1、I摘 要本文是以教室漫游模型作为应用背景，研究虚拟漫游计算机技术，为当下各式各样的虚拟漫游，提供了一种科学先进的方法。针对虚拟漫游交互方便性、有效性和相对廉价等需求，设计出了一种虚拟漫游的系统。通过运用 Unity 3D 相关技术，通过交互动画等方式，使虚拟漫游获得了全新的展示和全新的应用方式。通过系统方面的分析与归纳，展现出了新时代下虚拟漫游领域中数字技术的应用，从而推动了虚拟漫游技术快速发展。相信在不久的将来这种展示技术会被广泛地应用，我们会被带入一个崭新的视觉体验中。关键词： 教室漫游；虚拟漫游；Unity 3D技术；IIAbstractIn this paper, classroom
2、roaming model for the application background, Virtual Tour of computer technology for a variety of virtual roaming, provides a scientifically advanced methods. Virtual Tour for interactive convenience, effectiveness and relatively inexpensive demand, designed a virtual roaming system, by using Unity
3、 3D technology through interactive animation manner that Virtual Tour with a new display and application mode. By analyzing and induction system, showing the new era of digital technology in the virtual roaming applications, thus promoting the development of virtual roaming technology, I believe tha
4、t the future of display technology will be widely used, we will bring a new vision experience.Keywords: Classroom roaming Virtual Tour Unity3d technologyIII目录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 研究现状11.3 本文研究的主要内容21.4 本文组织结构22 相关技术及开发工具介绍32.1 软硬件平台简介32.2 虚拟现实技术介绍32.3 关键技术与开发工具介绍42.3.1Unity3D 虚拟现实引擎42.3.2 开发工具介绍5
5、3 系统总体设计分析83.1 总体结构分析83.2 概要设计83.3 研究的主要目标分析84 详细设计104.1 确定系统单位104.2 设计详细过程164.2.1 自动漫游的实现164.2.2 动态加载功能实现184.2.3 材质实现194.3 最终效果图205 总结与展望15.1 总结15.2 展望1参考文献2致谢311 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着计算机技术的发展，特别是三维仿真技术、计算机图形学和虚拟现实技术的快速发展，信息管理方面的数字化以及实物模型的虚拟化已经成为了当今世界十分重要的技术应用的领域。人们已意识到了虚拟现实技术潜在的应用前景，所以虚拟现实技术几乎成了所有发达国
6、家如今大力研究和探索的前沿领域，其发展程度也达到了前所未有的迅速。目前，美国、德国、英国、日本、韩国等发达国家在虚拟现实技术领域的研究做的相对较好。我国的虚拟现实技术的研究起步比较晚，与国外的一些发达国家存在一定的差距，我国正在逐渐开始去探索和研究建设数字城市和数字社区等领域的实践。虚拟现实（又称为 VR） ，被称为精神环境的技术 1，是一种交互仿真的技术，它同时也可以比作一个直观的、用户类型的抽象和复杂的计算机数据的空间。在这互动的 3D 环境中，不仅能让玩家感到十分逼真的场景和模型的存在，同时也可以进行实时的与运动联合作战的精确响应。虚拟现实技术不但让人机交互界面去创建了一个全新的研究领域
