基于Unity3D校园虚拟展厅的构建与技术研究

2015-03-12张枝

常州工学院学报 2015年5期

张枝

(福建信息职业技术学院传媒艺术系，福建福州 350003)

0 引言

随着4G网络的普及和“互联网+”的快速发展，数字应用普及了人类生活中的每个角落，数字展厅也逐步应用到各个行业，如2010年世博会就启用网上世博会，人们可以通过网络漫游世博会并与之互动。各国也都利用虚拟现实技术制作虚拟博物馆、虚拟展厅、3D展馆，人们可以通过网络不限国界、不限时空地参观各种展览。随着“互联网+”的发展，各个企业行业都开始设置数字展厅，为客户提供有真实感的产品展示和互动体验。校园虚拟展厅通过校园网络平台展示校园文化和作品，利用虚拟现实技术制作具有真实感的校园展厅环境，并为参观者提供真实环境中无法提供的互动操作，加强参观者对校园文化的理解。

本文根据高职学院的特点，分析校园虚拟展厅的架构及实现的关键技术，探讨如何利用虚拟现实技术、三维建模技术和网络技术架构具有真实体验和互动效果的校园虚拟展厅。同时，校园虚拟展厅设计过程要注意不能简单复制校园实体展厅，而应对实体展厅进行补充和延伸设计。

1 虚拟展厅相关概念

虚拟展厅是虚拟现实技术和网络技术在展示设计中的运用，是将现实展会或企业中的真实场景和产品通过三维模型、多媒体、虚拟现实技术等多种手段在计算机上模拟再现，通过互联网供参观者访问的全新网上展示方式［1］。因此，虚拟展厅的设计与实现离不开虚拟现实技术、网络技术和展示设计三方面。

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实是以计算机技术为核心的现代高新技术，生成在视、听、触感等方面与真实环境高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验［2］。

虚拟展厅所用到的虚拟现实技术主要是利用三维建模软件创建逼真的展厅环境，利用虚拟现实工具制作虚拟漫游、人机互动等效果，最后通过互联网呈现给参观者，从而达到不限时空的参观。

1.2 展示设计

展示设计是富于秩序的设计系统，是通过一定空间环境中，采用视觉传达手段，将必要的信息展示在公众面前，并以此对观众的心理、思想和行为产生重大影响的创造性设计活动，其目的在于展示功能的最终实现，其核心是如何高效地将信息传递给观众［3］。

虚拟展厅将现实展厅的场景环境和展品利用三维建模技术、多媒体技术和网络技术等在计算机上模拟重现，并加入虚拟现实技术，用户可通过互联网和虚拟展厅互动。

2 校园虚拟展厅系统分析

校园展厅是校园文化建设的一个重要部分，传统的校园展厅一般包括校史展厅、校园专题展厅和学生作品展厅等。由于校园展厅仅能满足校内参观，故无法推广到社会层面，在时间和空间上的参观都受到限制。

随着“互联网+”的快速发展，虚拟展厅可以弥补传统校园展厅存在的不足，将校园文化、成果和作品等通过网络平台展示，让学校加入到“互联网+”的社会中，世界各地的参观者都将可以通过网络深入了解校园文化。

2.1 系统分析

校园虚拟展厅设计分为宏观设计和微观设计两部分。宏观设计包括多展馆环境设计，即根据校园文化的各个不同方面将校园虚拟展厅分成多个展馆，参观者进入校园虚拟展厅后，选择相应展馆进行参观。微观设计包括展厅内产品的细节展示与互动设计，即参观者进入某个展馆，参观某部作品，通过互动面板和鼠标操作可以多方面观察作品。下面以福建信息职业技术学院为例分析校园虚拟展厅的系统组成和功能。

2.1.1 校史馆展厅

校史馆展厅主要展示学校发展历史、办学过程、杰出校友和不同时代的学校面貌。学校可通过校史馆展厅对外宣传校园文化，因此校史馆展厅是一个精神文化的发源地，能将校园文化传承和发扬。虚拟校史馆展厅内容源于传统展厅，同时加入更多虚拟展厅元素，包括了文字、图片、照片、声音、视频、实物展品的三维模拟和交互体验等。

校园虚拟展厅的交互技术包括虚拟漫游、虚拟翻书、互动虚拟展览和电子地图等。

1)虚拟漫游。虚拟漫游是虚拟现实技术的重要分支，是指用户在一个仿真虚拟空间里，借助一定的设备在虚拟环境中进行虚拟漫游，用户可以任意走动，并从任意角度对虚拟环境中的对象进行观察和操作，从而产生身临其境的感觉，实现便捷的用户体验。该系统的实现主要包括漫游交互和虚拟三维场景两部分。校园虚拟展厅可以以第一人称视角漫游各个展馆并与之互动。

