基于3ds Max與Unity 3D的三維虛擬校園系統的設計與實現

喻臻鈺++楊昆

摘要：虛擬校園是虛擬現實技術的一個具體應用。三維虛擬校園漫游系統可給予體驗者身臨其境的真實感，從而模擬現實環境，為使用者提供便利，也為學校展示自身風采提供了有效途徑。本設計基于虛擬現實技術，使用3ds Max建模，依靠Unity 3D搭建場景，最終實現云南師范大學主校區的三維虛擬校園系統，對本校的宣傳有一定作用。

關鍵詞：3ds Max；Unity 3D；虛擬現實；虛擬校園；三維建模

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0218-04

Based on the 3ds Max and Unity 3D Design and Implementation of a Three-dimensional Virtual Campus System

YU Zhen-yu1，2， YANG Kun1，2

（1. School of Information Science and Technology， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China； 2. GIS Technology Engineering Research Centre for West-China Resources and Environment of Educational Ministry， Kunming 650500， China）

Abstract： Virtual Tour technology is virtual reality technology branch， virtual campus is a specific application of this technology. Three-dimensional virtual campus roaming system can give those who experience an immersive realism to simulate realistic environments， provide users with convenience， but also for schools to demonstrate their presence provides an effective method. The design is based on virtual reality technology， the use of 3ds Max modeling， rely Unity 3D structures scene， and ultimately a three-dimensional virtual campus system of Yunnan Normal University main campus.

Key words： 3ds Max； Unity 3d；virtual reality； virtual campus； three-dimensional modeling

1 概述

在信息化技術不斷發展的今天，眾多領域均通過計算機應用為用戶的使用提供便捷。虛擬現實技術是眾多計算機應用中被使用最為廣泛的技術之一，它已逐漸從幕后走到臺前，從實驗室的研究項目走向實際應用，遍及各個領域，虛擬現實技術已成為計算機應用行業的研究重點[1]。隨著“數字地球”的提出，將虛擬現實技術應用到日常生活勢在必行。其中，虛擬校園是“數字地球”建立于學習與生活中較為直觀的體現，它運用圖像處理技術和計算機圖形學相結合的三維可視化圖形圖像并在屏幕上顯示，實現了人機交互的功能，為師生、家長提供了極大的方便，具有宣傳學校、提高知名度的作用[2]。

2虛擬現實技術的國內外研究動態

2. 1國外研究現狀

美國是虛擬現實技術的發源地[3]，目前其研究水平遙遙領先于世界各國。美國圣何塞州立大學已在虛擬世界平臺“第二人生”（ 世界上最受青睞的三維虛擬平臺之一）上建立了虛擬校園[4]。英國、日本、德國等國家對于虛擬現實技術的研究也處于領先地位[5]。德國某大學為使學生便于查詢和研究，聯合研制出基于三維GIS的城市模擬系統。日本發達的動漫，聯合先進的虛擬現實技術，于2014年12月設立全球首所“虛擬學?！?[6]，可讓受心理問題困擾的學生在家中化身虛擬人物，利用手機搖桿自由學習和交流。

2. 2國內研究現狀

我國的虛擬現實技術起步于20世紀80年代，最早在高校中研究，與一些發達國家還有一定差距。近年，我國已將虛擬現實技術列為國家重點研究項目[7]，許多重點院校及實驗室也加入其中，清華大學、廈門大學、浙江大學等學校相繼推出了三維虛擬校園系統。北京林業大學、武漢生物工程學院等院校通過實現虛擬校園的形式有：單純圖片式， 360度全景拍攝、交互式三維仿真[8]。大多數已實現的虛擬校園是采用平面地圖和部分實景拍攝整合而成，使用者對這樣的系統比較被動，場景不真實，過于機械化，難于實現智能化的人機交互。若采用360度全景拍攝存在的問題是場景并非連續，依然無法克服缺乏互動感的缺陷。然而通過制作三維場景模擬校園并實現漫游，這樣無疑虛擬再現了真實場景，便于體驗者參觀校園，欣賞美景。

