基于VR的虚拟校园漫游系统研究与建设

2019-10-08马程闫俊均徐践

软件 2019年3期

马程闫俊均徐践

摘要：随着科学技术的不断进步与快速发展，现代化传感器技术、计算机软硬件技术等也在不断前进，人们对虚拟与现实技术提出了更高的创新性需求，不断追求更加和谐、自然、高效的技术手段与虚拟世界进行良好的互动与交流。目前市场上主流存在的虚拟校园系统，其核心终端多为PC机;部分移动终端也只能够进行简单的网页浏览等功能，不支持头戴式、便携式。本次设计选择头戴式结构，大大提升趣味性、沉浸性，有效提升用户的积极、主动性。本系统设计实现了一个基于VR的虚拟校园漫游系统，能够实现用户在虚拟校园当中漫游，可以根据规划好的路线进行自动漫游，也可以根据个人爱好自由移动在虚拟校园当中，还可以查看相应建筑物的介绍信息。力。也希望可以投入实际运用，所提出的设计和设计分析方法对同类设计具有重要的参考价值。

关键词：虚拟校园;移动端;漫游系统;虚拟现实

【Abstract】： With the continuous advancement and rapid development of science and technology， modern sensor technology， computer hardware and software technology， etc. are also advancing constantly. People have put forward more innovative requirements for virtual and real technology， and constantly pursue more harmonious， natural and efficient technology. Means to interact and communicate with the virtual world. At present， the virtual campus system that exists in the mainstream of the market， its core terminals are mostly PCs; some mobile terminals can only perform simple web browsing and other functions， and do not support head-mounted and portable. This design chooses a head-mounted structure， which greatly enhances the fun and immersion， and effectively enhances the user's initiative and initiative. The system design realizes a virtual campus roaming system based on VR， which enables users to roam in the virtual campus， can automatically roam according to the planned route， and can freely move in the virtual campus according to personal preferences， and can also view the corresponding building. Introduction information of the object. force. It is also hoped that it can be put into practical use. The proposed design and design analysis methods have important reference value for similar designs.

【Key words】： Virtual campus; VR; Mobile terminal

0 引言

在计算机科学技术的迅速发展下，传感器技术、计算机图形技术、软硬件技术也开始迅速发展，且在虚拟现实领域得到广泛的应用，虚拟现实已经以飞快的步伐进入人们的生活，推动各行业的发展。而现在将校园数字，虚拟化己经受到了社会各界的广泛关注，且与此相关的研究也不断的增加，数字校园也就是综合应用卫星通信技术，地理信息系统和相应的多媒体等技术而实现虚拟校园的目的。在此虚拟过程中需要利用电脑将校园内的环境、建筑、設施等数据进行虚拟化，这样用户通过终端就可以很方便的和虚拟校园进行交互。本文结合虚拟现实的关键技术，设计了一套基于VR眼镜和智能手机的虚拟校园漫游系统。

1 概要设计

1.1 系统功能设计

本系统的开发过程中，需要在一定的调查了解基础上，构建三维虚拟场景，然后将实际现状分别添加至上述虚拟环境中;系统要使每位用户都可以身临其境的体验与感受校园，要有很强的亲切感、沉浸感。为保证上述体验功能顺利实现，该应用软件必须具备特殊的交互等特性。功能结构图如图1所示。

（1）本软件首页可以选择本地模式和联网模式。本地模式不需要流量，直接读取软件下载到手机上的数据来实现后续功能;联网模式为日后增加更多细节和数据时，可以减少对硬件的要求，将更多的功能和模型放在校园网服务器上，使用时需要连接校园网，通过校园网实时下载传输数据，实现更多的功能，从而减轻本地数据的大小，是本系统有更多的兼容性。

（2）体验模式分为自动漫游体验和自由体验。自动漫游体验是精心规划了一条从正门到计算机中心的道路，这条道路从正门出发，经过教学楼、操场、小花园、校医院、礼堂、办公楼、科技楼等学校主要建筑，让同学们可以最大限度的游览学校的主要地区和建筑，帮助他们尽快的熟悉学校的主要路线，方便日后的学习生活。当使用者到达某处时，可以用手柄控制停止前进，并切换到自由体验模式。也可以随时通过光标切换回到刚刚停止漫游的地点继续前进漫游。

（3）自由体验模式则是用户可以选择从正门或者计算机中心为起点，在虚拟校园里通过手柄进行控制游览。这个模式下可以自由的穿梭在虚拟校园的任何地方，当触碰到建筑物边缘或者地形边缘，镜头将无法继续前进，给人身临其境的真实感受。

