基于校園實景的虛擬現實導航系統設計
——以閩西職業技術學院為例

陳淑玲

（閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021）

隨著校園信息化和“數字校園”“智慧校園”建設的全面推進，校園精細化管理及校園文化推廣迫切需要精準的、真實的三維校園地理信息。目前盛行的導航系統如高德地圖、百度地圖等，更新速度快，定位精度已達到1m級，但這些導航系統只提供平面化的地理信息，不具備立體空間的信息，更無法根據用戶的行為實時反饋并動態呈現3D 畫面。因此學校需要一個輕量級的針對性強的三維校園導航APP，通過移動端+VR 端即可游覽校園?；谛@實景的虛擬現實導航系統根據校園的真實環境，使用三維可視化技術創建三維仿真建筑模型，利用虛擬現實技術構建擬態環境來模擬校園場景，設置人與擬態校園的交互行為，立體化展示校園自然風光和人文文化，是數字校園建設的重要組成部分[1-2]。

1 創建三維模型

構建校園擬態環境首要是創建校園的三維場景模型。三維模型是構建虛擬空間的基礎，是整個虛擬現實導航系統具有仿真效果的關鍵，是用戶能否沉浸于擬態校園的決定性因素。其主要任務是使用三維軟件3Ds Max構建校園內的樓宇、道路、文化長廊、標志性建筑等模型，工作量占整個系統實施的70%以上；再直接利用虛擬引擎Unity 3D Object 對象和標準資源包Standard Assets 中的素材創建校園的地形、湖泊、植被等，在保障虛擬仿真效果的同時降低建模工作的強度和復雜度。構建校園三維場景模型的主要流程是：測繪校園→構建模型→檢測和優化模型→材質貼圖→烘焙渲染。

1.1 前期準備

測繪校園作為三維建模的前期準備工作，為構建模型提供豐富的數據依據和強有力的效果對比，主要包括勘測校園、繪制CAD 平面圖和立面圖。利用各種測量工具（如激光雷達、攝像機等）勘察校園場景布局，收集處理勘測數據，利用收集到的信息按1：100 比例繪制建筑物草圖和校園布局圖，并采集各視角的校園景觀圖作為參照，使構建的模型更接近于實物，提高系統的仿真效果。

1.2 創建模型

素材收集好后，選擇最優方法快速有效地構建單體模型。模型可以逐一載入到Unity 3D 中整合，也可以導入到同一個三維場景中整合，且以對象為單位進行單體建?？梢蕴岣呓＿^程中視圖的透視度，便于增加細節和部分重建，降低系統功耗和建模操作的復雜度，更易于后續設置人與模型間的交互。但建模中使用的單位和比例必須一致；將CAD 圖導入Max 中作為參照圖，提取建筑物的幾何特征并分析其拓撲結構，使用Edit Poly、Edit Mesh 等建模技術從點、線、面著手創建模型，布線清晰，盡量使用四邊面并控制模型的點面數，實現二維圖映射到三維立體模型[3-4]；建模過程中嚴格按照物體的實際縮放比例構建，避免模型變型，增強擬態場景的沉浸感和代入感[5]。

1.3 優化模型

虛擬現實在仿真過程中強調實時性和交互性[1]。此系統須具備高響應能力，應從以下方面規范優化模型：盡量控制模型的點面數，刪除沒有外露的元素，如看不見的底面、重面，刪除對模型結構不起作用的點線面，同時合并斷開點、移除孤立點；可以復制的模型盡量復制，具有對稱結構的模型充分利用鏡像功能制作，模型的點與點之間要對齊，點之間不能有縫隙或錯位，避免漫游場景時出現閃面、破面或交叉面；對于有重疊結構且邊緣無需用貼圖細致表現的模型，采取落搭的方式制作；模型網格應盡量是分布均勻的四邊面或三邊面[6]，為賦予模型材質貼圖奠定基礎，模型導入引擎中也會自動轉化為規整三邊面，減少渲染過程產生的鋸齒和閃爍；模型的復雜構造盡量由貼圖補充展現，使用渲染到紋理、渲染曲面貼圖、渲染法線貼圖等烘焙方法代替建模方式實現；模型的命名要規范，不使用中文，也不重名，避免模型導入到Unity 3D引擎時出錯。

