虚拟校园漫游系统的设计与实现

王晓燕 周德煜

摘 要：随着社会的发展和科学技术的进步，虚拟现实技术已经成为计算机视觉、图像处理、计算机图形学、人工智能研究的热点。本文从校园漫游系统的理念与思路、场景创建，到实现虚拟校园漫游系统展开论述，可以在丰富虚拟现实技术在教育系统方面的研究成果基础上，为以后的研究成果提供便利，具有很大的参考价值。

关键词：虚拟现实;虚拟校园;漫游系统

虚拟校园对环境和三维景观进行数字化和虚拟化，通过三维虚拟校园，进入校园网络的用户不仅可以在校园内浏览，还可以利用虚拟交互来完成校园漫游，并实时了解校园教学生活条件。通过虚拟校园漫游，可以了解学校的总体布局，熟悉各职能部门和建筑物的位置分布，并可以更快地融入校园生活，这对学校的发展有着极大的积极作用。

一、漫游系统的设计理念与思路

（一）虚拟场景设计

首先对学校里的建筑物分别进行建模，然后对室内场景进行建模。建模完成后，对模型分别进行优化，然后根据地理信息将所有模型进行拼合。在场景建模环节上，应当最大程度的发挥建模效用，不减少场景真实度，不降低区域内的整体性，并且有效的减少场景渲染的繁杂。

（二）虚拟交互设计

借助于建模所得到的场景模型后，还需要对展示过程中的视角把握。而上述工作可以通过Unity 3D内的游戏引擎予以实现。因此，模型创建完毕后将整个场景导入游戏引擎Unity 3D中进行脚本编写，完成第一人称漫游以及多视角漫游，从而给整个系统赋予沉浸性、交互性和真实性。

二、虚拟校园漫游系统的设计

（一）三维校园虚拟场景设计

构建真正的虚拟校园是制作每个校园建筑的环境对象和特定楼层平面图。如果用戶没有图形，但应该知道一般学校轨迹的基本数据以及每个项目的长度、宽度、高度以及坐标校园位置。这些信息可以通过实地考察、电子地图和虚拟球体软件获得。

校园中的每个生物对象都是一个单独的模型，虚拟校园中的场景模型分为两类。一种类型是基于场地（例如陆地和天空）在空间中不断分布的景观，另一种类型是由离散实体识别的特征，以独立的个体而存在的地物对象，例如建筑物、树木、路灯等。根据特定场景模型的类型和复杂性，采用适当的建模方法，最终得到、校园中各个实体文件。

（二）三维场景制作基本流程

（1）建模。三维建模主要有多边形建模、曲面建模和细分建模三种。

（2）材质。根据动画原画给模型赋予材质，材质可以通过各种渠道收集各种贴图材质，也可以绘制材质。

（3）灯光。根据氛围设计图，架设灯光，在Maya中提供了6种灯光类型。通过这6种灯光可以很轻松地模拟出自然光、人工光和特需用光。

（4）渲染输出。预览场景，检查模型、材质和灯光是否有问题，若有问题，则及时修改，最终设置和渲染输出。

（三）校园场景模型渲染输出

（1）首先打开Maya中的Mental Ray渲染器，找到mayatomr.mll选项，勾选loaded，这样Maya就会自动加载Mental Ray了。

（2）添加渲染处理元素，并设置材质和添加灯光效果。在灯光效果上选用直线照射灯光，后期可以减少处理阴影的过程，Maya会自动后台对阴影部分进行优化。

（3）完成渲染，在最后对模型进行一个完整的优化即可完工。

（4）利用Maya的真实渲染，使模型更加真实，同时设置灯光等，使单位元素更具有色彩和层次性。

三、虚拟校园漫游系统的实现

（一）整体拼合

要把不同的模型整合在一起，必须首先深刻了解坐标系。在Unity 3D中，能创建任意数目的坐标系。每个新坐标系都是相对于另一个坐标系的原点而定位的，称为坐标平移。当一个新的坐标系相对于另一个时，就是说新坐标系是嵌入到父坐标系中的子坐标系。同样地，父坐标系也能嵌入到另一个坐标系中。坐标系的这种父子关系产生一个坐标系的家族树。坐标系树中最上面的父坐标系是Unity 3D文件中的根坐标系。每个Unity 3D文件都有一个根坐标系。所有其他坐标系，根据它们在坐标系家族树中的位置，直接或间接地属于根坐标系的后代。所以根坐标系常常被称为世界坐标系。

（1）根据总平面图，利用一个Box节点来作为学院的整体地表，更改其参数，使得它的大小和学校的总面积相同。

（2）以学校正门为参考点，通过电子地图（如百度地图）测量其他建筑距参照点的距离，根据比例，用Transform节点改变实体位置。

（3）使用Inline内联节点，将创建好的各实体整合到校园中确定的位置上，最终完成虚拟校园的整体建设。

（二）创建摄像机

在单元中创建一个按钮，然后选择相机。这样就完成了相机的创建。为了使系统模型更加逼真，因此选择使用透视摄像机。继续添加两个相机，使3D效果更加明显。首先将添加的摄像机都放在一平面上，去调整两个摄像机的角度，让视角平视前方，就像人眼一样。将两个摄像头其中一个放在第一人称控制器中的主摄像头下，然后关闭它所具有的摄像头。创建两个允许查看视图的Render Textures。创建的Render Texture可以放在图层中。为了观察两个Render Textures，所以创建一台机器，并使它垂直放置。最后，将设备命名为相机。将编辑好的代码导入到主相机中，这样就可以实现自由漫游了。

四、结论

虚拟校园漫游系统不仅可以提高教学、研究和后勤支持管理的效率，也可以在互联网和手机上发布，以展示学校的校园形象、场景、科研、设置机构、设置的历史、教学设施部门和专业发展的成果，以及国内外的合作与交流，具有广泛的应用前景和推广价值。

参考文献：

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[4] 冯建平，吴丽华.基于全景图像的三维全景漫游系统的构建[J].计算机与数字工程，2013（5）：18-19.

本论文为山东协和学院2019年实验室开放立项项目：虚拟校园漫游系统的设计与实现（项目编号为：2019SYKF07）的研究成果。

作者简介：

王晓燕，（1982-）女，山东烟台人，副教授，山东协和学院数字媒体专业教师，主要研究方向：数字媒体技术

周德煜，（2000-）女，山东淄博人，山东协和学院数字媒体技术专业学生，主要研究方向为：数字媒体技术、图像处理