手机校园漫游导览系统的设计与应用

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摘 要：针对高效率教学由于校园规模不断扩张、专业信息冗杂而难以实现的现状，本文在分析数字化校园理论的基础上，以苏州科技学院图书馆为实验场所，提出利用手机校园漫游导览系统优化数字化校园建设，最终在校园资讯导航方面以智能手机为媒介实现了虚拟校园导览系统的实际价值。

关键词：手机；虚拟漫游；校园；交互技术

中图分类号：TP393.18

虚拟校园借助计算机将实体校园通过三维仿真、虚拟现实技术等方式，创建生动立体的三维世界，实现从荧屏展示校园风貌、建筑设施和教学规划。不仅有利于宣传各项活动政策，而且用户可直观地了解学习环境，身临其境。三维场景生动形象，逼近校园实景，同时在一定程度上能实现查询和定位功能，是目前数字化校园建设的重要组成部分。

目前，随着虚拟现实技术被九五规划和国家自然基金等列为重点研究项目，虚拟校园导览倍受众多大学和科研单位的关注，发展前景良好。现阶段，国内相关研究杰出代表有北京航空航天大学，他们针对虚拟现实专注于实景这一物理特性如何发挥更大价值，开发了部分视觉接口硬件，并在分布式模型中做出贡献。此外，电子科技大学、清华大学等都在虚拟校园方面有着相关研究和贡献，主要体现在视景的提炼与改进、快速漫游算法的改进、建模以及虚拟交互技术在网络上的应用等方面。但值得注意的是，目前在三维导览领域，导览系统仅局限于通过pc终端来使用并不能满足广大受众的要求。然而，现在的手机二维导览逼真度较低，智能手机上应用三维导览案例太少，难以满足大众需求。

1 手机漫游导览系统的功能定位及分析

服务型漫游导览的系统设计应该从虚拟校园的服务功能入手，通过对图书馆三维导览的设计，坚持“以人为本”的概念，将最大限度的服务于在校师生，让其能随时随地通过智能手机漫游虚拟图书馆。

1.1 虚拟导览系统功能定位

目前，苏州科技学院各项发展较快，石湖校区的规模也日益扩大，各项基础设施完善，但学校自身宣传却无所突破。例如全国性招生，对于想要报考我校或者已经被我校录取的新生而言，除通过少许文字和校园图景了解学校外，并无他选。为调节现状，本课题应用而生。让大众通过三维导览走进苏州科技学院（此处以学校新图书馆为例），身临其境去体验馆内优良设施，为以后学校的发展及虚拟校园的建设提供了方向。

1.2 虚拟导览系统功能分析

手机校园漫游导览系统是通过三维导览的形式将现实校园植入智能手机中，对苏州科技学院的对外宣传、招生就业、校园风貌展示等具有极其重要的作用。同时手机三维校园导览对数字化校园的发展也有着重大影响，具体功能如下：（1）营造虚拟环境，增强现实感受。通过多媒体技术的处理、采用数字导览讲解、迸发欢乐动感的元素、身临其境，使图书馆的展览环境丰富多彩；（2）促进招生宣传。数字化时代，网络宣传日渐流行。通过制作手机校园漫游导览的安卓客户端，让学校新生第一时间了解和浏览学校的基础设施，也使得我校在全国招生宣传更具影响力；（3）提供全面客观的服务。设计中，图书馆漫游导览系统能实时显示图书馆图书可借数量及馆内相关信息。与人工相比，避免人员输出的失误与服务质量的不稳定性，同时对于不了解我校图书馆馆藏、结构等的社会人士也能对其进行快速导览，为大众提供全面客观的服务；（4）查找校园信息。我们在该系统中创建了一些交互式链接，通过索引可以让用户在漫游虚拟图书馆的同时链接上校园网，从而了解学校各种公告、通知等。

2 项目研究方法

如今虚拟现实技术广泛运用且具体实现方式多样化，我们采用身边的具体个案来研究这项技术，并尝试将研究结果推广到一般情况，也可对比其他个案后在实际中加以应用。

在这个项目中，我们以苏科图书馆为例，因为图书馆是每个校园都存在的标志性建筑，它也承载了大部分学生所要的交互功能，是校园导览合一浓缩到的一个有标志性的场所，所以我们选择它来完成一个可以向他人展示、可以与其他技术成果进行比较的实例。完成期间，我们尽可能多的将虚拟现实技术能运用到的成果添加在该实例中，不断思考虚拟现实技术其它呈现方式。更重要的是，这个项目通过图书馆的个例可以向更广更全面的虚拟现实交互技术方向发展。

另外，在图书馆三维模型的建立上，我们采用了分场景分析法。

我们项目的研究对象是苏州科技学院石湖校区整个图书馆及周边相关场景，在研究初期我们就将其划分为若干个逻辑相关的小场景，然后对分场景进行建模和交互处理，最终再将所有的逻辑相关场景整个起来。

