浅议华夏数字化3D虚拟校园

文李春辉

一、引言

随着三维虚拟现实技术的迅速发展，各高校都开始探索虚拟校园的建设。其中有数字化3D虚拟校园-APP的建设，用户使用手机登录虚拟校园系统-APP，观看校园的景观，感受学校的校园文化，以达到学校全方位介绍校园的目的。数字化3D虚拟校园APP系统的主要作用包括：展示学校的特色校园文化、实现校内定位导航，提供事务指南、招生宣传与迎新服务等，这些是校园信息化建设的重要组成部分。

华夏数字化3d虚拟校园系统是运用VR虚拟现实技术结合三维技术和数据库技术，建立基于网络的、可交互操作的、三维数字化的虚拟校园APP系统，实现在手机上远程欣赏广州华夏职业学院风景的设想。

二、开发平台

（一）3dsmax与Photoshop

3dsmax是一款集三维建模、骨骼动画及特效和渲染的三维制作软件，主要应用于室内设计、影视制作、工业设计、三维动画、多媒体制作、游戏制作、以及工程可视化等领域。本案例主要运用3dsmax制作校园中的模型与UV拆分，使用Photoshop绘制与处理模型贴图，从而达到逼真的还原效果。

（二）Unity3d

Unity3d是一款集三维游戏、建筑可视化、实时三维动画等系统开发平台，具有高效良好的图形实时渲染效果。该软件同时支持Direct3D和OpenGL，采用了Nvidia PhysX的物理引擎并支持Lightmap Baking光影渲染系统。本案例使用Unity 3D的数字化虚拟平台开发华夏3D数字化虚拟校园手机APP系统，可以降低项目开发的难度，大大提高了APP系统制作的效率。

三、校园的数据采集与模型制作

（一）数据采集

数据采集的主要内容有：第一，使用百度地图截取学校的平面图，百度地图使用卫星定位的平面图，校园的大比例相对比较准确；第二，现场实地测量，测量建筑的占地面积以及道路的宽度、各建筑之间的距离等；第三，使用手机的相机功能，多个角度拍摄每个建筑的结构，作为三维模型的参考素材，为以后的贴图工作做准备。第四，通过问卷和访谈的形式，对于学生和教师进行访问和调研，从学生和教师的需求中得出用户最关注的校园的关注点。

（二）制作学校的建筑模型

根据前期的校园调查和访谈，确定了学校交互的重点在于学校的大门、创新创业大楼、华夏苑、实训室等场所是师生最重要的交互场景，因此该虚拟模型的搭建可从这几个点进行制作，并且主要围绕教育教学的观念进行交互动作的设计。从之前的研究和发现可以看出大多的虚拟校园，只是以简单的校园展示为主，但是此次构建的校园场景会增强交互的功能，比如在各个教学楼的附近进行交互的语音或者文字的展示，并且会有一系列游戏的互动，提升学生对虚拟校园系统的使用感，并且能够进行移情。

根据前期数据采集的素材作为参考对象，使用3ds max制作校园模型。制作模型的第一步，先使用基本立方体代替校园中的建筑，根据校园平面图与现场测量的数据，将校园中的建筑物的长宽高比例与空间信息，在大框架下把整个校园的基本布局完成；然后再根据每个建筑物的结构制作细节；第二步，重点制作学校大门、创新创业大厦以及华夏苑的模型；第三步，在大框架完成的情况下，把校园的场景导入Unity3D进行简单测试，如果出现模型比例、贴图丢失等问题需及时在3Dsmax中进行调整；第四步，在模型的制作过程中，注意模型的结构布线。在不影响建筑结构的情况下，尽量减少模型的面数量，否则在后期做贴图烘培时，面数过多会导致计算机卡死。第五步，模型制作完成后，整理打组并优化场景和进行打包。

（三）贴图材质的处理

想要得到逼真的效果，把校园中的场景在虚拟系统中展现的过程中就得认真完成模型的贴图。贴图素材可以使用手机进行现场拍摄，对建筑物的细节进行拍摄处理，比如：窗户、门、瓷砖等图片，贴图绘制时使用Photoshop根据模型的UV进行裁剪与调整。每栋建筑的纹理尽量放在一张贴图里面，图片的像素使用512×512左右。本案例中的教学楼、实训楼、学生宿舍的楼顶都是琉璃瓦，那么贴图就可以共用。制作模型时需要结合贴图，对于校园中每栋建筑物的每个楼层的结构都是如此，所以先完成第一层的模型与贴图再进行往上的复制。

对于学校的草地、小路、湖面的场景可使用平面加贴图的效果实现。树木的模型使用两种面片贴图法，对于校园中与相机漫游比较近的树就使用立体的面片树，这种树在不同的角度看到的效果都不一样，树枝与树叶的贴图需要分开制作；另外一种是使用十字交叉的平面，贴图可以现场拍摄一些树的正面效果，使用Photoshop把背景扣除，保存图片的格式为PNG并赋予十字交叉面，不透明通道使用以上的贴图选择alpha输出，然后就可以把树木的纹理贴到交叉面上，这种树可以放在与漫游相机比较远的地方。