7、，与此同时也为智能工程的应用提供了全新的接口设备，它提供了在宏观是因为各种原因，并没有直接观察，提供人类极大的方便的住区，提供了一个接口。更加自然和环境为所有类型的培训技能与培训和数字媒体部门，例如影视、娱乐等数字媒体部门，提供了一种崭新的、交互的、更具刺激性和更富有实感的新兴的技术。1.2 研究现状虚拟现实技术探索和研究的发源地是美国，美国的研究水平实际就意味着国际虚拟现实技术的发展水平。近几年，虚拟现实获得美国航空航天和军事等若干领域的成功应用并因此收获了经济和社会的巨大效益，进一步推动美国在虚拟现实技术研究方面的支持力度 2。 在军事相关领域，虚拟现实的出现在武器系统的操作训练、性能评估
8、与设计和大规模的军事演练以及战役指挥等方面发挥出了重要的作用，并由此产生了巨大的经济收益。美国已然在一些洲际范围内建成了分布式的虚拟环境，并把所有的人操纵，同时将半自主兵力引到虚拟的空间里，这使其在世界上处于最领先的位置。2我国在虚拟现实技术的研究方面起步较晚，与发达国家存在一定差距，但近些年来，我国逐渐开始对虚拟现实技术重视，虚拟现实技术的研究已被国家科委、国防科工委列为重点攻克对象。虚拟现实的研究和应用也在国内许多研究机构和高校进行，并且取得了不错的一些研究成果 3。 例如清华大学国家光盘工程研究中心研究的“布达拉宫”获得很好的成果；北京航空航天大学的研究成果则是由其计算机系完成的用虚拟现
9、实与可视化新技术的研究室集成的分布式虚拟环境；虚拟现实大全景的实现；国家重点实验室之一浙江大学CAD&CG 开发出来一套关于桌面型虚拟建筑环境的实时漫游系统；此外，西安交通大学、中科院软件所、国防科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等学校单位也都进行了交通方面的虚拟现实的研究工作，并取得了一批可喜的研究成果 4。1.3 本文研究的主要内容本文的应用背景是教室漫游模型，虚拟漫游计算机技术的研究目的是为了让计算机更好地展示城市的信息，为不同的的虚拟漫游提供一种更科学先进的方法。针对虚拟漫游的有效性、相对廉价和交互方便性的需求，由此设计出一种虚拟漫游系统，通过使用 Unity 3D 技术，通过运用
10、交互动画的方式，令虚拟漫游获得了全新的展示方式和应用方式。通过系统归纳与分析，展现了新时代下的虚拟漫游中的数字技术的应用，进而促进了虚拟漫游技术的迅速发展，相信在不久的未来这种展示技术会被广泛的应用，把我们的视觉带入一个全新的体验中。1.4 本文组织结构本文一共分为了五个章节。第一章为绪论。先是引言，接着就是研究的目的及其意义。本文研究的主要内容。第二章为相关技术及开发工具介绍。其中包括了软硬件平台简介。虚拟实现技术的介绍。关键技术与开发工具的介绍。介绍了 Unity3D 技术，开发工具 3DS Max 等工具。第三章为系统总体设计分析。其中包括了总体结构分析、概要设计和研究的主要目标分析。第
11、四章为详细设计。其中介绍了确定系统单位，并详细介绍了设计过程以及最终的效果图展示等。3第五章为总结与展望。42 相关技术及开发工具介绍2.1 软硬件平台简介开发硬件方面，其实虚拟现实技术本身对硬件有较高的要求。因为真正的意义上的虚拟现实会使人着实分不清真实与虚幻。它可以从视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉五感全方位来欺骗人体的感官系统。因此，视觉就会需要人眼 3D 成像技术，触觉就会需要传感器和反作用器，味觉、嗅觉、听觉等也都需要相关的硬件技术支撑，从而整个虚拟现实系统实现下来，必然是有较高的硬件要求。但是本次课题条件有限，技术水平也相对欠缺，因此只是从听觉和视觉这两方面入手进行开发，还请大家见谅。
12、本次课题对硬件方面的要求不算太高，市场上的一般的 CPU 就能够满足，内存只要不低于 2G，显卡的话只要是 1G 独立显卡就可以了。如果想要更好的效果和更流畅的画质，那么显卡需要相对好一点的。本人的配置是：CPU(酷睿 2.53GHz)，内存 (2G)，显卡(NVIDIAGeForce 610M )。开发软件方面，完成本次开发所用到的几款软件如下：Unity3D 虚拟现实引擎、3D Studio Max、Photoshop 等。其中 Unity3D 是一个集合工具，等到最后出成品的时候，就是用它来进行发布的了。3D Studio Max 则是一个建模工具，是用来负责虚拟场景和虚拟人物等相关的建
13、模工作。在 3DSMAX 里面建好模型后，导出为 .fbx 格式的模型，然后再导入 Unity3D 虚拟现实引擎从而进行后期加工 5。而 Photoshop 则是一款比较优秀的图像编辑工具，它主要用来负责贴图的处理和各种 UI 图片的提供。它将图片导出到了 3DMAX 进行模型贴图，又或者将图片导出到了 Unity3D 虚拟现实引擎中进行后期的处理。针对以上这几款软件的详细信息，我们将会在下一节进行具体介绍。2.2 虚拟现实技术介绍（1）历史背景概况自 1965 以来，Ivan Sutherland 在一篇名为The Ultimate Display的论文中首次提到了交互式图形的显示，它是经过
