大數(shù)據(jù)學(xué)院虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：使用Unity3D開發(fā)了“大數(shù)據(jù)學(xué)院虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互功能對(duì)北京城市學(xué)院的大數(shù)據(jù)學(xué)院進(jìn)行全方位的展示。對(duì)于大數(shù)據(jù)學(xué)院的教學(xué)環(huán)境，進(jìn)行了全方位的數(shù)字化還原，對(duì)課程設(shè)置、師資力量進(jìn)行全面介紹，為學(xué)生和家長(zhǎng)了解大數(shù)據(jù)學(xué)院提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；Unity3D；交互功能；數(shù)字化還原

0引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合應(yīng)用多個(gè)學(xué)科知識(shí)的3D交互邏輯成像高新實(shí)用技術(shù)。它是一種有效地模擬生物在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的交互技術(shù)，其概念是發(fā)展的和變化的[1]。虛擬校園技術(shù)（Virtualcampustechnology）是指：在計(jì)算機(jī)中對(duì)現(xiàn)實(shí)校園中的景觀以及教學(xué)設(shè)施、教學(xué)環(huán)境等通過數(shù)字化處理，有效再現(xiàn)虛擬校園的技術(shù)[2]。本系統(tǒng)采用3dsMax進(jìn)行立體建模，使用Photoshop軟件對(duì)于拍攝的大數(shù)據(jù)學(xué)院圖片進(jìn)行處理形成三維模型的貼圖，最后將模型與貼圖導(dǎo)入到Unity3D引擎中實(shí)現(xiàn)交互式功能。采用360度俯瞰的方式對(duì)于大數(shù)據(jù)學(xué)院的三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓進(jìn)行自由瀏覽，對(duì)于大數(shù)據(jù)學(xué)院內(nèi)部采用第一人稱的方式進(jìn)行漫游，并對(duì)課程與專業(yè)信息、教學(xué)設(shè)備進(jìn)行立體式的展示，以互動(dòng)的方式為學(xué)生與家長(zhǎng)提供有趣的虛擬大數(shù)據(jù)學(xué)院漫游，并最終發(fā)布為Web版本，為學(xué)生和家長(zhǎng)熟悉大數(shù)據(jù)學(xué)院提供便利。

1建模方法

三維建模技術(shù)是在軟件中建立模型的技術(shù)手段。建模就是建立數(shù)字化虛擬模型的過程，又稱模型化[3]。本系統(tǒng)的三維模型采用3dsMax進(jìn)行制作，制作之前為了真實(shí)還原大數(shù)據(jù)學(xué)院樓體的外觀與內(nèi)部房間布局，并按照1：1的方式進(jìn)行展示，需要對(duì)樓體外部與內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行建模。本系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，需要給人們身臨其境的漫游，模型的貼圖需要通過相機(jī)拍攝并使用Photoshop軟件進(jìn)行處理的方式來(lái)得到。

1.1數(shù)據(jù)與貼圖的采集

樓體的外部在最終的系統(tǒng)中，是以360度環(huán)繞漫游的方式進(jìn)行展示，只需要精確到米就可以。樓體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在最終完成的系統(tǒng)中是以第一人稱方式進(jìn)行漫游，需要精確到厘米，這樣才能更好的展示樓體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的教學(xué)硬件。并且樓體內(nèi)部的設(shè)備：桌椅、投影儀等，也需要進(jìn)行測(cè)量，這樣在模型制作的過程中才能做到樓體內(nèi)部模型比例正確，給人一種真實(shí)的感覺。模型的貼圖需要使用相機(jī)拍攝來(lái)得到，拍攝時(shí)需要拍攝兩套圖片：一套圖片用于查看樓體的外觀與房間結(jié)構(gòu)、教學(xué)設(shè)備，方便后期的建模使用，拍攝時(shí)可以讓一張圖片盡量放下樓體更多的內(nèi)容，這樣可以方便后期建模時(shí)比例的把握；另一套作為樓體外觀與內(nèi)部物體的貼圖，拍攝時(shí)需要物體紋理清晰，一張照片最好存放一個(gè)物體的紋理情況，方便以后的貼圖制作。

