚拟博物馆等都是虚拟现实成果，虚拟现实技术在教育方面具有明显的应用优势，可以拓展学习的多维度空间，激发学生的学习兴趣。虚拟校园就是VR技术在教育方面一个具体的应用。
　　2）军事
　　虚拟现实的最新技术率先应用于航天和军事。VR应用于军事场景演示，训练、作战的仿真等，模拟真实战场，在视觉、听觉上可以让战士真实体验战场环境，有助于战士对战场环境的熟悉;对于作战场景的模拟，通过虚拟场景中的对像交互，產生“沉浸”于如同在真实环境一样的感受与体验，感受“身临其境”的战斗，但免去了战斗的危险，避免了死亡的威胁以及严重的伤害。多种军事的训练，VR技术跨越地域，身处异地的战士可参与相同战术的演练。可让士兵们个个都能身经百“战”。VR技术将在军事领域发挥出更突出重要的作用。
　　3）工业
　　虚拟现实技术这项新的技术也越来越多的应用于工业行业之中。从工业的角度来看，VR技术主要在虚拟装配、规划设计、训练体验、协同办公等方面的主要应用。如发动机进行虚拟的体验和装配培训;对于一个处于设计阶段的工厂，建筑师可利用VR技术将设计图纸转化为VR工厂;公司人员可以利用远程办公平台，进行协同远程办公，以及培训等。VR技术改变了人机接口的传统模式，为人类提供了进入计算机的虚拟世界的可能性。相信随着工业信息化的发展，以及与人工智能、物联网等前沿技术的融合，VR技术将会带来全新的驱动力。
　　4）艺术与娱乐
　　随着VR技术的发展，在游戏娱乐等行业中逐渐普及，虚拟现实技术的沉浸感与交互性给人们带来了一种艺术欣赏和娱乐全新的体验方式，3D艺术展览、3D电影、3D游戏等，VR技术将传统的二维平面转变为3D，将静态的艺术转化为动态，大大提高艺术表现力，让用户欣赏从平面提升为立体去感受欣赏艺术。比如敦煌“九层楼”实景与虚拟三维效果。VR技术应用的优势在于非常好的沉浸感体验，用户可以在完全虚拟的环境中进行体验，有一种“身临其境”的感觉。
　　5）医疗
　　VR技术在国内外医疗领域已得到重要应用。比如利用VR给患者做手术，心理治疗是目前VR技术应用较多的方面。还有培训和教育功能也是VR在医疗领域的另一大用途。利用VR技术建立3D数字模型，训练外科医生。可以快捷实现难以在现实中见习和医生实习实际操作复杂手术，并可以反复实践不同的操作，时空不受限，有更多的训练和操作机会。
　　6）城市仿真 　　应用VR技术，快速实现城市数字化与智能化，在城市规划中，离不开决策者、设计者，管理者和社会公众的参与，所有人达到有效合作是保证我們城市规划最终成功的一个重要前提。VR技术为这种有效的合作和交流提供了最理想的平台和桥梁，所有的参与者从不同角度实时的互动，真实地看到城市规划设计的效果，真正让规划得到更好的实现，这是传统手段无法实现的。
　　7）科学计算可视化
　　在科学研究中常会遇到大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，就需要对这些数据进行分析，利用科学可视化功能可以将大量字母、数字数据转化成更易理解的可视图像，并可借助可视虚拟设备检查这些“可见”的数据。它通常被用于建设分子结构、地震、地球环境的各组成成分的数字模型中。
　　2 虚拟校园漫游系统设计
　　2.1 设计工具的选择
　　系统设计工具的选择，这里主要指的是虚拟校园的三维建模和虚拟校园交互平台的工具选择。
　　11 3DS MAX三维建模工具
