虚拟校园建模与漫游技术分析

（湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207）

0 引言

虚拟校园漫游系统利用计算机图形图像、虚拟现实等多种数字化技术将校园内的主要场景进行模拟构建，并基于相应的人机交互技术让用户可以根据自己的需求在方便的时间与地点访问校园系统，并通过界面进行一定的交互操作[1]。下面结合实际，就虚拟校园建模与漫游技术相关问题做具体分析。

1 虚拟校园建模与漫游关键技术分析

1.1 3dsmax建模技术

在进行建模时，以几何建模技术为基础将场景实体的主要轮廓构建起来，然后对其进行绘制渲染，让场景物体的细节更加逼真。研究与实践证明，在进行校园内建筑建模时，使用混合建模技术能有效降低建模难度，提高建模效率与质量，让构建出的场景实物更加逼真，从而让系统更加实用。在进行建模时，三维模型构建软件平台是影响场景模型显示效果的最关键因素。因此在建模过程中一定要做好对软件的选择与应用。当前，市面上表常见的几款建模软件是Maya，Sketch up，3ds Max，这几款软件各有优缺点以及一定的适用范围。如Maya比较适用于特效合成以及制作场景动画；Sketch up专攻室内场景建模；而3ds Max就比较适合用于建筑类场景建模。相较于其他几款软件，3ds Max具有较好的渲染效果，较强的建模能力以及较高的实用性。因此本项目系统选择3ds Max软件进行建模[2]。

1.2 Unity 3d漫游技术

Unity 3d软件有较多的编辑指令以及用户操作界面与可视化功能命令集，其的适用范围也比较广，可运用于创建建筑、动画、场景漫游等三维模型的互动内容。随着科学技术的发展，Unity 3d软件的功能也越来越丰富，如其拥有了交互的图形化编辑环境等，能有效满足各项使用需求。因而本项目系统选用Unity 3d作为设计与开发平台。Unity 3d具有十分详细的边际属性功能，支持动态检查场景设计或运行效果，同时也能在项目运行过程中根据实际情况对项目做出必要修改，可以说具有很强的实用性。总的来说，Unity 3d功能强大，能同时满足用户虚拟物体交互以及场景漫游功能，更重要的是该软件具有强大的地形编辑器以及丰富的天空盒资源，可以构建出逼真的三维场景[3]。Unity 3d技术的多感知性会直接影响到用户的沉浸感。当对人体多种感知，如嗅觉、触觉、听觉、视觉等感官感受模拟的更真实、更逼真时，用户的沉浸感也就更强。

2 虚拟校园漫游系统开发结构设计实践

2.1 系统实现的功能模块划分

虚拟校园漫游系统要具备一定的交互功能、展示功能等。用户根据该系统漫游场景中的提示信息能确定校园地理位置，能了解校园内部详细情况。系统场景漫游分为四大模块：摄像机、第一人称角色控制器、视角控制和地图导航。摄像机模块与第一人称角色控制器相互搭配，让使用者能够完成场景漫游、角色控制、场景特征观察等，系统中的视角控制模块则是通过对摄像机对象的控制来模拟人眼所观察到的场景，并以此达到目的。通过对视角控制模块的设计与开发，使用者可在虚拟的漫游场景中进行360°无死角观察。系统中地图导航模块的主要功能作用是：当人进入场景时，可以定位并展示人的所在位置，该模块为用户提供的服务是三维地理位置服务。系统场景交互又由四大功能模块构成，分别是模型控制、场景转换、主界面设置以及信息显示模块。其中的模型控制模块主要是让用户身处系统场景中时能够完成对场景中各项物体的控制，如调节灯光、开关门、移动物体等。场景转换主要是为用户进入到新的场景服务。当用户想要进入到新的场景时，通过这一模块用户可直接将场景中的匾额、路牌等进行点击转换进而完成场景的转换。系统中的主界面设置模块主要与背景音乐、地图操作等有关，如当用户想要开启背景音乐或全局地图时就可以通过这一模块来满足需求[4]。

2.2 系统开发设计流程

在进行该系统的设计与开发时，主要按照以下思路进行：首先，在前期的分析阶段通过实地观察、查阅文献资料等方法将系统的功能与非功能需要确定下来。其次，在构建三维模型阶段的阶段主要完成对各项参照物的获取，各项数据信息的测量等。基于显示数据利用3ds Max完成场景建模，并在建模技术后对场景模型图片做适当的渲染与后期处理，让最终的效果更加逼真。第三个阶段就是漫游交互阶段，在这一阶段以Unity 3d游戏开发平台为基础进行设计与开发，让系统具备第一人称在场景中的手动、自动漫游功能，同时也实现系统的虚拟交互功能，以便让用户的场景体验更加真实。最后，发布、测试与优化。

