基于unity3d的校園導(dǎo)航系統(tǒng)（一等獎(jiǎng)）

北京化工大學(xué)第八屆“萌芽杯”參賽作品—B類作品名稱：基于unity3D的三維虛擬校園指導(dǎo)教師：趙琪負(fù)責(zé)人：程勝聯(lián)系方式：2013年6月3日團(tuán)隊(duì)成員及指導(dǎo)老師介紹指導(dǎo)老師介紹：姓名趙琪所屬學(xué)院信息學(xué)院職稱研究方向團(tuán)隊(duì)成員介紹：姓名程勝所屬學(xué)院信息學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)專業(yè)班級計(jì)科1105姓名李濤濤所屬學(xué)院信息學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)專業(yè)班級計(jì)科1105姓名朱豪所屬學(xué)院信息學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)專業(yè)班級計(jì)科1105姓名張世琛所屬學(xué)院信息學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)專業(yè)班級計(jì)科1105姓名倪晨所屬學(xué)院信息學(xué)院專業(yè)計(jì)算機(jī)專業(yè)班級計(jì)科1105目錄前言 4第一章Unity平臺簡介 16第二章作品的想法和前期討論 5第2.1節(jié)討論做什么樣的作品 5第2.2節(jié)想法和現(xiàn)實(shí)的差距 5第2.3節(jié)制定我們作品的計(jì)劃 6第2.4節(jié)作品的成形 6第三章作品制作的過程 8第3.1節(jié)3D建模 8第3.2節(jié)導(dǎo)入unity平臺與功能制作 9第3.3節(jié)后期修飾與測試 10第四章作品展示 11第4.1節(jié)作品的功能 11第4.2節(jié)作品中存在的問題 13第五章主要改進(jìn)和創(chuàng)新點(diǎn) 14參考文獻(xiàn) 15致謝 15前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，校園信息化建設(shè)也快速發(fā)展，而虛擬校園是校園信息化建設(shè)的重要組成部分。傳統(tǒng)的數(shù)字校園都是建立在二維平面地圖和影像地圖的基礎(chǔ)上，已經(jīng)不能滿足校園對外招生宣傳，校園導(dǎo)航，校園信息化管理的新一代的需求，三維校園數(shù)字校園系統(tǒng)將是大勢所趨。結(jié)合我校實(shí)際，考慮到以下幾點(diǎn)：（1）隨著高校擴(kuò)招的步伐不斷加快，各高校對生源的爭奪也日益激烈。而數(shù)字三維校園系統(tǒng)在對外宣傳，形象宣傳，吸引優(yōu)生資源方面起到了不可或缺的作用。目前有些高校已經(jīng)建立起自己的三維校園，作為首都211高校，如果我們有自己的三維校園，將對我們的招生與對外宣傳起到重要作用，也將使我們的校園信息化建設(shè)更上一層樓。（2）目前我校正在籌建新校區(qū)，一所新校區(qū)籌建完成后最重要的便是新校區(qū)的宣傳，以便讓更多的人了解我們的新校區(qū)。采用何種宣傳手段將直接影響宣傳效果。目前世界信息化程度日益加深，采用數(shù)字信息這一手段借助互聯(lián)網(wǎng)能在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大范圍乃至世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速有效的宣傳。 因此我們組討論再三，決定將課題定為三維虛擬校園的研究。同時(shí)在做的過程中，通過體驗(yàn)別的高校的三維校園，發(fā)現(xiàn)許多可以改進(jìn)的地方，在加入我們自己的一些想法，我們決定在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)與二次創(chuàng)新，做出我們自己的特色。主要改進(jìn)與創(chuàng)新點(diǎn)將在第四章詳述。