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大數(shù)據(jù)學院虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計淺析

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大數(shù)據(jù)學院虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計淺析

摘要:使用Unity3D開發(fā)了“大數(shù)據(jù)學院虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互功能對北京城市學院的大數(shù)據(jù)學院進行全方位的展示。對于大數(shù)據(jù)學院的教學環(huán)境,進行了全方位的數(shù)字化還原,對課程設(shè)置、師資力量進行全面介紹,為學生和家長了解大數(shù)據(jù)學院提供了一個很好的平臺。

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

0引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合應(yīng)用多個學科知識的3D交互邏輯成像高新實用技術(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:在計算機中對現(xiàn)實校園中的景觀以及教學設(shè)施、教學環(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進行立體建模,使用Photoshop軟件對于拍攝的大數(shù)據(jù)學院圖片進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引擎中實現(xiàn)交互式功能。采用360度俯瞰的方式對于大數(shù)據(jù)學院的三號實訓(xùn)樓進行自由瀏覽,對于大數(shù)據(jù)學院內(nèi)部采用第一人稱的方式進行漫游,并對課程與專業(yè)信息、教學設(shè)備進行立體式的展示,以互動的方式為學生與家長提供有趣的虛擬大數(shù)據(jù)學院漫游,并最終發(fā)布為Web版本,為學生和家長熟悉大數(shù)據(jù)學院提供便利。

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進行制作,制作之前為了真實還原大數(shù)據(jù)學院樓體的外觀與內(nèi)部房間布局,并按照1:1的方式進行展示,需要對樓體外部與內(nèi)部進行測量,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來進行建模。本系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),需要給人們身臨其境的漫游,模型的貼圖需要通過相機拍攝并使用Photoshop軟件進行處理的方式來得到。

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)與對應(yīng)的教學硬件。并且樓體內(nèi)部的設(shè)備:桌椅、投影儀等,也需要進行測量,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,給人一種真實的感覺。模型的貼圖需要使用相機拍攝來得到,拍攝時需要拍攝兩套圖片:一套圖片用于查看樓體的外觀與房間結(jié)構(gòu)、教學設(shè)備,方便后期的建模使用,拍攝時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,拍攝時需要物體紋理清晰,一張照片最好存放一個物體的紋理情況,方便以后的貼圖制作。

1.2模型的制作

樓體的外部與內(nèi)部分別進行模型制作,樓體外部的模型重點在于表現(xiàn)樓體的外觀結(jié)構(gòu),需要將3dsMax的單位設(shè)置為“米”,這樣在模型制作時方便按照所測量的數(shù)據(jù)進行建模。樓體外觀制作好之后,需要使用Photoshop軟件制作對應(yīng)的貼圖,整個樓體的貼圖是一張,貼圖長寬的大小要是2的n次方。樓體貼圖上的樹木可以保留,這樣可以體現(xiàn)細節(jié)信息,并且也能給人以真實感。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)需要單獨進行模型制作,制作之前需要將3dsMax的單位設(shè)置為厘米,對于樓體內(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)學院的構(gòu)建

Unity3D的強大引擎功能具有跨平臺性,通過Unity3D開發(fā)的軟件可以在手機操作系統(tǒng)和PC操作系統(tǒng)等諸多操作系統(tǒng)中運行,并且具有可移植性,運行應(yīng)用靈活。Unity3D強大的插件工具,在設(shè)計開發(fā)上更加簡化,可以有效地縮短設(shè)計周期[4]。所以本系統(tǒng)采用Unity3D引擎進行開發(fā)。虛擬漫游平臺搭建需要將3dsMax制作好的場景以FBX格式導(dǎo)出,并導(dǎo)入Unity3D中進行場景搭建,該步驟主要分為五個環(huán)節(jié),分別是場景導(dǎo)入、環(huán)境燈光、障礙物設(shè)置、攝像機布置、攝像機和燈光切換設(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,再為場景設(shè)置燈光、為模型添加碰撞器、設(shè)置攝像機。

2.1系統(tǒng)設(shè)計

虛擬漫游分為大數(shù)據(jù)學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)運行后首先進入主界面,如圖3所示。主界面有兩個選項,點擊“進入”后加載三號實訓(xùn)樓室外樓體的場景進行漫游展示,并進行大數(shù)據(jù)學院室內(nèi)場景的后臺異步加載;點擊“關(guān)于”,將進入對于系統(tǒng)進行介紹與操作說明的場景,對于本系統(tǒng)的開發(fā)背景與操作進行介紹。

2.2功能設(shè)計

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

3結(jié)束語

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

作者:孟慶軒 揚帆凌波 李侍奉  單位:北京城市學院