　　当前，三维虚拟场景制作软件比较多，常见的有3DS MAX、Maya、MayaSolid Works等。各个软件都有独自特点和不同优势。通过比较，选择3D MAX作为建模工具。3D MAX它是一款集造型、渲染和动画于一体的三维制作软件，其优点是容易掌握，制作流程简洁、高效，场景制作功能强大，使用普遍，便于交流。同时它能方便地与Unity3D虚拟漫游平台进行无缝的对接。在3D MAX中创建好虚拟校园场景，导出.FBX，然后将FBX导入Unity3D进行交互设计。
　　2）虚拟现实开发平台Untiy3D
　　目前虚拟现实开发平台有很多，相对运用较多的是VRP和Untiy3D。本文用Untiy3D作为虚拟交互设计平台。unity3d是一款多平台的虚拟现实专业商业虚拟游戏开发引擎，功能强大，其交互性也非常的强和功能完善。并支持各种常见格式的模型、贴图文件，它能够让用户比较容易和轻松地实现场景的渲染、碰撞的检测、人机交互、界面设计等功能。
　　2.2 设计目标
　　虚拟校园漫游系统设计，应以真实的校园环境为蓝本，本文以南充职业技术学院东校区为研究对象。依据需求分析，虚拟校园漫游系统设计主要由两大部分组成，即虚拟校园场景的构建和虚拟漫游交互的设计。通过对校园进行三维虚拟模型，利用Unity3d平台设计虚拟校园交互漫游，尽可能为用户提供最真实的校园模拟环境，并实现角色与场景间的互动，其总体设计目标[2]：为：
　　（1）系统的用户界面简洁、友好，使用户可以简单便捷的操作使用。
　　（2）构建虚拟校园实景虚拟环境，充分体现出现实校园自然景观。
　　（3）系统交互，使用Unity3D进行场景的交互功能设计，使用户操作计算机的键盘、鼠标，漫游虚拟校园环境。
　　（4）多媒体展示。在虚拟系统中添加媒体信息，增添漫游的气氛。如音频、视频、文本等。当鼠标点击交互对象或用户漫游到交互区时，能播放相关的多媒体信息。
　　（5）信息查询。查询校园中主要建筑物的位置信息，并使用户角色及时的移动到该建筑物附近。
　　2.3 设计流程
　　虚拟校园漫游系统的设计同样遵循工程项目开发的一般原则，即主要包括系统需求分析、设计、开发、测试、发布等。虚拟校园漫游系统主要开发流程大致分为三个阶段：
　　1）数据收集与处理
　　虚拟校园漫游系统设计，首先要采集校园环境数据，校园地形数据的采集可以利用现有学校规划CAD图，或通过Google Earth或百度地图获得校园地形的俯视图，确定建筑物的位置与大小比例，实际测量，获得地形的高度图。其次是要对各建筑物进行实地拍摄，获得各建筑物实景图片，并利用PhotoShop软件，对图片尺寸大小、曝光度、对比度、透视度等进行适当处理。制作好所有材质，以备纹理贴图，使校园虚拟建模逼近真实场景。同时还要采集重要建筑物的历史信息以及需要的媒体素材，如校园校歌作为漫游系统的背景音乐，也可录制或网络下载，获取一些特色音效，如鸟声、水流声等。
　　2）构建三维虚拟场景
　　准备好所有数据后，接下来就是对校园建模，先利用Auto-CAD绘制平面图形，导入3DS Max，进行校园虚拟环境的建模。创建的虚拟校园模型应与真实的校园生活实物相似。建模完成后，对模型的格式、大小、法相、物体坐标系进行修正。然后将创建好的三维模型导入UnitY3D平台。
　　3）基于Unity3D平台开发
　　将校园虚拟三维场景导入Unity3D平台，进行漫游交互功能的设计。在Unity3D中给各类系统对象添加组件、编写脚本、修改参数，以此来实现用户所需要的各项功能，如角色漫游、碰撞检测、信息查询等[3]。添加多媒体信息，如校歌音乐背景、解说等，系统功能逐一实现后，进行测试和优化，最后将系统发布，其开发流程如下：
