VR校园漫游系统的设计与实现

张心悦 谢丽怡 李文娟

关键词：3D场景构建；游戏开发；虚拟现实；Unity3D；导航

0 引言

随着经济发展和社会进步，大学师生人数逐年增加，大学校园的规模也在不断扩大。学生群体中既有初来乍到、不能很快熟悉新环境的新生，也有度过四年时光，不断耕耘收获，满怀不舍之情即将远航的毕业生，更有职场沉浮、念念不忘母校青春记忆的校友们。为了让新生更快熟悉校园环境、给即将离开母校的毕业生和更多的校友留下真实美好的回忆，本文以杭州师范大学下沙校区为背景，在对校园环境和文化活动进行深入调研的基础上，基于unity3D开发了一个校园漫游系统，通过模拟校园建筑物、环境等，让使用者体验到亲临其境的效果。

全景虚拟现实技术可以较好地展示目标场景，通过图片几何关系，让人感受到虚拟影像中的三维立体空间关系，实现全方位浏览图像景色[1-2]。近年来全景技术飞速发展，包括360°全方位实景图像或视频和VR（虚拟现实技术），以及后来由VR 进一步衍生出的AR（增强现实技术），均在各行业被广泛应用且得到了很好的反馈[3]。随着5G时代的到来，虚拟现实技术得到了快速的发展，搭建虚拟校园可以让全国各地的新生足不出户就可以游览熟悉校园，了解校园文化和场地环境，通过交互获得更多的学校信息[4]，相较于传统的校园宣传，拥有更好的推广效果[5]。

本文开发的校园漫游系统分为男女两个人物视角，玩家既可以选择女性角色，也可以选择男性角色，通过圆盘控制人物在模拟的虚拟校园中进行游览此外，还包含自动导航功能，能够引导玩家找到相应的地方，同时查看对应地点的校园活动，当然，玩家也可以选择地点进行场景直接跳转。同时，系统还带有若干交互式游戏。校园场景模拟的效果如图1所示。

校园漫游系统的设计亮点如下：

1） 采用3D技术还原校园场景：首先，对校园实景进行采集并最大限度地加以还原，其次，通过地形地貌设计、场景整合、转场特效等，以及加入天气、动物元素，让场景更加真实；

2） 具备自动导航功能：玩家可以设定目的地，系统将结合人物当前位置进行自动导航，也可选择目的地进行场景的直接跳转。

3） 交互方式丰富、体验感强；添加了多场景交互式小游戏，实现游戏场景转换，增加交互样式，考虑光影效果、颜色搭配，通过较少的性能消耗使静态场景看上去更真实、丰富，具备立体感，使整体游戏体验十分丰满。

本系统有助于方便师生学习生活工作，对宣传校园文化、提升高校的知名度和影响力具有积极意义，也具有良好的应用、开发和推广价值。

1 系统框架

本系统主要包括三个模块：场景浏览主界面模块，自动导航模块和小游戏模块，如图2所示。

1） 场景浏览主界面模块。在校园浏览界面中，玩家通过圆盘控制角色走动，以人物视角进行校园环境浏览。玩家还可以通过天气控制按钮切换天气，以体验不同天气状况下的校园风景，系统还能自动识别白天夜晚，使场景切换白天和黑夜的效果。体验者控制人物走动到对应的校园的标志性建筑附近，会出现相应地点的介绍，在图书馆的信息栏处可以查看校园的活动。

2） 自动导航模块。玩家可选择想去的地点，系统会开启自动导航，实现路线自动规划。玩家还可以点击场景切换按钮，在弹出的地点选择菜单中选择想去的地点，实现地点的直接跳转。

