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摘要：近年来，智慧城市建设的话题已经引起了国内外学术界与实业界的普遍关注，成为一个备受瞩目的研究与实践热点。与此同时，与智慧城市建设息息相关的城市测量技术也成为了社会各界广泛讨论的焦点。在智慧城市的建设框架中，三维城市模型占据着举足轻重的地位，它是构建城市三维地理信息平台不可或缺的基石。具体而言，实景真三维模型作为一种基础地理信息数据，在搭建城市智慧化管理平台的过程中发挥着至关重要的作用，特别是在城市规划、智慧旅游等多个领域展现出了其独特的应用价值。

在虚拟现实技术的众多应用场景中，虚拟校园无疑是一个重要而引人注目的领域。通过模拟与真实环境高度相似的虚拟环境，虚拟校园使得用户能够与虚拟环境中的各类物体进行交互。这一技术在学校风貌展示、招生宣传以及校园信息化管理等多个方面均能够发挥出显著的作用。随着网络技术的不断更新迭代，特别是5G通信时代的到来以及虚拟现实技术的日益成熟，校园风光的呈现方式也迎来了全新的变革。借助先进的VR技术以及互联网平台，我们得以让身处千里之外的用户也能够身临其境地漫游校园，全景式、沉浸式的体验不仅为用户带来了前所未有的视觉新鲜感，同时也极大地加深了他们对于学校及校园建设的深刻印象。

关键词：倾斜摄影；Unity3D；虚拟现实

一、相关技术概述

（一）虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种基于计算机图形学、人机交互、传感器技术等多种技术的综合应用。它利用计算机技术生成逼真的三维环境，并通过多种交互设备使用户能够沉浸在虚拟环境中进行体验和操作。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和构想性三大特点，能够为用户提供前所未有的真实感和体验。

（二）倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是一种基于无人机搭载相机进行多角度拍摄的三维建模方法。与传统垂直摄影不同，倾斜摄影通过在不同角度上拍摄目标物体，可以获取更丰富的实景数据，包括建筑物的立面、屋顶、纹理等信息。这些数据经过处理和分析后，可以生成高精度的三维模型，为三维虚拟校园系统的开发提供基础数据支持。

（三）Unity3D引擎

Unity3D是一款由Unity Technologies开发的多平台集成游戏开发工具，它支持跨平台的游戏开发和发布。Unity3D引擎具有强大的渲染能力、物理引擎和脚本系统，能够轻松创建交互式三维场景。此外，Unity3D还支持多种格式的模型导入和导出，方便与其他三维建模软件进行集成和协作。

二、系统总体设计

（一）系统设计目标

基于Unity3D引擎与倾斜摄影技术的三维虚拟校园系统，其核心目的在于达成一系列综合性的目标，以期为用户提供更为丰富和沉浸式的体验。具体而言，该系统旨在构建一个高度逼真的校园三维场景，使用户能够仿佛置身于真实的校园环境之中，获得身临其境般的感受。此外，它支持全面的校园漫游功能，允许用户在虚拟空间内自由行走、探索每一个角落，进一步增强用户的参与感和互动体验。在教学方面，该系统融入了虚拟教学功能，为在线教学和远程学习提供了强有力的支持，使得教育资源得以跨越时空限制，实现更广泛的传播与共享。同时，为了实现更为便捷的校园导航服务，系统还精心设计了校园导航功能，能够为用户提供精确、直观的导航指引，极大地提升了用户在校园内的行动效率。

除此之外，该系统还具备活动展示功能，能够生动、直观地展示校园内的各类活动和取得的丰硕成果，不仅丰富了校园文化的表现形式，也进一步提升了学校的知名度和影响力。综上所述，基于Unity3D与倾斜摄影技术的三维虚拟校园系统，在多个维度上均展现出了其独特的优势和价值。

（二）系统架构设计

在三维虚拟校园系统的设计与开发流程中，系统架构设计占据着举足轻重的地位。本体系采纳了分层次的架构设计策略，具体涵盖数据层、业务逻辑层及表示层三大层级。数据层主要承担系统各类数据资源的存储与管理职责，这些数据涵盖了三维模型数据、纹理素材以及用户信息等；业务逻辑层则专注于系统业务逻辑的处理与功能实现，诸如三维场景的渲染、交互设计的执行以及导航算法的应用等；而表示层则致力于向用户直观呈现系统的各项功能与界面元素，包括三维场景的可视化视图以及用户操作界面等。