2)虚拟翻书。虚拟翻书也叫感应翻书、互动翻书等，其通过传感器技术真正实现虚拟翻书效果，读者可以挥动手臂左右翻阅书籍，还可选择自己感兴趣的章节快速浏览内容［4］。将学校历史的图、文、声、像描述设计为大书本效果，可加入互动翻书操作。

3)互动虚拟展览。互动虚拟展览为用户提供更大、更自由、更全面的交互展示平台，可供互动展览的内容有照片、声音、视频、实物的三维模拟等。展示方式包括了虚拟展示墙、虚拟展台、虚拟展柜等。交互方式包括照片、图片翻页和滚动显示，按钮点击某个展品放大显示，声音视频的按钮交互控制等。

4)电子地图。电子地图常见于三维虚拟游戏中，用户可以通过电子地图快速切换到需要的场景。校园虚拟展厅引入电子地图，让用户可以快速在各个展馆之间切换以及定位自己的位置。

2.1.2 校园专题展厅

校园专题展厅包括了校园各类专题展示，如校园成果展示、校园文化展示、校园活动专题展示等。校园专题展主要反映当前校园教学、科研等方面成果，以及文化、精神活动的开展情况和活动相关图片、文字说明、实物作品、视频内容。

校园专题展厅可以设计成以虚拟展台为主，辅助虚拟电视展示视频、虚拟展柜展示实物作品等。用户交互体验可以引入虚拟漫游和互动虚拟展览。

2.1.3 系部展厅

系统展厅可以根据学院系部进行分展馆设计，每个展馆可根据系部特色进行三维虚拟环境的个性设计。系部展厅设计可以包含反映系部文化和教学的成果展示、学生作品展示、杰出校友展示等。用户交互体验包括虚拟漫游和互动虚拟展览。

2.2 系统功能架构

校园虚拟展厅系统包括了校园虚拟展厅环境、展示内容、交互方式、数据库系统、网络管理系统和网络发布平台，具体功能结构如图1。

图1 校园虚拟展厅结构图

3 校园虚拟展厅关键技术

3.1 三维建模技术

三维建模技术是虚拟展厅构建的基础，创建一个逼真的三维环境是虚拟展厅制作成功的关键要素。目前，虚拟展厅系统中常见的三维建模方法有2种:一是利用虚拟现实软件(如Unity3D)直接建模，优点是运行速度快，如地形、几何体可以利用Unity3D软件建模，缺点是模型的真实感、精确度都不够;二是利用专业的三维软件(如3ds Max、Maya、Cinema4D 等)建模，优点是模型精细逼真，缺点是运行速度慢。

校园虚拟展厅一个重要设计目标是搭建真实感的校园虚拟展厅环境，因此三维建模方法应选择利用专业的三维建模软件，但要解决设计过程中运行速度慢的问题。

3.2 网络平台下虚拟现实交互设计

网络平台下虚拟现实交互常见的开发软件包括如下4种类型。

1)利用虚拟现实整合软件。利用各种虚拟现实整合软件制作虚拟交互平台，如 Virtools、Nibiru虚拟现实游戏平台、Quest3D、Converse3D等。这些软件的特点是可以将各种常见的虚拟元素(诸如3D模型、2D图形、声音、视频等)整合到平台上，并利用软件提供丰富的互动行为模块实现虚拟环境下的交互设计。优点是利用可视化平台即可设计出逼真效果的虚拟现实环境和交互体验，缺点是无法实现复杂的算法设计。

2)利用游戏开发引擎。目前用于虚拟现实开发常见的游戏引擎是Unity3D。Unity3D是一款由Unity Technologies开发的能够轻松创建三维游戏、建筑可视化、虚拟现实等互动内容的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎［5］。利用Unity3D软件可以直接导入各种虚拟现实元素到平台中，并设置各种交互效果，甚至可以深入进行各种算法编程，满足各层次的开发者。

3)利用虚拟现实编程语言。常见的虚拟现实编程语言包括OpenGL、VRML虚拟现实建模语言、X3D等。但编程语言对开发者要求较高，普通开发者无法轻易驾驭编程思想。

4)利用视觉类虚拟现实工具。常见的视觉类虚拟现实工具有Flash3D、暴风魔镜、3D中国等，用户制作发布虚拟现实的视频演示效果，利用虚拟现实设备(如虚拟现实眼镜、虚拟现实终端等)控制视频播放来模拟交互效果。