1.4 材質貼圖

良好的材質可以彌補模型先天的粗糙與不足，使用紋理映射技術為模型賦予貼圖，可以增強模型細節特征和仿真效果。Unity 3D不支持3Ds Max 中的大部分材質類型，可以支持Standard 和Multi/Sub-Object 材質中的Diffuse Color 以及Self-illumination貼圖通道[7]，但只支持Bitmap 貼圖類型。光照不同時材質所呈現的特征和紋理也不盡相同。為了避免場景中光傳遞、光線跟蹤等計算消耗大量資源，模型外形的色相、飽和度、亮度直接由Bitmap 貼圖呈現，從而實現擬態場景中光線與模型材質的和諧統一。首先，使用“UVW 展開”修改器或展UV 專用軟件如Unfold3D、UVLayout等將模型的曲面展為平面，將展好的UV 渲染成UVW 模板，保存為.tga 格式或.png格式的圖像；其次，將UV 模板圖導入繪圖軟件Photoshop 或Illustrator 中，根據需求繪制材質貼圖；最后，將繪制好的貼圖通過材質位圖通道賦給模型，實現二維平面精準映射到三維模型的立體表面上。另外，材質和貼圖的命名應該與模型對應，貼圖文件的尺寸必須是2n，從呈現的效果和占用的資源綜合考慮，貼圖尺寸通常不超過1024 px×1024 px[7]，如果有特殊需求可以調整尺寸。展UV 時，必須遵守以下規則：UV 區塊應該盡量分成較大的區塊；盡量減少UV貼圖的變形、扭曲和拉伸，可以使用棋盤格檢測；UV 必須在有效方形區域內，充分利用空間合理布局，不可重疊；必須保持UV區塊間比例大小。

2 虛擬現實導航系統

基于校園實景的虛擬現實導航系統的開發流程見圖1，每個流程環環相扣、緊密銜接。項目實施過程中將流程拆分成“積木”，對每個“積木”進行制作整理。

圖1 基于校園實景的虛擬現實導航系統的開發流程

2.1 3Ds Max與Unity 3D銜接

Unity 3D 中使用3Ds Max 構建的模型，須注意以下幾方面：確保模型的軸心與中心一致，物體模型的軸心不一定在自身的中心，導出前需將模型的軸心與中心對齊重合；確保模型的貼圖可用，Max 中構建好的模型以Autodesk（*.FBX）格式導出，在導出設置中“嵌入媒體”，所使用的貼圖將隨模型一并導出，再將導出的FBX 文件存放于該Unity 項目下的Assets 文件夾中，載入模型時將自動生成貼圖文件，模型也自動顯示貼圖材質；導出模型時需修正坐標，確保Unity 3D加載模型時坐標正確，Unity 3D采用標準的笛卡爾坐標系，是左手坐標系，而Max 采用右手坐標系，導出模型時必須將軸轉化的向上軸改為“Y-up”[8]。

2.2 導航系統的設計實施

創建Unity 3D 項目，導入SDK，添加Terrain 對象根據校園的地理信息創建地形；加載三維場景模型，模型按實際位置放置，搭建校園的擬態環境，盡可能真實地反映校園環境，包括建筑物的外形、顏色、紋理，道路的路徑，樹木的位置和形狀等。依據模型的形狀和剛體特性，為各模型添加不同類型的碰撞體組件，如Box Collider、Mesh Collider 等，在Unity 3D中添加的3D對象自帶碰撞體。樓宇的外形結構類似長方體，選擇為其添加Box Collider，避免用戶漫游場景時發生穿透現象，并添加VR Interactive Item事件，做好人機交互活動的準備工作，見圖2。