（4）本系统加入了建筑物信息简介。用户可以用中心光标对准简介图标，三秒钟后将会弹出简介框，将视线移开以后简介框内容消失。

1.2 系统开发思路

第一步：确定软件的开发环境及其需要使用的工具。

第二步：使用3DMAX对学校的场景进行建模。

第三步：运用Unity3D进行系统场景的布置、功能设计、建筑模型的搭建、各个模型的参数设置等工作。

第四步：代码实现，主要是C#以及JAVA脚本的编写，完成系统的各种逻辑的实现。

第五步：对完成的系统进行各方面的测试工作。系统的开发流程如图2所示。

1.3 系统关键技术

（1）3DMAX

3DMAX是由美国Auto DESK公司开发研制的，用来进行三维动画制作和渲染的软件，目前主要应用于PC端。3DMAX广泛应用于各种领域，主要包括工业设计、影视、游戏、广告等方面。由于3DMAX对系统的配置要求较低，还具有学习流程简单容易上手，适用于初学者，并且成本较低等特点，使得3DMAX成为使用率最高的三维模型制作软件。

（2）Unity3D

Unity3D是一个著名的跨平台游戏开发工具，在开发时为了更好的满足用户的要求，使用起来很容易上手，用户在实际的使用过程中可方便的建立起三维视频游戏、三维动画等，且可以实现一定的可视化功能，为相关的图像和视频制作提供了可靠的支持。此外其还支持 IOS、安卓、PC相关的发布功能，在应用过程中可以通过其中设置的编辑器进行各方面的编辑操作，因而可以将其看作为一个发布使用的专业游戏引擎。

（3）VR技术

VR技术即虚拟现实技术，是Virtual Reality的缩写。在计算机创造出的三维虚拟环境下，人们可以通过设备感受环境中的景色、声音等，让人感觉自己到了真实的世界当中一样，并且可以操控虚拟世界当中的物体。这种身临其境的感觉，主要是通過头盔式显示器等各种具有传感交互功能的设备实现的。

（4）Android平台相关技术介绍

Android是一种用于手机的操作系统，谷歌在2005年8月份对其进行了收购，并在2007联合其他公司共同开发了真正意义上的Android系统，在2011年成为世界第一的手机操作系统。现在Android系统不仅仅可以用在智能手机当中，还可以应用于其他智能设备中。

2 系统的设计与实现

2.1 虚拟校园的模型建设

在此方面的建模过程中，建筑物是其中的重点建模目标。而在交互体验过程中，用户访问的最多的也是建筑，因而应该更逼真的完成建筑物构建，使其和现实的贴合度更高。在此系统的开发过程中，建筑物模型的制作的难度最大，也是最繁琐的环节。因而应该在确保高度真实性和观赏性，为满足此方面的要求，本文在开发过程中应用了3DMAX 软件进行建筑物的设计，这种软件可提高构图的精细度，对电脑硬件配置没有明显的要求，因而其可以很好的满足制作虚拟校园系统相关的要求。

第一步：先在此软件中导入矢量化建筑底图 DWG。

第二步：接着进行建模工作的展开，而得到相应的建筑三维模型;

第三步：参考相应的建筑物实际参数，修改模型的高度、宽度值相关的数据;

第四步：点击所得的可编辑多边形，所得的模型进行这种多边形转换，然后通过命令修改这种模型，可以在此基础上显示出不同的细节，得到三维模型;如图3所示。

第五步：经由UVW图进行一定的贴图处理后建立相应的三维模型，然后所得的进行渲染、输出等。如图4所示。

本程序将图层分为了5个部分。对应了建筑、道路、树木、花草、小品的图层，方便管理和设计。如图5所示是整个校园模型建设完毕后的样子。

（1）光源及天空的设计

本系统中的场景偏大，场景中需要一定的光源介入才能令场景的显示变得更加生动，因此在放置光源时，要使用一定的光照贴图技术。把场景里会移动与不会移动的物体分别进行标识，再把各个区块进行分类，设计摄像机的属性，检查各边缘的阴暗程度从而对细节进行处理。在各个工作检查完后，再对场景进行烘焙，烘焙之前要检查物体上是否有贴图的UVS，如果没有就要对其另行设置。通过调整阴暗的程度来控制光照的阴影程度。在光照的过程中，光源对于采样点的收集信息是有区别的，因此要对各种光源进行补光，从而使各种光源的照射效果有视觉上不一样的效果。如图6所示，是添加光源的参数和过程。

对漫游系统进行科学地分析与理解，采取相应手段将校园漫游的视觉效果予以最真实地还原与再现，进而获取最真实的虚拟环境。本系统主要借助天空盒子系统来实现系统场景当中的天空效果。如图7所示是添加天空效果前后的对比。

（2）路点建设以及自动寻路功能

在本系统的自动漫游功能中，用户运动的路线是事先预设好的，用户只要按照先预设好的路线进行移动即可。而路线的预设是由23个路点组成的，编写时要先把路点创建进一个脚本中。第一个路点到达另一个新路点的建设过程里，本系统是通过设置子路点并使用SETNTEXT函数来实现的。如图8所示，是建设路点的过程。

当一切都实现完成后，再对场景里面的通道进行设置，排放好路点，此时就完成了对路点的建设。构建的过程中，使用DOTween插件中的DOparh方法来实现，在预先的场景上放置好对应的位置，随后使用dopath方法就能够按照路线进行行走。