3 虛擬現實技術相關軟件

傳統的人機交互往往停留在二維空間上，雖可實現功能，但用戶感受性差，且與真實環境出入較大，難以實現較好的人機交互和智能化。此系統主要使用的軟件有3ds Max、Unity 3D和Photoshop等，開發環境如表1所示。

3ds Max是主要的三維建模工具，在三維虛擬校園中，整體場景和每個建筑的效果直接影響用戶使用的逼真度。Unity 3D是一種基于開源.net，即Mono.net的組件化的游戲引擎，具有開發效率高、運行穩定、用戶界面良好等特點[9]，其內置的API函數與開發工具Visual Studio結合能夠高效地開發出仿真系統。

4系統總體框架設計

4.1技術路線

通過校園地理信息的數據采集與整理，使用三維建模軟件進行精細建模，進而對三維模型進行處理，再根據實景規劃將模型導入系統，并生成虛擬校園漫游功能。在系統中加入光照效果、玻璃鏡面的反射效果、碰撞測試、飛行鳥瞰等效果，并附加建筑物屬性[10]，按要求設計漫游系統中各種三維物體能夠進行方便的操作，再對漫游方式進行設定和規劃[11]。在Unity 3D中用C#設計用戶交互界面，基于SQL Server數據庫構建虛擬校園系統數據庫，再連接數字校園系統數據庫實現數據共享 [12]。具體技術路線如圖1所示：

4.2系統的總體設計

為利于系統的開發、維護、部署和擴展，本設計基于“分而治之”的思想采用三層架構模式（數據訪問層、表示層、業務邏輯層）開發-。其中，數據訪問層采用SQL Server2008實現查詢功能。表示層為界面外觀設計，效果如圖2所示。業務邏輯層則為系統的邏輯建構，系統健壯性是決定系統成敗的關鍵，高內聚、低耦合為最終目標，由此對于輸入、輸出功能的有效性驗證工作是必不可少的[10]。

4.3 功能模塊設計

無論做怎樣充分的準備，最終目標都是要使系統“活”起來，這便需要加入控制腳本實現相應功能[11]。

4.3.1查詢功能

查詢功能的實現有兩種：使用Unity 3D內置的小型數據存儲PlayerPrefs；使用外部數據庫。對于數據訪問需求不大的情況建議使用PlayerPrefs，它通常用于手機客戶端的數據存儲訪問。而本設計采用的是連接SQL Server 2008，其實現如圖3所示。

實現查詢功能是將數據庫查詢的結果通過函數返回值的形式傳到腳本變量，然后通過變量的調用顯示到屏幕。這里需用到Find（）方法，在使用中要注意：Find（）方法是通過遍歷本場景中所有Game Object而實現查找的，由于Update（）與Awake（）這類方法每幀都要執行，如果Find（）方法大量使用在這兩個函數中，則會導致運行卡頓，極大占用系統資源，且存在很大崩潰的風險。

4.3.2路徑查詢功能

路徑查詢功能的實現有多種方法，例如NavMesh、A*、GameObject、發送射線等。本設計采用的便是NavMesh與發送射線的方法。使用Unity 3D的NavMesh進行路徑查詢，設置相對繁雜，但腳本調用相對容易，且路徑查詢過程中不易出現主角與建筑碰撞導致無法行走的情況。先將場景中能夠路徑查詢的區域用NavMesh烘焙，再用相同方法烘焙不可查詢的區域[9]，如圖4所示。最后添加NavMeshAgent組件在需要路徑查詢的主角上啟動查詢，編寫腳本后添加到路徑查詢的主角，腳本調用agent.SetDestination（）函數即可實現。