1.2模型的制作

樓體的外部與內(nèi)部分別進(jìn)行模型制作，樓體外部的模型重點(diǎn)在于表現(xiàn)樓體的外觀結(jié)構(gòu)，需要將3dsMax的單位設(shè)置為“米”，這樣在模型制作時(shí)方便按照所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。樓體外觀制作好之后，需要使用Photoshop軟件制作對(duì)應(yīng)的貼圖，整個(gè)樓體的貼圖是一張，貼圖長(zhǎng)寬的大小要是2的n次方。樓體貼圖上的樹木可以保留，這樣可以體現(xiàn)細(xì)節(jié)信息，并且也能給人以真實(shí)感。制作好的貼圖需要使用3dsMax中的展UV工具賦予到樓體的每一個(gè)面上，最終才完成樓體外觀模型的制作，完成的樓體外觀模型與貼圖如圖1所示。樓體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)進(jìn)行模型制作，制作之前需要將3dsMax的單位設(shè)置為厘米，對(duì)于樓體內(nèi)部模型貼圖的制作，需要按照材質(zhì)的種類分別放在不同的貼圖中，這樣方面在Unity3D中的進(jìn)行著色器設(shè)置，每一張貼圖也需要把亮度調(diào)整一致，并且每一張貼圖的長(zhǎng)寬大小也要是2的n次方。做好的貼圖需要賦予給樓體內(nèi)部模型，最終才完成樓體內(nèi)部模型的制作，完成的樓體內(nèi)部模型與貼圖如圖2所示。

2虛擬大數(shù)據(jù)學(xué)院的構(gòu)建

Unity3D的強(qiáng)大引擎功能具有跨平臺(tái)性，通過Unity3D開發(fā)的軟件可以在手機(jī)操作系統(tǒng)和PC操作系統(tǒng)等諸多操作系統(tǒng)中運(yùn)行，并且具有可移植性，運(yùn)行應(yīng)用靈活。Unity3D強(qiáng)大的插件工具，在設(shè)計(jì)開發(fā)上更加簡(jiǎn)化，可以有效地縮短設(shè)計(jì)周期[4]。所以本系統(tǒng)采用Unity3D引擎進(jìn)行開發(fā)。虛擬漫游平臺(tái)搭建需要將3dsMax制作好的場(chǎng)景以FBX格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行場(chǎng)景搭建，該步驟主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)，分別是場(chǎng)景導(dǎo)入、環(huán)境燈光、障礙物設(shè)置、攝像機(jī)布置、攝像機(jī)和燈光切換設(shè)置[5]。本系統(tǒng)先導(dǎo)入模型貼圖到Unity3D引擎的texture文件夾中，再導(dǎo)入FBX格式的模型，再為場(chǎng)景設(shè)置燈光、為模型添加碰撞器、設(shè)置攝像機(jī)。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬漫游分為大數(shù)據(jù)學(xué)院室外樓體漫游展示與室內(nèi)第一人稱漫游展示兩種方式。系統(tǒng)運(yùn)行后首先進(jìn)入主界面，如圖3所示。主界面有兩個(gè)選項(xiàng)，點(diǎn)擊“進(jìn)入”后加載三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓室外樓體的場(chǎng)景進(jìn)行漫游展示，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)學(xué)院室內(nèi)場(chǎng)景的后臺(tái)異步加載；點(diǎn)擊“關(guān)于”，將進(jìn)入對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行介紹與操作說明的場(chǎng)景，對(duì)于本系統(tǒng)的開發(fā)背景與操作進(jìn)行介紹。

