基于校园实景的虚拟现实导航系统设计——以闽西职业技术学院为例

陈淑玲

（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021）

随着校园信息化和“数字校园”“智慧校园”建设的全面推进，校园精细化管理及校园文化推广迫切需要精准的、真实的三维校园地理信息。目前盛行的导航系统如高德地图、百度地图等，更新速度快，定位精度已达到1m级，但这些导航系统只提供平面化的地理信息，不具备立体空间的信息，更无法根据用户的行为实时反馈并动态呈现3D 画面。因此学校需要一个轻量级的针对性强的三维校园导航APP，通过移动端+VR 端即可游览校园。基于校园实景的虚拟现实导航系统根据校园的真实环境，使用三维可视化技术创建三维仿真建筑模型，利用虚拟现实技术构建拟态环境来模拟校园场景，设置人与拟态校园的交互行为，立体化展示校园自然风光和人文文化，是数字校园建设的重要组成部分[1-2]。

1 创建三维模型

构建校园拟态环境首要是创建校园的三维场景模型。三维模型是构建虚拟空间的基础，是整个虚拟现实导航系统具有仿真效果的关键，是用户能否沉浸于拟态校园的决定性因素。其主要任务是使用三维软件3Ds Max构建校园内的楼宇、道路、文化长廊、标志性建筑等模型，工作量占整个系统实施的70%以上；再直接利用虚拟引擎Unity 3D Object 对象和标准资源包Standard Assets 中的素材创建校园的地形、湖泊、植被等，在保障虚拟仿真效果的同时降低建模工作的强度和复杂度。构建校园三维场景模型的主要流程是：测绘校园→构建模型→检测和优化模型→材质贴图→烘焙渲染。

1.1 前期准备

测绘校园作为三维建模的前期准备工作，为构建模型提供丰富的数据依据和强有力的效果对比，主要包括勘测校园、绘制CAD 平面图和立面图。利用各种测量工具（如激光雷达、摄像机等）勘察校园场景布局，收集处理勘测数据，利用收集到的信息按1：100 比例绘制建筑物草图和校园布局图，并采集各视角的校园景观图作为参照，使构建的模型更接近于实物，提高系统的仿真效果。

1.2 创建模型

素材收集好后，选择最优方法快速有效地构建单体模型。模型可以逐一载入到Unity 3D 中整合，也可以导入到同一个三维场景中整合，且以对象为单位进行单体建模可以提高建模过程中视图的透视度，便于增加细节和部分重建，降低系统功耗和建模操作的复杂度，更易于后续设置人与模型间的交互。但建模中使用的单位和比例必须一致；将CAD 图导入Max 中作为参照图，提取建筑物的几何特征并分析其拓扑结构，使用Edit Poly、Edit Mesh 等建模技术从点、线、面着手创建模型，布线清晰，尽量使用四边面并控制模型的点面数，实现二维图映射到三维立体模型[3-4]；建模过程中严格按照物体的实际缩放比例构建，避免模型变型，增强拟态场景的沉浸感和代入感[5]。

1.3 优化模型

虚拟现实在仿真过程中强调实时性和交互性[1]。此系统须具备高响应能力，应从以下方面规范优化模型：尽量控制模型的点面数，删除没有外露的元素，如看不见的底面、重面，删除对模型结构不起作用的点线面，同时合并断开点、移除孤立点；可以复制的模型尽量复制，具有对称结构的模型充分利用镜像功能制作，模型的点与点之间要对齐，点之间不能有缝隙或错位，避免漫游场景时出现闪面、破面或交叉面；对于有重叠结构且边缘无需用贴图细致表现的模型，采取落搭的方式制作；模型网格应尽量是分布均匀的四边面或三边面[6]，为赋予模型材质贴图奠定基础，模型导入引擎中也会自动转化为规整三边面，减少渲染过程产生的锯齿和闪烁；模型的复杂构造尽量由贴图补充展现，使用渲染到纹理、渲染曲面贴图、渲染法线贴图等烘焙方法代替建模方式实现；模型的命名要规范，不使用中文，也不重名，避免模型导入到Unity 3D引擎时出错。

1.4 材质贴图

良好的材质可以弥补模型先天的粗糙与不足，使用纹理映射技术为模型赋予贴图，可以增强模型细节特征和仿真效果。Unity 3D不支持3Ds Max 中的大部分材质类型，可以支持Standard 和Multi/Sub-Object 材质中的Diffuse Color 以及Self-illumination贴图通道[7]，但只支持Bitmap 贴图类型。光照不同时材质所呈现的特征和纹理也不尽相同。为了避免场景中光传递、光线跟踪等计算消耗大量资源，模型外形的色相、饱和度、亮度直接由Bitmap 贴图呈现，从而实现拟态场景中光线与模型材质的和谐统一。首先，使用“UVW 展开”修改器或展UV 专用软件如Unfold3D、UVLayout等将模型的曲面展为平面，将展好的UV 渲染成UVW 模板，保存为.tga 格式或.png格式的图像；其次，将UV 模板图导入绘图软件Photoshop 或Illustrator 中，根据需求绘制材质贴图；最后，将绘制好的贴图通过材质位图通道赋给模型，实现二维平面精准映射到三维模型的立体表面上。另外，材质和贴图的命名应该与模型对应，贴图文件的尺寸必须是2n，从呈现的效果和占用的资源综合考虑，贴图尺寸通常不超过1024 px×1024 px[7]，如果有特殊需求可以调整尺寸。展UV 时，必须遵守以下规则：UV 区块应该尽量分成较大的区块；尽量减少UV贴图的变形、扭曲和拉伸，可以使用棋盘格检测；UV 必须在有效方形区域内，充分利用空间合理布局，不可重叠；必须保持UV区块间比例大小。