　　3 虚拟校园漫游系统关键技术
　　3.1 虚拟场景建模技术
　　1）三维虚拟场景的建模
　　虚拟校园三维建模是虚拟校园系统设计中最为重要和关键部分，虚拟校园漫游的体验效果与校园三维建模效果紧密相关。虚拟校园建模的真实性，决定用户对校园的认知与感受程度。校园虚拟场景构建主要是对校园的教学楼、学生宿舍、办公楼、食堂等建筑物以及道路、操场、树木等建模。我们可以将校园中所有物景视为一个整体的大场景，建模时可采用分块建模方法，分别进行单个块的建模，然后再导人大场景中，从而可以大大降低建模的难度。
　　在场景建模时，首先依据实测校园的建筑物尺寸，绘制整个校园的CAD平面图，明确各个建筑物的平面布局及其位置，然后3D Max对各建筑物建模，直到整个三维虚拟校园场景的创建，最后将先前准备好的材质贴图，完成虚拟校园的三维场景的构建。 　　建模的同时注意对模型的优化，对不可见面可进行删除，减少材质数，压缩贴图等，使模型得以简化和减少模型的大小，通过对整个场景模型的优化，以达到最佳的效果[4]。
　　2）材質的制作
　　虚拟校园场景模型的制作必须与现实校园中的实景相符合，模型创建后，为了模拟三维建筑物的真实效果，能够真实地再现校园场景，要对模型添加材质贴图，这就需要制作出创建模型所需要的纹理贴图素材。材质的制作是通过对各建筑的实地拍摄取景获取建筑的外形图片，但在拍摄过程中，会因拍摄角度、距离远近、光线强弱等诸多因素的影响，使拍摄的图片与真实的效果存在一定差别，需要使用Phptoshop软件对这些拍摄的图片进行剪切、变换等合适的处理。然后将处理好的材质导入3DS MAX中，利用3DS MAX中材质编辑器工具，调整图片属性以达到逼真最佳的效果。
　　3）贴图烘焙技术
　　贴图烘焙（也称Render To Texture），烘焙技术[5]是把光照和阴影信息变成了贴图，然后将其贴图贴到场景中的模型上，这样在渲染时就省去了CPU计算灯光和复杂的阴影信息，从而加快了渲染速度，节省CPU资源。常用的烘焙形式主要两种。一种是LightingMapCompleteMap LightingMap形式，烘焙生成的贴图清晰，但光感不很清晰，且只支持3Ds Max软件默认的材质，要表现模型表面丰富的效果只能用其他软件修改，适用于大面积的墙体，室内外大的地面等。另一种CompleteMap形式，烘焙生成的贴图光感好支持多数的复合材质，但是要表现好的效果需要设置的尺寸较大，否则会很模糊，适用需要重点表现的物体。
　　3.2 虚拟交互技术
　　虚拟校园漫游系统的设计是对虚拟校园场景的一个展现，同时具有交互性。其中漫游角色交互设计是实现虚拟校园漫游的关键之一。虚拟交互设计主要有界面、漫游功能两大部分。界面是用户在使用系统中的功能选择，漫游实现用户在虚拟校园中的漫游体验。常见的漫游方式是自由漫游和自动漫游两种[6]，两种方式的结合使用，给用户提供更大灵活性与参与度。
　　1）自由漫游
　　自由漫游方式，是用户的游览路径通过鼠标或键盘进行实时控制，是一种用户比较自由的漫游方式，用户可随意的游览校园。漫游设计Unity 3D引擎中预置了两个预设体，即第一人称和第三人称，提供了这两种预设体的角色控制方式，它们都具有基本的漫游行走功能，可以用键盘上的“W”“S”“A”“D”键来控制漫游角色的前进、后退，左右移动，利用鼠标变换角色的观察视角，也可以编写代码来实现鼠标定位移动的功能。
　　2）自动漫游