圖2 Box Collider的設置

在工程項目中，導入Standard Assets、Enviromment資源包，直接使用資源包中花草樹木的素材搭建校園景觀?；ú輼淠揪哂凶匀坏墓庥扒译S風搖擺，在構建景觀時一定要控制植被的數量，以免占用太多資源影響實時效果的呈現；運用資源包中的Water素材構建波光粼粼的湖泊，并加載Bridge 中的模型補充完善擬態環境；再導入Sky.unitypackage 天空素材包，設置天空背景并調整燈光，使光影與日照協調，擬態場景符合現實景觀；然后確保將與用戶發生交互行為的所有模型添加碰撞體組件。同時，創建并利用攝像機StartCamera 設置導航起始點，規劃設計導航路線；使用SendMessage函數提供指引和指示功能，顯示路線提示信息及樓宇功能信息等，宣傳校園人文文化；通過Button 控件組收集用戶的動態反饋信息，選擇觸發不同事件。

用戶與導航系統的交互主要通過用戶的注視行為模擬實現。導航系統利用虛擬現實設備實時獲取用戶眼睛的聚焦點，以確定用戶在擬態場景中的位置和移動軌跡，同時利用捕獲到的碰撞檢測信息觸發交互事件，實現用戶與系統的交互，實時切換場景中的3D畫面，完成交互細節。用戶與導航系統的交互流程見圖3。

圖3 用戶與導航系統的交互流程

用戶與導航系統的交互實現如下：創建VR Eye Raycaster、VR Input 和VR Interactive Item 類處理用戶與系統的交互事件[9]。將VR Eye Raycaster 掛在主攝像機StartCamera（見圖4），每次調用Update()時向用戶凝視的方向發射一條射線，再調用Physics.Raycast()檢測射線是否擊中場景中的某個碰撞體[10]。當射線擊中碰撞對象時，在被擊中的對象上查找VR Interactive Item（Script）控件，判斷用戶聚焦的目標對象，顯示提示信息，根據用戶的反饋動作觸發后繼的響應事件；否則根據用戶聚集點的靠近，沿導航路線模擬用戶移動，實時動態呈示擬態畫面，實現導向功能。

圖4 攝像機上的主要控件

這系統在PC端進行功能開發，測試通過后再移至VR 端。VR Input 控件在直接注冊監聽事件的同時，需能夠兼容動作發生源，可以是Gear VR上輸入觸發的click 事件、taps 類事件和swipes 事件[11]，也可以是使用Oculus Rift 時專為PC 端準備的鼠標鍵盤的輸入事件。

2.3 運行調試

完善虛擬現實導航系統設計，運行測試，修正錯誤，使整個系統運行具有低時延、高仿真的效果，具備人性化操作功能，最后導出APK文件。以Android應用平臺為例，安裝Android Build Support 和Java SDK、Android SDK Tools 插件搭建發布平臺，將導航系統打包成APK 安裝包，安裝運行于手機終端，再佩戴上VR 眼鏡測試體驗效果，發現問題和不足，及時調試并改進。

3 虛擬現實導航系統運行效果

以閩西職業技術學院為例，虛擬現實導航系統參照校園的平面圖，利用三維可視化建模技術和虛擬現實技術設計實施整個系統，系統構建了與校園實景幾乎一致的擬態環境，在擬態校園里花草樹木搖曳生姿、湖面波光粼粼，完全符合自然景觀。用戶佩戴VR 眼鏡即可突破時空的限制以第一人稱的視角沉浸式地游走于校園，達到身臨其境的體驗效果。虛擬現實導航系統以學校西門為導向起點，通過用戶眼睛的凝視行為指引導航系統沿規劃路線呈現動態3D 畫面，展現校園立體風光；當系統捕捉檢測到用戶駐足注視某個建筑物的行為時，系統提供此建筑物的關鍵信息，激發用戶深入了解的興趣，利于宣傳學校的人文景觀和辦學理念。