Unity3D平臺簡介內(nèi)容簡介：Unity3D是由UnityTechnologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director,Blendergameengine,Virtools或TorqueGameBuilder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件其編輯器運(yùn)行在Windows和MacOSX下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺。也可以利用Unitywebplayer插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲[1]手機(jī)游戲[2]，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。它的網(wǎng)頁播放器也被Macwidgets所支持HYPERLINK編輯本段特色介紹（1）綜合編輯通過Unity簡單的用戶界面，玩家可以完成任何工作。這些為玩家節(jié)省了大量的時(shí)間。（2）圖形動(dòng)力Unity對DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道。（3）資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity支持所有主要文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作。（4）一鍵部署Unity可以讓玩家的作品在多平臺呈現(xiàn)。（5）Wii的發(fā)布Unity讓業(yè)界最流行的游戲平臺軟件更容易開發(fā)。（6）iPhone發(fā)布Unity讓革命性的游戲開發(fā)降臨革命性的設(shè)備。（7）著色器Unity的著色器系統(tǒng)整合了易用性、靈活性和高性能。（8）地形低端硬件亦可流暢運(yùn)行廣闊茂盛的植被景觀。（9）聯(lián)網(wǎng)從單人游戲到全實(shí)時(shí)多人游戲。（10）物理特效Unity內(nèi)置的NVIDIA®PhysX®物理引擎帶給玩家生活的互動(dòng)。音頻和視頻[3]（11）實(shí)時(shí)三維圖形混合音頻流、視頻流。腳本（12）Unity支持3種腳本語言：JavaScript，C#，Boo。（13）Unity資源服務(wù)器Unity資源服務(wù)器是一個(gè)附加的包括版本控制的產(chǎn)品。（14）光影Unity提供了具有柔和陰影與烘焙lightmaps的高度完善的光影渲染系統(tǒng)。（15）文檔Unity為玩家提供逐步的指導(dǎo)、文檔和實(shí)例方案。第二章作品的想法和前期討論第2.1節(jié)討論做什么樣的作品我們5個(gè)人，在開始討論的時(shí)候就在想我們到底要做什么的樣的類型的作品。我們能做成什么樣的作品，我們的水平夠做成什么樣。我們不知道我們的方向是什么樣的，因此我們用頭腦風(fēng)暴的方法開始了最初的探索。使用頭腦風(fēng)暴法是有科學(xué)依據(jù)的。“頭腦風(fēng)暴法”也稱集智法，是美國人奧斯本在20世紀(jì)30年代末創(chuàng)造的。其哲學(xué)基礎(chǔ)是弗洛伊德主義，即非理性想法。參會者必須嚴(yán)格遵守四條規(guī)則：（1）自由設(shè)想（2）不許評論（3）追求數(shù)量（4）引申綜合在這種方法的運(yùn)用下，能充分發(fā)揮集體的智慧，共同努力，相互啟發(fā)，通過追求想法的數(shù)量來篩檢出最有創(chuàng)意最符合要求的靈感想法。最終我們聯(lián)系校園實(shí)際，思慮再三終于確定了做一個(gè)我們學(xué)校三維虛擬校園的導(dǎo)航系統(tǒng)這一最初想法。參考了很多其他的大學(xué)的導(dǎo)航系統(tǒng)我們覺得我們可以做成一個(gè)類似于RGP游戲的第一視角的程序。做我們學(xué)校的自己的三維虛擬校園。對于我們的程序，我們開始很迷茫的都不知道怎么去做。在趙琪老師的提點(diǎn)下，我們就一點(diǎn)點(diǎn)地做了起來。