3 导览系统的功能设计与实现

现在的校园漫游导览都旨在通过网络平台展示学校风貌，访问者可以在虚拟导览中感受学校的自然风貌和生活、学习氛围。

3.1 图书馆漫游系统功能架构

为了增强现实的体验，对图书馆中各个实体对象进行建模，并对一些物件进行交互设计用来实现相关的功能，以下是系统的总体功能架构图，如图1：

图1 系统设计流程图

3.2 图书馆三维场景构建

3.2.1 图书馆三维建模。模型是虚拟现实设计的基础，场景建模是制作图书馆漫游导览应用的核心部分；在使用3ds Max软件进行建模时可以有很多种方法，比如：参数化建模、面片建模、多边形建模、修改器建模、NURBS建模等。其中多边形建模是使用最多的，几乎所有的实体对象都可以通过多边形建模来实现。要建立图书馆三维模型，首先要在前期测量建模所需的相关数据，做好数据的整合以及记录工作，从学校提供的图书馆设计图纸到现场实际测量、统计。精确把握了苏州科技学院图书馆的架构及建筑比例，对图书馆中一些实体对象如：桌子、椅子、书架等使用多边形建模来实现。

以下是对于图书馆模型的制作流程，如图2：

图2 图书馆模型的制作流程

3.2.2 灯光技术。在3ds Max中灯光不仅是为了照明，更多的是为了渲染环境气氛、刻画主体物形象从而表达作品的情感。合适的灯光可以改变场景中物件纹理的效果，增加场景的重演效果。在整个场景中，我们采用了VR光源模拟太阳光照射，在图书馆大厅中使用目标平行光，其光线角度和强度和太阳光相似。采用目标点光源和目标面光源来模拟图书馆阅览室内光源。

3.2.3 贴图的渲染与烘焙。在场景模型和贴图、灯光都处理完成后，我们需要对场景进行烘焙和渲染工作。由于我们所制作的导览系统是一个在实时运行的行为，我们对场景贴图进行烘焙，直接将打灯所造成的明暗程?直接烘培至贴图上，这种制作方法可以大大的降低电脑的负担，但是又不会影响场景原本光影效果。

3.2.4 模型的优化处理。在手机上运行的应用需要尽可能的让其减少占用内存以保证在场景的切换和浏览时保持流畅。在建模时要注意尽可能的减少模型的面数、对一些无关紧要的模型进行粗略建立，这样可以在一定程度上优化场景模型；同时，在制作场景时要根据自己所测数据设置好3ds Max软件的相关参数，保证软件能够正常运行。

3.3 场景交互功能的设计

3.3.1虚拟漫游交互项目设计。（1）虚拟场景的切换。浏览者进入图书馆大厅时，通过Unity中设置在门上的触发器进行碰撞检测来实现场景的切换；（2）图书馆阅览室解说。为了增强用户代入感，提高应用交互性能。当浏览者点击图书馆大厅中的指示牌的相应阅览室或者阅览室门口的标牌时。不仅可以看到阅览室相关信息，而且也能听到与之相对应的解说；（3）场景自动浏览。当浏览者进入图书馆大厅后，点击用户界面上的自由导览按钮，会实现图书馆整体场景的自动浏览。这一动能是通过触发器调动摄像机的动画来实现的。

3.3.2 视角的选择。在本系统中，对于使用者互动上，我们采用了第一视角代替第三视角，让人们主动的在图书馆中漫游，增强使用者在虚拟环境中的融合感和存在性。同时，本系统提供了自由导览和主动导览的切换功能，可以通过相关的交互按钮来选择不同的导览方式。

3.3.3 利用Unity引擎构建虚拟交互平台及优化处理。在Unity引擎制作虚拟交互过程中，要运用到一些脚本语言以及一些交互模块技术，这就需要占用PC系统的资源，在刚开始我们并没有考虑到这一点，导致PC机运行起来很卡。所以我们在前期就对项目工程文件进行了优化处理，让资源达到最合理的状态。

在Unity中调试和优化都十分重要，随着我们在漫游导览应用中加入更多的功能，代码会运行得越来越慢。导览中的美术资源同样需要压缩和优化，这两者的优化都能加快导览的性能并减少文件的大小。

在所有工作都制作完成后，虚拟导览系统已经能够正常运行，但是我们仍需经过多次的调试和优化过程，确保导览系统不存在重大问题，所有的物件、场景与场景间的切换都能平滑的运行。

4 结束语

探索过程中，我们在三维场景制作及虚拟交互方面有做实质性研究，反复测试和优化，最终实现了图书馆的漫游式手机交互导览，例如明确三维导览系统功能定位，通过手机媒介将我校图书馆展示到大众面前。提出可控制馆内电脑进行图书借阅、馆内外语音介绍以及手机植入三维导览等设计创新。运用3ds Max、Photoshop、Unity等软件对图书馆进行建模和漫游交互设计，对可接触物体进行碰撞检测，保证手机漫游导览的高效真实。

但依然有许多未探索领域，今后会朝此方向努力：（1）未做到实时定位，增加GPS定位功能，以便更快速寻找目的地；（2）需增加好友功能，了解好友所在位置并进行互动；（3）进一步研究高级三维建模，将虚拟场景扩展到整个校园，使风景物象更逼真。

参考文献：

[1]费嘉.基于Direct3D的虚拟教学实验平台的关键技术研究[D].上海师范大学，2007.

[2]王月.iData_虚拟校园的三维建模与设计[D].华南理工大学，2011.

作者简介：李俊（1993-），男，本科在读，研究方向：数字媒体艺术。

作者单位：苏州科技学院 传媒与视觉艺术学院，江苏苏州 215000

基金项目：2013年江苏省大学生创新创业项目（项目编号：201310332021Z）；2013年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201310332021），项目名称：手机校园漫游导览系统的设计与应用――以苏科图书馆为例。