2.2功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含兩個(gè)場(chǎng)景：三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓室外場(chǎng)景與三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓室內(nèi)場(chǎng)景。在主界面點(diǎn)擊“進(jìn)入”，會(huì)加載三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓樓體外觀展示的場(chǎng)景，并可采取俯瞰的方式對(duì)于大數(shù)據(jù)學(xué)院所在的三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓進(jìn)行展示，通過Cinemachine插件中的FreeLook虛擬攝像機(jī)進(jìn)行環(huán)繞式360度自由瀏覽，此時(shí)也會(huì)在后臺(tái)異步加載三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓室內(nèi)的場(chǎng)景，場(chǎng)景的預(yù)加載通過SceneManager.LoadSceneAsync()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)點(diǎn)擊“返回”按鈕時(shí)，會(huì)返回到主界面；當(dāng)點(diǎn)擊“退出”按鈕時(shí)，會(huì)退出系統(tǒng)；當(dāng)點(diǎn)擊“回車”鍵或者界面底部的黃色按鈕“單擊回車鍵”的時(shí)候，會(huì)切換到注視鷹游戲物體的VirtualCamera，會(huì)通過鷹俯沖飛行的視角進(jìn)入三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)部，如圖4所示。三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)部是在另一個(gè)場(chǎng)景中，由于使用了異步加載方式，所以在鷹俯沖到三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)部所在的場(chǎng)景，沒有場(chǎng)景的加載等待。進(jìn)入三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)部所在的場(chǎng)景后，可以進(jìn)行第一人稱漫游，并在后臺(tái)異步加載三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓的室外場(chǎng)景。當(dāng)?shù)谝蝗朔Q的游戲物體與場(chǎng)景中的黃色桌子發(fā)生觸發(fā)檢測(cè)時(shí)，會(huì)進(jìn)入課程與教師介紹的展示，并可以查看任意課程與對(duì)應(yīng)教師的介紹，如圖5所示，當(dāng)?shù)谝蝗朔Q物體不與黃色桌子發(fā)生觸發(fā)檢測(cè)時(shí)，會(huì)退出課程與教師介紹的展示界面，繼續(xù)進(jìn)行第一人稱漫游。當(dāng)點(diǎn)擊界面下方的“退出”按鈕時(shí)，可以退出本系統(tǒng)；當(dāng)點(diǎn)擊“返回”按鈕時(shí)，會(huì)返回到主界面。在第一人稱漫游的過程中，當(dāng)?shù)谝蝗朔Q游戲物體與教室的門發(fā)生碰撞時(shí)點(diǎn)擊“F”鍵，門可以自動(dòng)打開。漫游進(jìn)入某一個(gè)教室區(qū)域后，界面下方會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的按鈕：點(diǎn)擊“打開屏幕”可以將投影屏幕降下；點(diǎn)擊“關(guān)閉屏幕”可以將投影屏幕升起；點(diǎn)擊“課程介紹”可以播放教師的語(yǔ)音，對(duì)課程進(jìn)行介紹，如圖6所示。漫游離開教室區(qū)域后，語(yǔ)音播放會(huì)自動(dòng)停止，三個(gè)按鈕也會(huì)消失。開門動(dòng)畫與投影屏幕的上升與下降通過Animation組件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)漫游到115會(huì)議室區(qū)域時(shí)候，界面下方會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的按鈕，通過多個(gè)教室屏幕同時(shí)播放同一個(gè)視頻的方式，展示115會(huì)議室控制113、115、117教室同步播放開展會(huì)議的功能。對(duì)于會(huì)議室115的多個(gè)屏幕同時(shí)播放筆記本電腦的PPT內(nèi)容，也采取同樣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行展示。當(dāng)漫游到玻璃門時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入三號(hào)實(shí)訓(xùn)樓的室外場(chǎng)景，以此完成室內(nèi)與室外場(chǎng)景的切換。圖6系統(tǒng)交互功能

3結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過3dsMax、Photoshop與Unity3D的技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以全景展示大數(shù)據(jù)學(xué)院的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)交互的功能，可以讓學(xué)生與家長(zhǎng)全方位了解大數(shù)據(jù)學(xué)院。最終系統(tǒng)以Web方式進(jìn)行發(fā)布，方便學(xué)生與家長(zhǎng)的使用，以第一人稱漫游的方式進(jìn)行交互，為學(xué)生與家長(zhǎng)了解我校的大數(shù)據(jù)學(xué)院提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。以后可以結(jié)合VR設(shè)備進(jìn)行開發(fā)與發(fā)布，提供身臨其境的交互。

作者:孟慶軒 揚(yáng)帆凌波 李侍奉  單位:北京城市學(xué)院