3.3 网络技术

虚拟现实网络技术包括了网络平台搭建技术、网络平台管理技术、数据库技术。网络发布和管理平台通常利用Dreamweaver软件、移动应用开发软件、网络程序设计软件开发，也可以通过虚拟现实软件输出基于Web端的应用。虚拟展厅开发过程中要优先考虑能否兼容网络技术的虚拟现实开发工具。

4 基于Unity3D校园虚拟展厅的构建

校园虚拟展厅的构建源于传统校园展厅，并结合利用虚拟现实技术(包括Unity3D、3ds max软件)、网络技术，实现具有真实感和交互效果的互联网端访问的虚拟展厅。

4.1 校园虚拟展厅的设计目标

校园虚拟展厅的设计目标如下:

①搭建真实感的校园虚拟展厅环境;

②实现虚拟展厅平台的便捷管理和便捷的交互体验;

③建设具有校园内涵的数字展厅;

④设计美观的虚拟展示UI界面，以及能够在网络平台上发布并管理校园数字展厅。

4.2 校园虚拟展厅的构建方法

校园虚拟展厅的构建主要采用3ds max软件制作逼真的虚拟展厅环境，使用Unity3D软件实现展厅的虚拟漫游和便捷的交互体验，利用Dreamweaver、网络发布技术、数据库技术建立后台管理和网络发布平台，最终实现整个系统的网络平台展示。

4.2.1 三维建模

校园虚拟展厅主要利用3ds max软件制作虚拟展厅模型，构建展厅的步骤和主要技术说明如下。

1)虚拟展厅的三维环境和展品建模。利用3ds max软件制作各个展馆的三维模型和展品模型。同时，为提高虚拟展厅的运行速度，利用3ds max建模时需要注意控制三维模型的网格面片数，删除模型中看不见的面与多余的顶点。此外，由于三维模型最终要导入到Unity3D系统中实现交互，而Untiy3D系统中的单位是m，并且Unity3D与3ds max的系统单位比例为100∶1，所以应将3ds max的系统单位与显示单位都设置为cm后再建模，建模时也要注意模型的尺寸比例与真实世界的尺寸比例一致。

2)三维模型的材质与贴图的制作。在3ds max软件中制作展厅材质和贴图效果时，尽可能利用程序贴图以提高运行速度;设置好材质的模型，将模型的纹理、贴图和灯光效果烘焙成贴图，并输出成png或tif格式图片，再导入Untiy3D中重新赋予模型材质。

3)虚拟展厅的模型输出。制作好的三维展厅和展品模型要输出成fbx格式文件，再导入到Unity3D中制作交互效果。

4.2.2 虚拟现实交互制作

校园虚拟展厅交互的实现主要利用Unity3D软件制作各种虚拟交互效果，包括虚拟漫游、虚拟翻书、互动虚拟展览。

1)虚拟漫游。本文提出直接利用Unity3D软件制作虚拟漫游，且以第一人称视角方式漫游虚拟展厅。制作过程中要注意漫游路径的选择、漫游过程中解说词的节点设置以及漫游过程中的节点提示设计。同时，用户可选择引入卡通角色作为第三人称视角漫游，提高虚拟漫游过程的引导性和趣味性。

2)虚拟翻书。虚拟展厅引入虚拟翻书技术，展示校史馆的历史文化。本文利用Unity3D的Mega-Fiers插件实现翻书的3D效果，并利用xml格式文件实现翻书内容的组织。虚拟翻书的交互控制也同样多样化，可以利用按钮进行翻书操作，也可以利用触摸技术实现翻书效果。

3)互动虚拟展览。虚拟现实中最经典的交互就是按钮和触控。校园虚拟展厅系统中的虚拟翻书、展板、展示墙、展柜、电子地图等展示都可以引入按钮和触控技术。用户通过按钮和触控的控制，便捷地穿梭在虚拟展厅中浏览更多的展品。

4.2.3 网络平台构建和网络发布

校园虚拟展厅开发过程中涉及的网络技术包括:利用Dreamweaver软件搭建虚拟展厅后台管理系统;网络数据库的创建;虚拟展厅的网络发布平台。

Unity3D软件可以实现多平台网络发布功能和数据库连接设计。校园虚拟展厅的网络发布包括了PC端、MAC端平台的发布、IOS平台的发布、Android平台的发布等，但移动端平台的发布需要购买Unity3D专业版以及需要安装移动开发相关软件才能发布成功。