（三）功能模块划分

依据系统设计的总体目标，本系统被精心划分为以下几个核心功能模块，以全面满足用户的需求与期望：

首先是三维场景渲染模块，该模块主要负责三维场景的生动渲染与精准显示，具体涵盖了三维模型的动态加载、细腻纹理贴图的精确应用，以及光照效果的细致处理等，以确保用户能够沉浸在一个高度真实且视觉效果出色的虚拟环境中。

其次是交互设计模块，该模块专注于系统的交互体验设计，包括对用户输入的即时响应与处理、交互界面的美观与实用性设计，以及交互逻辑的严谨与流畅实现，旨在为用户提供一个友好、高效且易用的操作平台。

紧接着是校园漫游模块，该模块致力于实现校园漫游功能，通过智能的路径规划、灵活的行走控制以及便捷的视角切换等功能，使用户能够在虚拟校园中自由穿梭，享受探索的乐趣。

此外，虚拟教学模块也是本系统的重要组成部分，它全面支持在线教学与远程学习，不仅提供丰富的课程展示资源，还设有虚拟实验室供用户进行实践操作，并配备互动问答环节以促进用户之间的交流与学习。

校园导航模块则专注于为用户提供便捷的校园导航服务，通过清晰的地图显示、精准的路径规划以及及时的导航提示等功能，帮助用户快速找到目的地，提升校园生活的便利性。

最后是活动展示模块，该模块专注于展示校园内的各类活动与成果，通过详尽的活动介绍、生动的图片展示以及直观的视频播放等方式，全面展现校园文化的魅力与活力。

三、关键技术研究

（一）倾斜摄影数据处理

在三维虚拟校园系统的开发过程中，倾斜摄影数据的处理扮演着至关重要的角色。这一环节通过运用无人机搭载的高性能相机，从多个角度对校园进行详尽的拍摄，从而获取到一系列丰富且全面的实景数据。然而，这些数据仅仅是构建高精度三维模型的原材料，必须经过一系列精细的处理与分析步骤，方能转化为所需的三维模型。以下是该处理流程的详细阐述：

首先，进行影像采集。在这一阶段，我们利用无人机携带的专业相机，在校园上空进行多角度、全方位的拍摄，以捕捉校园各个角落的实景信息，为后续的三维重建提供充足的数据支持。

随后，进入影像预处理阶段。该阶段的主要任务是对采集到的影像数据进行初步的处理，包括去除噪声、进行图像校正以及增强图像对比度等，以确保影像的清晰度和准确性，为后续的特征点提取与匹配打下坚实的基础。

紧接着，进行特征点提取与匹配。在这一环节中，我们利用先进的图像处理算法，从预处理后的影像中准确地提取出特征点，并通过复杂的匹配算法，将这些特征点在不同影像之间进行精确的匹配，从而构建起影像之间的连接关系，为三维重建提供必要的几何信息。

然后，根据特征点的匹配结果，我们进行三维重建。通过运用先进的三维重建技术，我们可以根据特征点之间的连接关系，逐步构建出校园的三维模型。这一模型不仅具有高精度，还能够真实地反映出校园的实际情况。

最后，进行纹理贴图。在这一步骤中，我们将采集到的纹理数据精确地映射到三维模型上，通过精细的贴图处理，使得三维模型在视觉上更加逼真、生动，从而为用户提供一个沉浸式的三维虚拟校园体验。

（二）Unity3D三维建模

Unity3D作为一款性能卓越的三维开发平台，不仅具备强大的三维建模功能，还广泛支持多种格式的模型文件的导入与导出操作，为开发者提供了极大的便利。在构建三维虚拟校园系统的过程中，Unity3D发挥着至关重要的作用，特别是在三维模型的渲染呈现与交互设计方面。以下是该系统在Unity3D中的具体实现流程：

1.模型导入。将经过倾斜摄影数据处理后获得的高精度三维模型文件，无缝导入到Unity3D的开发环境中，为后续的场景搭建与渲染工作奠定坚实基础。

2.场景搭建。在Unity3D的编辑器中，我们精心构建校园的三维虚拟场景，这包括各类建筑物的精细复原、道路的合理规划以及树木等自然元素的生动融入，力求还原一个真实且生动的校园环境。

3.纹理贴图。我们利用专业的纹理数据，通过精细的贴图处理，将这些纹理数据精准地映射到三维模型上，从而极大地增强了场景的逼真度与沉浸感。

4.光照处理。在Unity3D中，我们根据实际需求，合理设置光照参数，包括光源的位置、颜色、强度等，以确保三维场景在视觉上更加立体且真实。

最后，我们致力于实现用户与三维场景的交互功能。通过编程实现行走控制、视角切换以及信息查询等交互操作，使用户能够在虚拟校园中自由探索、获取信息，从而极大地提升了用户体验与系统的实用性。

