基于SketchUp 和Unity3D 的虚拟校园漫游系统

陈睿

（1.太原理工大学现代科技学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学艺术学院，山西 太原 030024）

20 世纪80 年代由美国人拉尼尔提出的虚拟现实技术，巧妙灵活地结合人的视、听、触感官系统及运动行为，在计算机中逼真地模拟出现实世界，将人与计算机融为一体，从而使人置身于真实世界中[1]。这种技术可以真实模拟现实环境，让体验者通过多种感官的结合沉浸于虚拟环境中，同时具有交互性强的特点。

近年来，随着各高校招生规模的不断扩大，建立数字校园可提高大众对学校的认知，国内部分高校纷纷利用此技术模拟校园现状，为社会群众和校园师生提供一个直观、交互性强的交流平台。此外，这也是一种很好的展示校园文化、提高师生生活质量的有效方式；作为远程教育的基础平台，也可为社会带来巨大的经济效益和社会效益。为此，提出了建立虚拟校园的想法。

作为我国在山西省唯一的“211 工程”重点建设大学，太原理工大学也紧跟时代脚步，做好创新工作，建立数字校园建设平台。明向校区，是高新区内所有高校中规模最大的校区，它的建设也将成为学校乃至全省教育发展的重中之重。因此，简单地模拟三维可视化校园环境可在一定程度上满足师生在教学、教务、校园生活等方面的基本需求。本文以太原理工大学明向校区为研究对象，基于SketchUp 和Unity3D开发平台，重点讨论虚拟现实中的关键技术，建立校园的三维模型，实现校内行走状态和飞行状态下的自主漫游。

1 SketchUp 和Unity3D 概述

三维建模阶段采用简单且易上手的Google SketchUp 软件建立校园的立体模型，并利用自带的优化功能减少模型的数据量，提高系统的运行效率[2]。其导出的3D 模型文件可以直接导入功能较为强大的综合型开发引擎Unity3D 中。相比其他制作三维场景的软件而言，该软件支持的文件格式更多，兼容性更强，对于互动性较强的大型场景，更能发挥其优越性，且具有良好的实时交互性，支持多平台发布，在三维游戏、动画、建筑等开发中应用自如[3]。另外，可以与其他大多数的相关程序一同工作。

2 技术路线

本研究借助SketchUp 软件，建立虚拟的三维校园模型，然后基于Unity3D 引擎实现用户与校园的交互。系统的开发主要分为以下三个阶段：①根据学校实际建设情况，获取准确的地形图、各建筑物的准确数据等，进而建立三维模型；②优化单体模型，进行贴图，以便提高物体的真实度，建立完整的校园场景；③基于Unity3D 引擎实现物体的碰撞检测及动态加载，完成校园漫游。

3 场景建立

3.1 收集数据

建立三维模型之前，需要收集的数据内容包括：校园各楼的大概尺寸、二维平面图、实景照片等。这些数据的准确度直接影响着三维建模的真实程度，所以实地采集数据时均采用专业数码相机，尽量减小因拍摄的倾斜度带来的误差。之后，所有的照片都采用图形编辑软件Photoshop 进行处理，以辅助三维建模。

3.2 建立初步模型

使用SketchUp 软件，根据收集到的数据按照“从大到小，从整体到布局”的原则依次建立单个的建筑模型，过程中尽可能地减少多余的面和线。对于结构比较特殊的建筑，需要耐心修改，通过削减面等复杂操作才能完成。

3.3 纹理贴图

使用处理好的照片对物理模型贴图，来提高模型的真实度。对于景观模型（植物、水体等）和人文要素模型（路灯、车辆等），可以在Sketchup 组件库中搜索到，再结合实际要求灵活改动，以实现景观和人文要素的快速表现。对于道路、草坪等的建模，仍在SketchUp 中根据获取的平面图先简单勾勒，再贴上相应的材质。部分模型如图1、图2 所示。

图1 行知楼模型

3.4 建立虚拟场景

在完成所有的单体模型后，需要将这些模型放置在特定的具有交互功能的三维环境中。在SketchUp 中选择文件，导出命令项，然后在导出为fbx 文件对话框中可以看到信息提示：已处理的SketchUp 图元（组、实例、面、材质、纹理），已导出的fbx 图元（面、材质、纹理）个数等信息，这样就成功导出了fbx 文件。之后在Unity3D 中导入fbx 文件，并将模型拖拽到场景中的合适位置，如图3、图4 所示。

图3 东南俯视图

图4 东北俯视图

这个过程容易出现两个问题：一是材质丢失，二是模型比例问题。对于材质，建议一律采用标准材质，并且有统一的命名规范，所有模型中不同的材质不能出现相同的命名，否则会在unity3D 中出现材质替换的问题。在导入fbx 文件前，必须导入贴图，一并放在assets 文件夹下。模型的比例则是要处理好Unity3D 中的默认单位及SketchUp 中的单位换算。在Unity3D 中导入校园地图，再依次按照地图显示的位置导入各个建筑物的模型，并添加其余景观模型和人文要素模型；接下来使用Unity3D 自带的烘焙、渲染等功能调整场景灯光亮度、太阳光晕等自然环境，添加天空盒更增强了场景的立体感和真实感。

4 场景漫游

4.1 碰撞检测

实现三维场景漫游的首要问题是实现虚拟人物与地面、建筑物、景观等的碰撞检测。通俗的说，碰撞检测就是为了解决现实生活中诸如人不能穿过墙，人不能直接从车所在的区域直接穿过等问题，即不同实物在同一三维空间中不能同时占有同一区域，并且不能发生穿透等行为。

作为虚拟现实中的关键技术之一，他的主要作用是要准确判断任意两个实体之间能否穿透及碰撞，并且提供穿透碰撞的精确位置。该平台中实现碰撞检测的方式较灵活，本系统采用了包围盒法。

4.2 动态加载

动态加载物体类主要实现了动态添加物体模型到场景中的功能。实现过程是获取IP 地址，将客户端与服务器进行连接，通过在给定目录下获取所需模型的文件来加载模型，调用add（）方法将实物添加到模型数组，以便对不在视角范围的场景进行删除操作。

4.3 实现漫游

本系统采用第一人称主视角的方式进行漫游，给观赏者更强的代入感，如图5、图6 所示。

图5 俯视游览

图6 游览学生公寓

利用平台中存在的FirstPersonController 作为用户的控制对象。在工程面板中显示出该对象由4 个组件组成，分别是Transform、FPSWalker、CharacterController、MouseLook。此外，在Unity3D 中，是以层次关系来组织相关物体的。用户以第一人称视角在校园中进行漫游，按住W、S、A、D键摄像机对应前后左右移动，按住鼠标左键摄像机随鼠标转动方向观察当前位置，按住空格键可以实现跳跃。另外系统中加入了背景音乐，增强了环境的真实感。

5 结论

本项目成功构建了校园场景，实现了虚拟漫游，同时具有良好的沉浸性与交互性，并且利用图像、声音相结合的方式开发整个系统，科学性与趣味性并存，是虚拟现实技术在校园建设中的良好应用。使用当前较为流行的Unity3D 开发平台，引入虚拟现实技术和游戏开发的一些思想，让用户以良好的客户体验方式全面直观地获取校园信息，提高工作学习的效率。