2.3 系统总体结构设计

虚拟校园漫游系统设计的最终目的是为了使用户能随时随地进行校园的虚拟漫游，并获得良好的交互体验。因此校园虚拟漫游系统设计一定要力求达到场景画面逼真，运行速度流流畅，系统灵活方便易于操作。为达到以上要求，本系统采用三层模型架构设计的方式进行，如图1所示。

图1 系统总体结构设计

2.3.1 建模处理

在系统设计时，运用地图软件、航拍无人机、数码相机等设备拍摄获得场景照片并绘制出场景平面图，然后利用相关图像处理软件对所获取的图像进行处理建模，获得三维场景模型。在本系统设计中，首先，对学校内的相关的道路、地形、主要建筑、植被、照明设备、装饰物、池塘等进行了拍摄，对学校主要建筑、道路等室外场景的尺寸以及建筑物的高度等进行了测量记录。获得各项数据信息后利用3ds Max进行了场景建模，在建模过程中对各图片、图像做了一定的优化。完成建模后将拍摄的图片进行了保存，利用其作为场景模型的纹理贴图。其次，对已经完成的场景三维模型进行贴图渲染与纹理材质方面的处理，让其更加逼真。最后，分类导出模型。在建模时首先要合理选用场景建模方法。经过分析研究后发现，在建模时将基于图像与基于几何的两大建模技术混合使用，使其优势互补或获得最佳的建模效果。因此，在设计与开发过程中使用基于几何建模技术构建出物体的主要轮廓特征，再利用基于图像的建模技术精细表现出模型的细节特征，让模型更具真实感、现实感。

在进行系统三维模型贴图时，结合使用3ds Max与Photoshop两项技术进行。3ds Max有功能非常强大的材质编辑器，能满足对多种材质的编辑处理，并且能通过对模拟物体平整度、透明度等的设置让模型有更真实的质感。在应用该技术对系统模型进行处理时，先通过位图将计算机中的贴图资源确定出来，再对三维模型做相应处理。

对三维模型做适当的优化，在优化时主要注意场景中两模型接缝的位置，要注意该位置的点与面是否对其，如没有对齐，要将多余的点及时删除，并对重合的点做焊接处理，将边与点的数目减少，以保证最终的建模效果。除此之外，还可在这一阶段将场景中某些模型对象看不到的面做适当的删除，确保场景中不会有无效面。对场景中模型的段数进行精简，对于模型的平直部位，直接减少分段，在弯曲部位也要尽可能避免出现过多段数。最后是设置与调整贴图文件的分辨率，一般要将其调整为2的倍数。

完成模型的调整后及时导出模型，将模型的导出格式设置为FBX等Unity 3d支持的文件格式，为后期的人机交互系统开发提供便利。

2.3.2 三维场景模型导入与场景配置

进行三维场景模型导入处理时，最常见的方式是将FBX文件及其贴图资源进行拷贝，储存到Unity 3d项目Assets下面的一个子文件夹之中。这样的方式方便简洁且能尽可能确保贴图安全，保证贴图不会被丢失。在Unity 3d软件平台中，通过Game object-Camera的方式创建出一个摄像机。在该系统中，笔者采用的是第一人称漫游方式，当用户进入系统时，摄像机就是用户的眼睛，虚拟角色在虚拟场景中能够看到的范围直接由摄像机对象的照射范围决定。用户进入系统后，在角色控制器上添加控制脚本，这样就能让虚拟角色在场景中的位置发生改变，摄像机对象的视角也随之发生变化，虚拟角色就能在虚拟场景中进行漫游与观察。

2.3.3 虚拟校园漫游交互功能

要想让用户获得良好的漫游体验，就必须优化设计系统操作界面。在设计时，先于贴图文件夹中放入操作界面的背景图片资源；再建立Title，构建系统的场景背景；最后在该场景中进行相应UI设计，让系统操作界面更加精美、合理。

在进行场景漫游设计时，自动漫游设计可以通过为项目添加一个自动漫游插件来实现，其中漫游过程中的路线点需要手动添加结合手动漫游与自动漫游两种方式。在手动漫游模式下，用户控制虚拟遥感就能根据自己的想法或需求在虚拟场景中漫游。在自动模式下，用户根据系统以及设定好的路线进行行走与观察。

3 结语

综上所述，3ds Max与Unity 3d技术具有强大的功能，较高的实用性，能为虚拟校园建模与漫游系统设计与开发带来很大帮助。合理应用这两项先进技术可让虚拟场景更加真实、逼真，让校园内的各项信息得到充分展示，也让用户的漫游体验更加真实有趣。因此，在当前背景下应持续推进对3ds Max与Unity 3d技术的研究与应用。