　　自动漫游是按设计者事先精心规划的最佳路径与最佳视角，进行参观、校园的游览。这种漫游方式有助于帮助用户在最短的时间内游览和感受校园环境。游览过程中，可利用鼠标改变观察视角。自动游览方法是创建多个cube作为漫游的导航点，将导航点合理地设置在各个游览的路径上，做到每个路口均有导航点，任何相邻的导航点间没有障碍物，可直接到达。然后进行脚本的编辑并赋予角色。
　　3）信息交互
　　采用Unity3D提供的3D拾取技术来实现信息交互。其方法是利用使用者的位置，向鼠标点击位置发出射向3D世界的一条射线，当该射线与第一个对象相交时，就被选中对象。得到选中的对象后，就将动画、图片、音频、文字等信息以相关形式向使用者展示。让用户在漫游时可以方便简捷地查询周围环境的信息。
　　3.3 碰撞检测技术
　　碰撞检测技术就是检测虚拟环境中不同对象之间是否发生了碰撞。在虚拟校园漫游系统中，要避免出现碰撞现象，如果模型在运动过程中发生相互碰撞，将会出现模型穿过模型的现象，则严重破坏漫游的真实感。因此对场景中活动的模型进行碰撞检测是十分重要的。
　　在UnitV3D中进行碰撞检测，它给每个对象（GameObject）都添加一个碰撞组件（ColliderComponent），提供了一个碰撞器、触发器两种的方式来检测碰撞事件是否可能发生。碰撞器本身就是一群组件，其中包含了盒子碰撞、球体碰撞、胶囊碰撞等多个种类的碰撞器，以适用于不同的碰撞场合。而触发器是碰撞器组件上的一个属性，只需在检视面板中的碰撞器组件中勾选IsTrigger属性。使用触发器检测，当碰撞事件发生时不会产生任何物理现象，该机制用于处理没有产生任何物理现象的碰撞。采用碰撞方式，当碰撞发生时会产生相应的物理现象，例如改变物体的位置、爆炸等。漫游过程中，使用触发器实现门的自动开关，使用碰撞器处理角色、树木和建筑物之间的碰撞。
　　4 结束语
　　本文对基于VR技术虚拟校园漫游系统设计进行了分析，阐述了系统设计的思路方法与流程，探讨了在虚拟校园漫游系统设计中的关键技术，所涉及的这些相关的关键技术，同样可以用于实验室、培训、建筑、游戏等方面虚拟现实和仿真系统的设计。虚拟校园漫游系统对学校的发展将带来一定积极的作用，一方面提升学校的形象，另一方面也为学生和希望了解学校的社会人员提供了方便。本项目的研究具有一定实际意义和应用价值。
　　参考文献：
　　[1]马萍.三维虚拟校园立体场景的设计与实现[D].济南：山东师范大学，2013.
　　[2]张明明.基于Unity3D虚拟校园漫游的研究与实现[Dl.昆明：云南大学，2014.
　　[3]仲于姗.基于Unity的3D虚拟校园漫游系统的开发[D].昆明：云南大学，2015.
　　[4]李婷婷，刘石，陈发禄.沉浸式虚拟校园仿真系统开发及关键技术研究[Jl.微型机与应用，2017，36（1）：79-82.
　　[5]姬洪强，吕敬敏.虚拟校园漫游开发中的关键技术研究[J].电脑知识与技术，2013，9（8）：1799-1800.
　　[6]尹大伟，张熙若，李欢欢，马恒锐，孟祥锐.基于Unity3D的虚拟校园漫游系统及其关键技术研究[J].软件工程，2019（9）：17-19.
　　【通联编辑：梁书】
　　基金项目：南充市科知局2017年自然科学立项项目（项目编号：17YFZJ0075）
　　作者简介：张晓琪（1960-），女（苗族），教授，研究方向为图像处理、计算机辅助设计及算法应用。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15200984.htm