2 虚拟现实导航系统

基于校园实景的虚拟现实导航系统的开发流程见图1，每个流程环环相扣、紧密衔接。项目实施过程中将流程拆分成“积木”，对每个“积木”进行制作整理。

图1 基于校园实景的虚拟现实导航系统的开发流程

2.1 3Ds Max与Unity 3D衔接

Unity 3D 中使用3Ds Max 构建的模型，须注意以下几方面：确保模型的轴心与中心一致，物体模型的轴心不一定在自身的中心，导出前需将模型的轴心与中心对齐重合；确保模型的贴图可用，Max 中构建好的模型以Autodesk（*.FBX）格式导出，在导出设置中“嵌入媒体”，所使用的贴图将随模型一并导出，再将导出的FBX 文件存放于该Unity 项目下的Assets 文件夹中，载入模型时将自动生成贴图文件，模型也自动显示贴图材质；导出模型时需修正坐标，确保Unity 3D加载模型时坐标正确，Unity 3D采用标准的笛卡尔坐标系，是左手坐标系，而Max 采用右手坐标系，导出模型时必须将轴转化的向上轴改为“Y-up”[8]。

2.2 导航系统的设计实施

创建Unity 3D 项目，导入SDK，添加Terrain 对象根据校园的地理信息创建地形；加载三维场景模型，模型按实际位置放置，搭建校园的拟态环境，尽可能真实地反映校园环境，包括建筑物的外形、颜色、纹理，道路的路径，树木的位置和形状等。依据模型的形状和刚体特性，为各模型添加不同类型的碰撞体组件，如Box Collider、Mesh Collider 等，在Unity 3D中添加的3D对象自带碰撞体。楼宇的外形结构类似长方体，选择为其添加Box Collider，避免用户漫游场景时发生穿透现象，并添加VR Interactive Item事件，做好人机交互活动的准备工作，见图2。

图2 Box Collider的设置

在工程项目中，导入Standard Assets、Enviromment资源包，直接使用资源包中花草树木的素材搭建校园景观。花草树木具有自然的光影且随风摇摆，在构建景观时一定要控制植被的数量，以免占用太多资源影响实时效果的呈现；运用资源包中的Water素材构建波光粼粼的湖泊，并加载Bridge 中的模型补充完善拟态环境；再导入Sky.unitypackage 天空素材包，设置天空背景并调整灯光，使光影与日照协调，拟态场景符合现实景观；然后确保将与用户发生交互行为的所有模型添加碰撞体组件。同时，创建并利用摄像机StartCamera 设置导航起始点，规划设计导航路线；使用SendMessage函数提供指引和指示功能，显示路线提示信息及楼宇功能信息等，宣传校园人文文化；通过Button 控件组收集用户的动态反馈信息，选择触发不同事件。

用户与导航系统的交互主要通过用户的注视行为模拟实现。导航系统利用虚拟现实设备实时获取用户眼睛的聚焦点，以确定用户在拟态场景中的位置和移动轨迹，同时利用捕获到的碰撞检测信息触发交互事件，实现用户与系统的交互，实时切换场景中的3D画面，完成交互细节。用户与导航系统的交互流程见图3。

图3 用户与导航系统的交互流程

用户与导航系统的交互实现如下：创建VR Eye Raycaster、VR Input 和VR Interactive Item 类处理用户与系统的交互事件[9]。将VR Eye Raycaster 挂在主摄像机StartCamera（见图4），每次调用Update()时向用户凝视的方向发射一条射线，再调用Physics.Raycast()检测射线是否击中场景中的某个碰撞体[10]。当射线击中碰撞对象时，在被击中的对象上查找VR Interactive Item（Script）控件，判断用户聚焦的目标对象，显示提示信息，根据用户的反馈动作触发后继的响应事件；否则根据用户聚集点的靠近，沿导航路线模拟用户移动，实时动态呈示拟态画面，实现导向功能。

图4 摄像机上的主要控件

这系统在PC端进行功能开发，测试通过后再移至VR 端。VR Input 控件在直接注册监听事件的同时，需能够兼容动作发生源，可以是Gear VR上输入触发的click 事件、taps 类事件和swipes 事件[11]，也可以是使用Oculus Rift 时专为PC 端准备的鼠标键盘的输入事件。

2.3 运行调试

完善虚拟现实导航系统设计，运行测试，修正错误，使整个系统运行具有低时延、高仿真的效果，具备人性化操作功能，最后导出APK文件。以Android应用平台为例，安装Android Build Support 和Java SDK、Android SDK Tools 插件搭建发布平台，将导航系统打包成APK 安装包，安装运行于手机终端，再佩戴上VR 眼镜测试体验效果，发现问题和不足，及时调试并改进。

3 虚拟现实导航系统运行效果

以闽西职业技术学院为例，虚拟现实导航系统参照校园的平面图，利用三维可视化建模技术和虚拟现实技术设计实施整个系统，系统构建了与校园实景几乎一致的拟态环境，在拟态校园里花草树木摇曳生姿、湖面波光粼粼，完全符合自然景观。用户佩戴VR 眼镜即可突破时空的限制以第一人称的视角沉浸式地游走于校园，达到身临其境的体验效果。虚拟现实导航系统以学校西门为导向起点，通过用户眼睛的凝视行为指引导航系统沿规划路线呈现动态3D 画面，展现校园立体风光；当系统捕捉检测到用户驻足注视某个建筑物的行为时，系统提供此建筑物的关键信息，激发用户深入了解的兴趣，利于宣传学校的人文景观和办学理念。