基于Untiy3D的三维虚拟校园漫游仿真系统设计与实现
随着科技的发展,人们不再满足于以往的亲临校园,或者以视频、照片等方式了解校园风貌,再加上各大高校招生规模的扩大,人们希望用更加简洁、直观、现实的方式了解和管理校园,提高学校的知名度,促进学校的发展。这就迫切需要一种新的校园展示和规划、管理的平台[1]。在此背景下,三维虚拟校园应运而生。
三维虚拟校园是虚拟现实技术、计算机网络技术、图形图像技术、多媒体技术等领域的高新技术在教育领域的综合应用,是数字化校园和智慧校园建设的重要内容,它打破了空间的局限性,能够直观地、真实的展现交互式三维校园场景[2]。
本文针对目前国内三维虚拟校园仿真效果欠佳、缺乏互动性、开发周期长等问题,以山西大同大学虚拟校园为研究对象,以一种交互性强、渲染效果好、开发周期短的开发方法,设计并实现了一个具有视觉和听觉、交互性较强的三维虚拟校园漫游仿真系统。
系统使用3ds Max等工具进行场景构建,使用Unity3D作为开发平台进行漫游和交互的设计,实现了山西大同大学虚拟校园的自动漫游和自主漫游。自动漫游可使用户按照预先设定好的路线全方位地浏览校园的各种环境,以产生身临其境之感;自主漫游带给用户较强的交互体验和沉浸感,可使用户通过鼠标、键盘自主控制虚拟人的走向,按照自己的意愿游览建筑,通过导航地图的配合准确定位虚拟人所处位置,点击建筑物按钮实现建筑物内外场景的切换,使用户既能浏览校园户外风光,又能进入主要建筑物内部了解教学环境。场景解说和背景音乐的加入,更增加了用户游览的兴致。
二、系统总体设计
依据需求分析,系统开发主要包括两个部分,即虚拟校园场景的构建和虚拟漫游交互设计。
1.虚拟校园场景的构建
虚拟场景的构建要以真实校园为蓝本。在构建之前需要采集相关数据,即需要获取校园建筑的实际尺寸并拍摄建筑物的相关图片,为后期建模和贴图做准备。虚拟校园场景的制作过程较为复杂,涉及到的相关技术较多。
在进行虚拟场景制作时,首先根据校园建筑物的实际尺寸,使用AutoCAD绘图软件绘制整个校园平面图,以确定各建筑物的平面布局和位置。AutoCAD是建筑行业中首选的平面图绘制软件,它简单易用,功能强大。
绘制好平面图后,就可以利用3ds Max进行各建筑物及虚拟人物的建模,完成整个三维虚拟校园场景的创设。3ds Max功能完善,容易上手,具有多种建模方式,其中强大的多边形建模非常适合建筑类建模。
三维虚拟仿真校园的模型制作好后,需要为建好的模型赋予材质,以准确表达模型的色彩、纹理、对光的反射、折射等物理属性。
为了模拟真实校园场景,需要添加灯光效果以突出场景的层次感,使场景更加真实、自然。为了减少CPU的计算时间,可以采用贴图烘焙技术将光照信息变成贴图形式。
完成上述内容后,需要将最终完成的模型导出为Unity3D兼容的. fbx格式。
2.虚拟漫游交互设计
系统以Unity3D为平台对虚拟场景进行交互设计。Unity3D是一款跨平台的专业商业游戏引擎,用它创建的游戏能够发布到浏览器、个人机、移动设备等平台上运行。Unity3D功能强大,且具有很强的交互性功能,利用它可以更快、更容易地创建三维游戏、三维动画、建筑漫游等游戏类项目[3]。
将.fbx格式的模型导入Unity3D中进行校园漫游系统的设计,内容包括界面制作、自主漫游交互设计、自动漫游设计、建筑物解说和背景音乐的添加。
系统完成后还要对系统进行优化,最后打包发布成可执行文件。如上所述,虚拟校园漫游系统的总体设计与开发过程如图1所示。
三、系统的实现
1.前期准备
虚拟校园场景建立的目的是反映真实校园,为了符合建筑物实际情况,在搭建场景之前需要通过查阅历史资料和实地测量,获取建筑物的真实尺寸;为了能反映场景模型的表面质感、纹理、色彩等,需要通过高清相机拍摄建筑物表面照片,包括外墙、地面、路灯、植物等,然后利用Photoshop软件对采集的图片进行相应的处理,得到模型表面贴图。
2.绘制CAD平面图
在模型设计之前,首先根据查阅的历史资料和实际的测量数据,利用AutoCAD绘制山西大同大学整体平面图,以确定路面及建筑物的平面布局和位置,在宏观上对校园建筑进行把控,为后期整个校园场景的整合奠定基础。图2为大同大学北校区道路分布图,图3为学生宿舍平面图。
3.建模
绘制好平面图之后,就可以使用3ds Max中丰富的建模技术对室内外建筑进行建模。校园场景复杂,使用的建模方法也较多,对于不同的物体有不同的建模方法,同一物体也可能有多种建模方法。如何选择合适的建模方法,对系统的性能起到关键的作用。结合经验,将如何选择建模方法总结如下[4]:
(1)基本三维型体的直接建模:对于通过3ds Max中提供的标准几何体和扩展几何体及其相互组合便可完成建模的物体,可直接进行建模,比如日常生活中常见的规则的桌子和椅子。
(2)多边形建模:对于需以标准几何体或扩展集合体做为初始型体,但结构较复杂的物体,需将其初始型体转换为“可编辑多边形”或“可编辑网格”,并在编辑面板中选择点、面进行修改从而达到理想的建模效果。
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