四、搭建虚拟交互平台

（一）场景的烘焙贴图

烘焙技术是对当前场景中物体的外观创建纹理图片，再将所得贴图贴回到模型表面。烘焙所得贴图记录了包括光能传递的结果，再次渲染时不用计算光照也可得到一样的效果，节省了计算的时间。将烘焙贴图导入到Unity3D引擎后，既能记录真实的光照效果，又节省了系统资源，提高了运行速度。

虚拟校园场景建模完成后，需要在Unity3D 引擎中进行虚拟校园的漫游功能设计。场景模型导入到Unity3D 引擎后，需要设计系统交互功能的实现方案，再制作系统交互的界面。APP系统界面的菜单、按钮、导航器设计要精简。交互可以插入文字或视频介绍实验室或多媒体教室，让用户沉浸在虚拟效果当中。

（二）漫游方式的数据设置

Unity3D中的漫游可分为自主漫游和固定路径漫游两种。使用自主漫游方式进行漫游，用户就像玩手机游戏一样在虚拟校园中“游玩”，操作的自由度高，在整个虚拟的校园场景中能够随心所欲地进行实时漫游。本系统利用定点相机进行自主漫游的功能设计。创建一个定点相机，设置好相机参数，然后将设置好的相机置于场景中观察目标的位置，切换至相机视野后便可进行漫游。用户只要在手机界面按住上下左右的按钮就可进行漫游操作。用户也可以通过自己的设置来切换不同的相机动画，从而实现系统中多个不同位置的自主漫游。

固定路径漫游功能是在Unity3D中设置好相机视角和路线，用户不用对画面进行操作，也可以欣赏虚拟的校园漫游动画。固定路径漫游一般是以第一人称的视角进行，在虚拟系统中制作的自动漫游动画具有导向的作用，一般将其作为主要的漫游路径，满足一些用户在漫游时的需求。

（三）碰撞测试

在虚拟校园大框架完成的前提下就可以导入Unity3D进行碰撞测试了，虚拟校园的场景的活动范围是有限制的，这样我们就需要在虚拟系统中设置空气墙，不能让用户跑到一些有限制的地方，例如虚拟系统中的极限边缘与一些建筑物的内部，这样容易出现各种意外和不可操控性。在整个虚拟系统中我们使用了两种碰撞检测对象，分别是空气墙与盒形碰撞。空气墙主要使用在整个地图的边缘与校园湖泊的周围，不能让用户跑到地图外面与湖泊里面去；盒形碰撞主要使用在建筑物的周围，虚拟校园中的建筑物只展示建筑外面的效果，里面是没有模型结构的，所以也要限制用户跑到建筑模型内部。

（四）展示效果的实现

当用户使用手机登录进入虚拟校园APP后，画面镜头从空中快速俯冲穿过云层进入学校大门前面，如果用户是首次登录，手机屏幕会出现简单的操作介绍。当用户进入学校大门石碑前的小广场后，屏幕会出现学校各个二级学院的图标，用户通过点击就可了解各二级学院的专业介绍。石碑右后方就是学校的华夏园，这里是重点打造的场景之一，华夏园有美丽的花草树木、凉亭、文化走廊、假山湖面等风景，是最能展示华夏特色校园文化的画面。在华夏苑的交互互动中，可以介绍相关的华夏故事，展示历届学生的生活情景。成长石碑左后方是教学楼，当用户走到教学楼下方，会出现类似传送门的通道，用户可以进入通道，画面会进入教学楼的课室，感受大学课堂，通过点击的方式，学生可以直接进行课程的选择和交互，选择课程后，可以根据当前的课堂进行课堂教学的学习，并且可以跟线下的老师进行线上的互动学习。再往后走就是学校的二期校园，学校的图书馆也是重点打造的场景，通过检索可以快速的锁定图书，并且能够在线上进行图书借阅情况的查看，包括对自习室空座情况的查看，可以在线上进行图书的预定，以及在线上进行自习室的座位预约等。让用户可以完全沉浸于华夏虚拟校园当中，并且能够从线上感受到校园学习的氛围。

五、结语

本文以广州华夏职业学院为例，系统阐述了制作虚拟校园所涉及的软件的应用方法与技巧，对核心应用软件3Dsmax、Photoshop、Unity3D的应用进行了系统的应用说明。该项目通过三维立体的建模和Unity3D的自主漫游的设置，对广州华夏职业校园进行三维全境的展示和交互，让没来过广州华夏职业学院的用户也可以在虚拟的环境中去“了解”其校园和线上的学习。用户还可以在数字化虚拟校园系统中鸟瞰以及选择不同的视图来多视角地观看校园景观，以达到全方位认识该校园的目的。数字化3D虚拟校园系统对招生宣传、校园庆典、校内定位导航、事务指南、迎新服务等事务均具有非常重要的作用，是校园信息化建设的重要组成部分。该项目用线上三维的方式，全方位地展示校园的环境。