（3）碰撞检测的实现

为了使用户的体验更加真实，本系统会设置单位的碰撞判定，在这里用Unity3D来制作的场景以及用户的视角，调用Unity3D自带的API开启对于单位体积的碰撞检测，就是当一个物体受到来自其它物体影响，这个时候就会出现位置或者状态上的改变，这就可以称为3D单位之间的体积碰撞。

本系统中，目标单位在触碰到地形边缘、建筑物、墙等物体的时候会触发碰撞事件，并给出相应的反应。所以在制作过程中，开发的时候会先导入场景的资源相关文件，增加一个物体去碰撞它，然后进行不断地调整，玩家是否可以透过场景，一旦设定不可以之后，这时的玩家就会是一个带有刚体性质的碰撞体。同理，系统中需要为建筑物加上一个box colliders，在这之后，玩家本身视野和建筑物边缘就会发生刚体碰撞。如图9所示。

（4）双目立体视觉的实现

摄像机和虚拟世界关系很简单，可以看作为人眼与现实世界的相关性，可通过其对立体视觉的功能进行模拟。在实际的视觉系统中，一般情况下，成年人双目的水平距离大约是6厘米，而这种软件中相应的空间的的单位是米，这样就可以设置这个摄像机的水平距离为0.06，同时据此却出相应的坐标。可以模拟人的“左右眼”。在缺乏光照情况下，整个场景就会比较黑暗，因而在设计过程中应该在一定的区间内设置光源，在此设计过程中一般选择Direct Light，具体情况如图10所示。

2.2 安装包的生成

在对相应虚拟摄像机的位置、属性等相关的情况进行设置完成之后，则通Untiy3D引擎的跨平台特性，进行输出，从而生成出所需要的APK文件。但是在生成之前，需要先安装配置JDK和SDK的环境。

在安装好JDK和SDK之后需要在Unity3d中进行偏好设置，首先Edit中的Preference选项，然后在External Tools当中，点击Browse将安装好的JDK和SDK的目录进行关联。

如图11所示。

最后，在Unity编辑器中的File 菜单栏中选择“Build Settings”选项，然后在其中找到“Android”并点击后，系统就会自动的切换到Android平台，本文在研究过程中应用了左右分屏模式，为满足此方面的应用要求，如图12所示。

3 系统展示

进入首页以后，用户将会看到三个选项，本地模式、联网模式和退出。本地模式为本系统的主要模式，用户选择本地模式以后，可以在不耗费流量的情况下，使用本系统在虚拟校园当中漫游体验。选中状态有高亮提示，如图13系统主菜单所示。

自动漫游模式：用户选择这个模式以后，将会进入虚拟校园，系统将会根据提前设置好的路线，从北京农学院正门开始到北京农学院计算机中心停止，用户可以欣赏沿途风光。如图14所示。

當用户用手柄的方向键进行操作，系统将会停止自动漫游，这是用户可以通过手柄自由控制镜头移动。当用户把视线看向正下方时候，将会看到自动浏览的选项，如图15所示。选择这个选项，用户将回到刚刚停止自动漫游的地点，继续按照系统设计的路线开始自动漫游。

建筑物简介功能：当用户在虚拟校园当中，是屏幕中心的光标对准有简介的建筑物的图标时，将会弹出对话框显示建筑物简介。当用户将视线移开以后，对话框将会自动消失。目前已经将校园的主要建筑物添加了相关简介，在以后的开发当中还会继续添加更多内容。如图16计算机中心简介对话框所示。

4 总结与展望

本论文设计主要介绍了一个基于VR的北京农学院校园沉浸式漫游体验系统，能够实现用户在北京农学院虚拟校园当中漫游，可以根据规划好的路线进行自动漫游，也可以根据个人爱好自由移动在虚拟校园当中，还可以查看相应建筑物的介绍信息。本设计充分体现了北京农学院的特色，可以起到很好地宣传作用，也可以帮助新生熟悉校园。

在其他学校的虚拟校园漫游系统当中，多是采用PC机实现，通过键盘鼠标以及显示器，有很强的操作感，沉浸感很差。少数学校开发的移动端校园漫游系统，也只是使用手机APP实现校园漫游，其本质上依然是传统操作，依然无法避免沉浸感体验很差的弊端。本系统采用VR技术作为支持，实现了在移动端使用的VR虚拟校园漫游系统，让用户可以身临其境的感受虚拟校园风光。内部操作全部是由头部跟随的光标实现，无需外置设备进行操作，做到了沉浸式体验。

在本系统的开发过程中发现，目前市面上的VR程序，无法互通互用，每家公司生产的VR眼镜和程序都需要使用自家的手机作为支持，这使得本系统无法再更多的平台上传播。本系统使用的小米提供的VR平台，所以只能在小米手机上运行，希望在以后的开发当中，可以有机会解决掉这一遗憾。

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