3） 小游戏模块。本系统设计了三个小游戏：小猫喂食、知识问答和投篮。玩家可在知识问答和投篮游戏中获得金币，金币可用于小猫喂食游戏中购买猫粮喂食。

2 系统设计实现

2.1 进入界面

以学校的寝室作为背景，中间是“忆钱江”校园漫游标题，点击开始按钮进入角色性别选择界面，如图3所示。

以3D校园的俯视图为背景，体验者可以选择性别，完成性别选择后进入校园浏览主界面。

2.2 校园浏览界面

2.2.1 控制角色走动

在校园浏览界面中，玩家可以通过圆盘控制角色走动，场景90%还原校园真实场景，体验者可以通过人物视角进行校园环境的参观，如图4所示。

2.2.2 场景切换

在界面的右下角可以看到“场景切换”按钮，点击“场景切换”按钮，会向左弹出地点选择菜单，体验者可以选择想去的地点，实现地点的直接跳转。

2.2.3 校园公告栏

为了让玩家能够更好地了解校园文化，当人物接近标志性建筑物时会出现校园活动介绍。

2.2.4 导航

体验者可以点击右下角的“导航”按钮，选择想去的地点，角色会进行自动导航，不用体验者手动选择圆盘，角色会自动规划路线，走动到相应的地点。

2.2.5 天气切换

在界面的左上角是“天气控制”按钮，体验者可以切换天气按钮，用来体验不同天气下的校园风景，系统还会自动识别白天和夜晚，使场景切换白天和黑夜的效果，如图5所示。

2.3 游戏

点击界面右下角的“游戏”按钮，进入小游戏的选择界面，本系统包含小猫喂食、知识问答和投篮三款小游戏。

2.3.1 小猫喂食游戏

在小猫喂食游戏中，体验者在商店中购买猫粮，点击小猫进行投喂，小猫头上的进度条为小猫的饥饿状态，当进度条被填满时，小猫被喂饱，会在原地蹲下眨著眼睛看着体验者，如图6所示。

2.3.2 知识问答游戏

在知识问答游戏中，每次从题库中随机抽取三道题目，答对即可获得金币，金币可用于购买猫食。

2.3.3 投篮游戏

在投篮游戏中，体验者有三次机会可以进行投篮，将篮球投进篮球框中即为胜利。

3 关键技术

3.1 场景搭建

3.1.1 校园实景拍摄

以杭州师范大学下沙校区的真实场景为虚拟场景的搭建样板，以图书馆、教学楼、行政楼和体育馆等标志性建筑为主，包括学校的绿化景观的构建，90% 还原真实校园场景，利用实景图完成整个虚拟校园场景搭建。

3.1.2 地形地貌搭建

在Unity中建立地形（Terrain），在地形的属性中有设置地形渲染的笔刷，可以导入地面的渲染模型。创建不同的笔刷，用笔刷对地面进行渲染，从而搭建出不同的地貌。

种植树木的笔刷，可以选择paint trees 下的edittrees选项，加入树的模型，调整笔刷的参数，即可在地形上种植树木。种植花草的笔刷，可以选择paint de?tails 下的edit details button，点击add grass texture，即可添加花草笔刷。表1和表2分别显示了本系统种植树木和花草所使用的笔刷属性。

3.2 人物控制

3.2.1 使用摇杆控制

采用Easytouch插件进行人物控制。首先，在官网下载Easytouch插件后导入Unity项目中。创建一个虚拟摇杆，将摇杆与人物绑定，使用EasyTouch实现角色的转向，再通过设置Camera，相机会跟随在角色背后，即可通过移动摇杆来控制人物走动。图7显示了通过摇杆进行人物绑定的过程。

3.2.2 键盘控制人物

使用playmaker 插件实现键盘对人物动作的控制。将playmaker包和人物模型导入Unity项目中，创建Animator Controller，添加人物坐标变量Horizontal 和Vertical，在BlendTree中绑定人物向前走、向后走、向右走、向左走的动作，然后将Animator Controller绑定到人物。接下来为人物创建playmaker，将人物的坐标和变动实时记录下来。上述步骤成功后便可使用键盘的上下左右（WSAD） 键控制人物走动。

3.3 导航系统

运用Unity自带的Navigation实现人物的自动导航。主要步骤是：1） 首先进行地面烘焙：在地面In?spector面板中选中静态（static）下拉选项的NavigationStatic，再依次選择菜单栏中的Windows - Navigation，单击该面板右下角的Bake按钮，即可生成导航网格；2） 其次，设定可行走与不可行走地区：通过点击地面上的物体，将障碍物设置为不可行走部分。保证导航系统工作时，人物按照既定路线行走能分辨哪些地方可以行走、哪些不可以行走；3） 最后，创建C#代码，绑定到人物上，即可进行人物的自动导航功能。

4 总结与展望

本文以杭州师范大学下沙校区为背景，运用VR 技术搭建了虚拟校园，使体验者如身临其境般在虚拟校园中自由漫步，了解校园地理环境和人文风貌，帮助新生更快地熟悉校园环境，让毕业生能够回忆往昔美好时光。