（三）校园漫游算法

校园漫游算法是实现校园漫游功能的关键技术。本系统采用基于路径规划的漫游算法，具体实现过程如下：

1.路径规划：根据用户输入的起点和终点，规划出最优路径；

2.行走控制：根据路径规划结果，控制用户在虚拟校园中的行走速度和方向；

3.视角切换：根据用户的行走位置和速度，自动切换视角，使用户能够更好地观察周围环境；

4.碰撞检测：在漫游过程中进行碰撞检测，避免用户与障碍物发生碰撞。

（四）虚拟教学实现

虚拟教学功能是实现在线教学和远程学习的重要手段。本系统采用Unity3D引擎的脚本系统和交互设计功能，实现虚拟教学功能。具体实现过程如下：

1.课程展示：将课程内容以三维场景的形式展示给用户，包括PPT、视频、音频等多媒体资源；

2.虚拟实验室：构建虚拟实验室，模拟真实的实验环境和操作步骤，使用户能够在虚拟环境中进行实验；

3.互动问答：设置互动问答环节，用户可以在虚拟环境中提出问题并与其他用户进行交流和讨论；

4.学习进度跟踪：记录用户的学习进度和成绩，为用户提供个性化的学习建议和资源推荐。

四、系统实现

（一）开发环境搭建

在着手进行系统开发之前，构建一个适宜的开发环境是至关重要的。本系统选定Unity3D引擎作为核心开发平台，因此，首要任务是安装Unity3D软件及其必要的辅助插件，以确保开发工作的顺利进行。

（二）三维模型构建

三维模型的构建构成了系统实现过程中不可或缺的关键步骤。为了精确捕捉校园的实际场景数据，本系统巧妙地运用了无人机倾斜摄影技术，这一技术能够全方位、多角度地获取校园的高清影像资料。随后，我们借助诸如ContextCapture Center等专业软件，对采集到的影像数据进行深度处理，以完成三维重建的任务。

在三维重建工作完成后，我们得到的三维模型会被导出为OBJ格式，这是一种广泛支持且易于处理的三维模型文件格式。紧接着，这些模型会被导入到Unity3D这一强大的三维开发平台中，以便进行更为细致和深入的后续处理。

在Unity3D中，我们对三维模型进行了多方面的优化和完善。首先，通过纹理贴图技术，我们将丰富的纹理信息精确地映射到模型表面，极大地增强了模型的视觉逼真度。其次，我们进行了光照处理，通过合理设置光源和光照参数，使得整个校园三维场景在视觉上更加立体、生动。最后，我们还设计了丰富的交互功能，使用户能够在虚拟校园中自由行走、切换视角，甚至进行信息查询等操作，从而极大地提升了系统的实用性和用户体验。

（三）功能实现

基于系统的设计初衷与功能模块的科学划分，本系统精心实现了以下几项核心功能，旨在为用户提供全方位、沉浸式的虚拟校园体验：

三维场景的真实渲染：借助Unity3D引擎的强大渲染能力，本系统成功构建了一个高度逼真的校园三维场景。用户得以自由穿梭于校园的每一个角落，仿佛身临其境地感受校园的独特魅力。

多元化的交互体验设计：系统内置了丰富的交互功能，涵盖了键盘鼠标的灵活操控、视角的自由切换以及便捷的信息查询等。用户只需通过简单的键盘与鼠标操作，即可轻松调整行走速度与方向，亦可通过点击界面按钮迅速获取所需信息，极大地提升了用户体验的流畅度与便捷性。

校园漫游功能的全面实现：为了满足用户对校园探索的渴望，本系统精心打造了校园漫游功能。用户可根据个人喜好选择自动漫游、手动漫游或跟随漫游等多种模式，尽情享受在虚拟校园中自由行走与探索的乐趣。

虚拟教学环境的深度整合：系统特别融入了虚拟教学功能，为用户提供了一个在线学习与远程教学的全新平台。这里汇聚了PPT、视频、音频等多种教学资源，使用户能够在虚拟环境中享受到更加丰富多彩的学习体验，进一步拓宽了学习的边界与深度。

智能化的校园导航服务：为了提升用户在校园内的出行效率，本系统特别开发了校园导航功能。用户只需通过地图即可直观查看校园内各建筑及设施的具体位置信息。同时，系统还贴心地提供了路径规划服务，能够根据用户输入的起点与终点，智能规划出最优的行走路线，极大地便利了用户的校园生活。

活动展示的生动呈现：为了增强用户对校园活动的参与度与了解度，本系统特别设置了活动展示功能。用户可以在虚拟校园中轻松浏览各类活动与成果的精彩瞬间，系统以图片展示、视频播放等多种形式生动呈现活动内容，使用户能够更加直观地感受校园生活的丰富多彩。