我們做的校園導(dǎo)航系統(tǒng)是基于現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的建筑來建立我們的模型?；趗nity平臺，我們開始了建立我們的模型和我們的基本功能。我們開始了做自己的功能。第2.2節(jié)想法和現(xiàn)實(shí)的差距我們開始制作我們的自己學(xué)校的導(dǎo)航計(jì)劃，并且想要給學(xué)校一點(diǎn)貢獻(xiàn)，做出我們一點(diǎn)努力?？墒俏覀冊跍?zhǔn)備的時(shí)候發(fā)現(xiàn)我們做的所有東西都是新的。新的程序，新的語言，新的運(yùn)用方法和新的思路，都是我們要學(xué)習(xí)的，所有的東西我們都不懂，都要從零開始，從無做起。對于我們的建模我們的開始了我們新的學(xué)習(xí)。我們3個(gè)同學(xué)學(xué)習(xí)建模，做模型。2個(gè)同學(xué)學(xué)習(xí)怎么做程序。然后我們就開始了我們的新作品的計(jì)劃。第一個(gè)問題就是3D模型的建立，這個(gè)是一個(gè)大的問題，我們不是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，對于美學(xué)沒有辦法。第二就是unity的使用，全新的軟件，全新的思路，這都是我們要考慮的問題。全新的制作的方法和不一樣的設(shè)計(jì)思路。第三是c#的腳本設(shè)計(jì)。對于每一個(gè)小的細(xì)節(jié)我們也要去做到設(shè)計(jì)，去寫出一個(gè)小的算法和一個(gè)新的程序。第四是整合的問題，我們不知道怎么去做。出來了之后還有很多的bug。第2.3節(jié)制定我們作品的計(jì)劃寒假的時(shí)候就開始學(xué)習(xí)的計(jì)劃。我們學(xué)習(xí)了3Dmax，unity和c#的使用。每個(gè)人都有不同的分工，程勝，張世琛，朱豪學(xué)習(xí)了3Dmax和c#的使用。李濤濤和倪晨學(xué)習(xí)了unity和c#的使用。作品開始于3月份，我們基本是有時(shí)間就去做一點(diǎn)，每個(gè)人都在努力的去做到最好，每一個(gè)細(xì)節(jié)都要想做到最好。模型做好在4月份，于是我們開始在unity平臺開始運(yùn)作了，然后在c#上開始寫小的腳本，整合的問題于是在程序完整的運(yùn)行和我們的所有的腳本運(yùn)動(dòng)有很多的bug，要去調(diào)試和重新開始寫。每天都花一點(diǎn)時(shí)間去做這個(gè)事情。所有的都是新的，我們都是一個(gè)挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)自己的學(xué)習(xí)和制作能力。第2.4節(jié)作品的成形我們的作品漸漸的成形了，就像自己的孩子出生了，開始有了生命了。程序的完成在5月初，我們進(jìn)行了很多的調(diào)試，還是有很多的問題我們就要慢慢的調(diào)試，慢慢的去解決。一個(gè)好的程序成形，需要很多程序員的測試，我們就在不停的測試，不停的測試我們自己寫出來的程序。很多問題要解決和我們已經(jīng)通過了努力解決了很多的問題。還存在的問題的我們要努力的解決。第三章作品制作的過程第3.1節(jié)3D建模第一步，學(xué)校的建筑的模型，大建筑全部的模型和一些小的建筑模型，先用高像素的手機(jī)拍照下來，然后用3DMAX軟件去做3D模型［1］。第二步，刪選我們要用的可用的照片和我們需要的從網(wǎng)上下的教程。教程：3dsMax2012中文版效果圖制作標(biāo)準(zhǔn)教程。第三步，開始建立模型［2］，小組成員每人分到一部分學(xué)校的建筑進(jìn)行建模，選用可用的照片開始做。(建筑模型與實(shí)物原形對比見圖2-1)第四步，整合到一起，做成一個(gè)整體的3D的文件。遇到的問題與解決方法：1.小組成員分工建模，沒有統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，會導(dǎo)致最終難以整合到一起我們先畫了一張學(xué)校的2D平面圖［3］，通過百度地圖的衛(wèi)星視圖來確定各個(gè)建筑比例大小與整體作品的架構(gòu)。