4.3.3小地圖功能

使用KGFMapSystem[5] 插件實現小地圖標志，效果如圖5所示。小地圖周圍的四個按鈕可實現放大、縮小、最大化、鎖定方向等功能。

圖5 小地圖

4.4數據采集處理

在校園整體布局設計中，建筑的位置擺放，花草樹木的種植范圍以及地勢的高低起伏是直接影響作品效果的因素，本文以云南師范大學呈貢校區真實場景為例，采用Google GetScreen軟件進行截圖拼接，獲取相應位置的衛星影像，并進行研究區裁剪，結果如圖6所示。在建模過程中，為夠更好的還原模型真實感，需在研究區大量采集真實圖像，經過處理，附加于模型，使其渲染效果逼真。

4.5三維建模

三維建模的方法有多種，本設計使用的是二維圖形建模和多邊形建模。該類方法較好地提高整體建模效率，且可修改性高，便于后期維護。建模完成后，通過STL檢查對模型多余的線和面進行刪除，減少數據冗余。

5系統發布

系統制作完成后需發布才可實現共享，目前Unity 3D已支持常見設備格式，本系統發布了網頁、客戶端和Android版。

將構建虛擬校園漫游系統三維模型場景所需的素材導入工程項目Assets目錄下并打包發布。調整Unity 3D的發布配置，從菜單欄選擇 Edit->Project Settings->Player，進行發布設置，如圖9所示。

6結論與展望

三維虛擬校園對學校建設具有輔助作用，也適應了信息社會發展的趨勢，具有重要的理論、現實意義與價值。三維虛擬校園系統對學校對外宣傳、招生就業、學校面貌的展現具有非常重要的作用，是校園信息化平臺建設的重要組成部分。

本系統以清華大學及廈門大學三維虛擬校園系統為參考，結合云南師范大學虛擬校園建設的實際需求，利用3ds Max建立虛擬校園場景，通過Unity 3D進行發布。用戶可通過多平臺進行校園瀏覽和人機交互，為后續的虛擬校園建設工作打下了堅實的基礎。對于本設計中，草地、花臺等細微模型，及深入的空間分析、沖突檢測等，有待完善和提高。

參考文獻：

[1] 趙德彩. 山東科技大學三維虛擬校園系統設計與實現[D].青島：山東科技大學，2013

[2] 劉柱. 基于Unity Web3D虛擬校園的設計和實現[D].大連：大連理工大學，2014

[3]馬瑞. 基于Unity3D的多平臺三維虛擬數字校園的設計與實現[J]. 蚌埠學院學報，2014（2）：13-16.

[4] 吳慶雙，王楠. 安徽師范大學三維虛擬校園系統建設研究[J]. 重慶文理學院學報：自然科學版，2012，1（1）：62-67.

[5] 閆麗娟. 校園三維地理信息系統的建模與可視化研究[D]. 大連：大連理工大學，2013.

[6] 洪德法，盧文喜，李偉，等. 三維虛擬校園系統的設計與實現[J]. 地理空間信息，2012，1（1）：84-87+3.

[7] 劉杰，孔令德，楊慧炯. 中華傅山園三維虛擬漫游系統的研究與設計[J]. 電子測試，2012，12（1）：87-91.

[8] 原發杰，路立偉，邱健壯. 校園三維虛擬漫游系統的建設研究[J]. 山東農業大學學報：自然科學版，2011，4（1）：586-590.

[9] 劉柱，劉瑾. 虛擬校園的設計和實現[C]//中國高等教育學會教育信息化分會.中國高等教育學會教育信息化分會第十二次學術年會論文集.中國高等教育學會教育信息化分會：，2014：11.

[10] Nicolas Imbert，Frederic Vignat，Charlee Kaewrat，Poonpong Boonbrahm. Adding Physical Properties to 3D Models in Augmented Reality for Realistic Interactions Experiments[J]. Procedia Computer Science，2013，25（1）：11.

[11]]舒中義. 基于Unity3d技術的三維數字校園系統研究[J]. 科協論壇：下半月，2012（12）：80-81.