五、系统测试与优化

（一）系统测试

在系统开发圆满完成之后，至关重要的环节便是进行系统测试与优化工作，以确保系统的稳定性和可靠性。本系统采用了黑盒测试与白盒测试相互融合的策略，以全面而深入地检测系统性能。

具体而言，黑盒测试侧重于从用户的角度出发，对系统的各项功能和性能指标进行严格的验证，以确保其能够充分满足设计初期的各项要求。这一测试方法主要关注系统的输入与输出，而不涉及系统内部的实现细节，从而能够较为客观地评估系统的整体表现。

与此同时，白盒测试则深入系统的内部，对系统的代码结构和逻辑进行细致的审查。通过这一测试方法，我们能够发现潜在的代码错误和逻辑漏洞，从而确保系统的内部实现与预期设计保持一致。

（二）系统优化

针对性能评估中发现的问题，采取以下优化策略以提升系统整体性能：

1.图形渲染效率提升策略：

在图形优化方面，我们引入了层次细节（LOD）技术，该技术能够依据物体与摄像机之间的相对距离，智能地调整模型的细节层次。具体而言，当物体远离摄像机时，我们会相应地减少其多边形数量，以降低渲染负担，从而提升整体渲染效率。

2.纹理压缩与优化处理。通过选用高效的纹理压缩格式，我们有效地减少了内存的占用，同时确保了纹理质量的维持，为用户提供了更为细腻且流畅的视觉体验。

光照贴图烘焙技术也是我们图形优化策略中的重要一环。该技术能够预先计算静态物体的光照信息，并将其存储为光照贴图。这样一来，在运行时我们就可以减少光照的计算量，进一步提升渲染性能。

3.交互性能提升处理。在交互优化方面，我们采用了事件驱动架构来处理用户输入。这一架构能够减少不必要的循环检查，从而显著提升系统的响应速度，为用户提供更为流畅的交互体验。针对需要加载大量数据的功能场景，如地图切换和模型加载等，我们实施了异步加载机制。这一机制能够避免阻塞主线程，确保系统的流畅运行。

4.资源高效管理优化。在资源管理层面，我们实施了智能内存管理策略。例如，我们采用了对象池（Object Pool）技术来减少内存分配和释放的频率，从而降低了内存管理的开销。

同时，我们还建立了资源卸载机制。当用户离开某个区域时，系统会自动卸载该区域内的资源，以释放内存和GPU资源，为其他任务的执行提供更为充足的资源支持。

5.网络通信性能优化。在网络优化方面，我们对传输的数据进行了压缩处理。这一措施能够减少带宽的占用，加快数据的传输速度，从而提升系统的网络通信性能。此外，我们还根据数据类型的实时性要求，选择了合适的传输方式。具体而言，我们采用了TCP/UDP混合协议来平衡延迟和可靠性，确保数据的稳定传输。

跨平台兼容性与用户体验提升途径：

6.跨平台兼容性优化。我们充分利用了Unity3D的跨平台特性。针对不同平台，我们进行了细致的调试和优化，以确保系统能够在各种环境下都能提供最佳的用户体验。同时，我们还建立了用户反馈机制。通过收集并快速响应兼容性问题，我们能够持续迭代优化系统，进一步提升用户的满意度和忠诚度。

综上所述，通过实施上述性能评估与优化策略，我们能够显著提升三维虚拟校园系统的稳定性和用户体验。这不仅有助于推动教育信息化的进程，也为虚拟现实技术在更广泛领域的应用提供了有益的借鉴和参考。

参考文献：

[1]王莫.三维激光扫描技术在故宫古建修缮工程中的应用研究[J]世界建筑，2010（9）：146-147.

[2]陈涛，田海晏，岑学学等.三维校园虚拟现实研究[J].北京石油化工学院学报，2010，18（2）：45-49

[3]王靖.基于Unity3D矿山虚拟现实系统开发研究[D].西安：西安建筑科技大学，2018.

课题来源：

2022年邢台市市级科技计划自筹经费项目“基于Unity3D与倾斜摄影技术三维虚拟校园系统设计与开发”，课题编号：2022ZC007

2024年度河北省高等学校科学研究青年基金项目“基于多源数据融合技术的数字城市三维建模技术的研究”，课题编号：QN2024124

依托平台：邢台市无人机应用技术创新中心

樊新乾，出生年月：1986-10-03，男，汉族，籍贯：河北省邢台市，所在院校：河北机电职业技术学院，职称：副教授 学历：研究生，学位：硕士，研究方向：无人机应用技术方向。