這樣每人都在這張平面圖的相應(yīng)模塊建模，以保證最后可以整合成功。2．由于最初對3Dmax不是特別精通，導(dǎo)致建模過程中忽略了對材質(zhì)和貼圖的使用，以至于導(dǎo)入到Unity中的建筑沒有顏色，以及其他部分的缺失，后來請教趙琪老師，用材質(zhì)和貼圖解決了這個(gè)問題。圖3-1建筑模型與實(shí)物原形的對比第3.2節(jié)導(dǎo)入unity平臺與功能制作第一步，將所建模型從3DMAX中導(dǎo)出FBX格式文件，然后先導(dǎo)入3D做的模型［4］。第二步，逐個(gè)功能開始做，編寫腳本實(shí)現(xiàn)功能調(diào)試成功后然后進(jìn)行下一個(gè)功能的設(shè)計(jì)。第三步，生成程序，并導(dǎo)出其他格式執(zhí)行文件以實(shí)現(xiàn)跨平臺運(yùn)行。遇到的問題與解決方法：（1）導(dǎo)入模型時(shí)發(fā)現(xiàn)所建模型太大，面數(shù)太多以至于導(dǎo)不進(jìn)去，上網(wǎng)查了一下了解到原來是我們建模時(shí)使用的面數(shù)太多，超出了unity3d的支持范圍，unity3d支持的面數(shù)為幾千，而我們組的朱豪同學(xué)一個(gè)人所建的主教面數(shù)就已上萬，實(shí)在導(dǎo)不進(jìn)去。為此我們的工程好長一段時(shí)間就因?yàn)檫@個(gè)問題而沒有什么進(jìn)展。后來利用互聯(lián)網(wǎng)資源在網(wǎng)上提問得到了答復(fù)(見圖2-3)，減少面數(shù)，最有效的便是適當(dāng)利用貼圖，我們得到啟發(fā)，將我們某些的模型截圖成具有同樣立體感的照片貼上，構(gòu)成自己的建筑，效果立竿見影,很快這個(gè)問題解決了。（2）工程的決定性轉(zhuǎn)機(jī)——平臺的選擇［5］其實(shí)平臺的選擇我們也走了一些彎路。最初因?yàn)槲覀冇幸恍〤#基礎(chǔ)，同時(shí)在VS中的XNA平臺有用C#語言編寫過2D和3D的游戲的經(jīng)歷，所以最初的功能是在微軟的VS2010上的XNA平臺制作，可是到后來發(fā)現(xiàn)XNA很多東西都需要自己去編寫，特別是一個(gè)碰撞檢測算法實(shí)在感覺很是復(fù)雜，感覺像是在做底層，這違背了我們的初衷，因?yàn)槲覀冊谶@些別人早已實(shí)現(xiàn)的功能上不想浪費(fèi)太大的精力，我們想在自己的改進(jìn)和創(chuàng)新的地方多下功夫，實(shí)現(xiàn)作品的意義，而不是去簡單的復(fù)制。因此我們覺得要是有一個(gè)更方便的平臺就好了。我們的指導(dǎo)老師趙老師了解情況后給我們介紹了Unity3D平臺，并作了基本的功能演示，我們很是興奮，馬上組織一些人開始找教程進(jìn)行學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)Unity的功能很是強(qiáng)大，一些基本的功能都被包裝好了，非常適合開發(fā)者，省去了不必要的大量的耗時(shí)的工作。在Unity平臺下，我們通過寫腳本實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)功能，最終形成了我們的作品。3-3網(wǎng)上提問解決問題第3.3節(jié)后期修飾與測試作品大致成型后，我們繼續(xù)做一些后期的修飾，以保證作品的完整性，友好性，和可用性。這一階段主要使用Photoshop，和unity3d自帶的花草等預(yù)設(shè)對虛擬校園的道路，天空與花草等進(jìn)行進(jìn)一步的充實(shí)與渲染，豐富校園場景。同時(shí)我們注重作品的實(shí)用性，我們都在不同的系統(tǒng)中，不同的電腦下，進(jìn)行了很多的測試，出現(xiàn)的問題我們都在一一的解決。對于作品，我們是第一次做，很多的問題都沒有想到，這對于我們的制作造成了很大的困擾。我們遇到了困難，我們一起解決，一起的去面對。第四章作品展示第4.1節(jié)作品的功能運(yùn)行程序初始進(jìn)入“自由視野模式”（左上角有顯示），會環(huán)繞學(xué)校一周自動(dòng)展現(xiàn)校園整體概貌，動(dòng)態(tài)效果自由展示，這是我們的一大創(chuàng)新點(diǎn)：圖4-1自由模式點(diǎn)擊“漫游模式”結(jié)束“自由視野模式”進(jìn)入“漫游模式”（左上角有顯示），圖4-2進(jìn)入漫游模式此時(shí)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，手動(dòng)操作漫游校園，逼真模仿漫游的過程，具體功能如下：①上下左右鍵可實(shí)現(xiàn)人物行走，空格實(shí)現(xiàn)人物跳躍（可用于爬坡）；②左鍵單擊建筑可顯示建筑名稱③搜索功能a.輸入一個(gè)建筑名稱，可定位到該建筑旁，并面向該建筑；b.支持模糊搜索，別名搜索：如搜清露園，可搜“清露園”，“清露園食堂”，“餐廳”，“食堂”等均可；例如：搜“階教”和“階梯教室”效果圖如下：圖4-3搜“階教”效果圖c.搜索框除用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕開始搜索外，可實(shí)現(xiàn)回車確定；④點(diǎn)擊界面上自由模式和漫游模式的選項(xiàng)按鈕，可實(shí)現(xiàn)自由模式和漫游模式間的相互切換（3）已用unity3d導(dǎo)出網(wǎng)頁版的執(zhí)行文件，并運(yùn)行成功。同時(shí)unity3d支持導(dǎo)出.apk格式，目前已導(dǎo)出成功，原則上可實(shí)現(xiàn)跨平臺運(yùn)行，手機(jī)，平板上都可以使用，但目前尚未嘗試成功。第4.2節(jié)作品中存在的問題由于我們是初步探索，技術(shù)尚不成熟，作品中還存在一些問題，主要如下：1.定位不是很準(zhǔn)確：使用unity搜索定位時(shí)，目前我們還只能停留在建筑附近，不能停在指定位置，如該建筑的正門等。2.我們對于電腦的配置要求也比較高，有些配置差的電腦運(yùn)行起來會比較卡，有時(shí)候也會未響應(yīng)。3．我們對建筑的細(xì)節(jié)做的不夠精致，與專業(yè)的建模相比相對粗糙了些。第五章主要改進(jìn)和創(chuàng)新點(diǎn)目前已有一部分高校，如“清華大學(xué)”，“哈爾濱工業(yè)大學(xué)”等高校的都已建立起自己的三維虛擬校園，我們的三維校園除了實(shí)現(xiàn)了基本的漫游功能外，還做了如下的改進(jìn)。先進(jìn)性與創(chuàng)新點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)的校園展示都是建立在二維平面圖片以及視頻影像的基礎(chǔ)上的，這顯然已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)代校園的展示。本系統(tǒng)集二維平面地圖和三維場景于一體，是用戶能對校園場景有一個(gè)更為直觀、清晰的認(rèn)識，用戶可以通過漫游瀏覽校園各個(gè)學(xué)區(qū)，能產(chǎn)生身臨其境的感覺，相比傳統(tǒng)的平面地圖的二維展示效果更加具有科學(xué)性和先進(jìn)性。（2）除了漫游模式外，我們增加了自由視野模式，即無需使用者操作，自動(dòng)環(huán)繞校園四周進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)的展示，使人能夠體驗(yàn)到在高空飛行狀態(tài)下俯瞰校園的視覺感受，這是一般漫游系統(tǒng)所不具備的。（3）已實(shí)現(xiàn)跨平臺運(yùn)行，目前已導(dǎo)出網(wǎng)頁格式執(zhí)行文件并運(yùn)行良好，今后可將其做到網(wǎng)頁上去。另外，unity支持導(dǎo)出.apk格式，目前我們已導(dǎo)出成功，原則上可以在Android系統(tǒng)上運(yùn)行，這樣以后可在手機(jī)平板等終端使用，這又是我們的一大優(yōu)勢。使用價(jià)值：（1）目前我校正籌建新校區(qū)，需要對新校區(qū)的大力宣傳，可在我們作品的基礎(chǔ)上開發(fā)出新校區(qū)