14、语音的基本思路提示和能量回馈装置的虚拟现实系统。第二年，美国麻省理工学院的林肯实验室已经正式开始着手 HMD（头戴式显示器）的研发工作。HMD 原型很快就准备好，触觉力反馈装置和模拟电源的再次显影被添加到该系统中。 1970 年，第一次有了较完整的功能的 HMD 系统 6。自 1960 年以来，5美国 VPL（实验动物产品）的创始人拉默，在 20 世纪 80 年代初，首次在这个领域把虚拟现实作为一个专业术语名词。后来，由于各方面的原因，这一技术的发展停滞了下来，一直到了 20 世纪 80 年代和 90 年代为止，它始终被认为是一种新的技术，而且总是在不断地发展和变化中。随着加工制造、生产技术和
15、生产水平等技术的不断发展，虚拟现实技术已然成为了国家最支持的研究之一，在教学辅助软件和科研等应用取得了较为显着的成效。特别是最近几年，计算机硬件的发展和不断优化的计算机软件系统的迅速发展的技术匹配，促使了人机交互系统设计不断创新。新颖实用的输入和输出源源不断地进入市场。这为一个虚拟现实系统的后续发展奠定了一定的基础。因此，虚拟现实技术正渐渐地从模拟飞行和战争等慢慢地应用到了科研，教育，建筑，娱乐，工业，医疗等各个方面。（2）技术特色一个及格的虚拟现实产品，通常都具备以下几个特色：沉浸性：这是虚拟现实的重要核心。它是指把用户投放到由计算机生成的虚拟的场景中的能力。用户在虚拟的场景中会产生身临其境
16、的感觉。如果这种感受不怎么明显，那就说明这个虚拟现实场景的产品离成熟还有一段距离。交互性：指的是用户与虚拟场景中的各个对象的相互作用的能力，它的关键性因素是人机和谐。所谓虚拟现实成熟的产品，是一定能够使用户真真正正的体验到自己可以影响周围的环境，并且能够按照个人的习惯在虚拟场景中自由活动。构想性：虚拟现实不但是一个用户与终端的接口，而且能使用户沉浸于此环境中并且获取到新的知识，去提高感性和理性认识，进而产生新的构思。像以上这样，用户不断进沉浸其中，会使用户的思维也跟着虚拟场景不断拓展延伸。2.3 关键技术与开发工具介绍2.3.1 Unity3D 虚拟现实引擎对于 Unity3D，很多人估计都会
17、比较陌生，这是一款近年来异常迅速地发展的虚拟现实软件，如今在北美洲的普及度已经是比较广泛了，随着软件在全球的普及，中国也已渐渐开始风靡起来了。Unity3D 是一个可以让你轻松地创作多平台游戏开发的工具，是一个较全面整合的专业的游戏引擎，同时也可用于虚拟现实的开发 7。 6Unity3D 引擎因为超越了原有的 CryTek、UDK 等游戏引擎而倍受全世界的关注和瞩目 8。它能够把所有涉及 3D 游戏开发的领域，例如， AR（Augmented Reality）领域、建筑、3D Web 领域、商品、时装宣传等领域中所有涉及到的软件，在最短的时间内开发成如今大多数的平台(如 Android， Ma
18、c， IPhone，PC， IPad，XBOX360， PS3，Wii 等 )。APPStore 所出售的 IPad 和 IPhone 中，有 1000 多种以上游戏都是使用了 Unity3D来开发的。Unity3D 是世界上绝大多数游戏厂商（如 EA，NC Soft 等）争先恐后申请使用的开发工具 9。Unity3D 开发工具不但性能卓越，而且在开发的效率上也是比较出类拔萃的。同时，它还具备世界上其他任何开发工具都不能够与之相媲美的性价比的优势。Unity3D 的高兼容性特点自然是最引人瞩目的优势 10。无论是联网，还是单机，或者 Ipad，手机，触屏，网页等以及各种应用，它都是可以支持的，
19、产品的方向既灵活又广泛，前景既广阔又美好。其开发界面如下： 图 2-1 Unity3D 开发界面2.3.2 开发工具介绍（1）3D Studio Max 建模工具：对于 3D Studio Max，相信应该有不少的人熟悉它。3D Studio Max 又被简称为Max 或者 3ds Max11。它是基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件，是由Autodesk（欧特克有限公司）公司开发的，它的前身则是基于 DOS 操作系统 3D Studio7系列软件。在计算机里显示的是 3d 图形，显示在三维图形，与现实世界不同的是在真实的三维空间中，存在一个实际的距离。计算机看起来就像是真实世界，所以在
20、3D 计算机图形显示里，是人们喜欢看到真实的东西。人眼具有在越远出看东西越小的接近的特性，它会形成一个三维的图像。计算机的屏幕是二维平面的，我们会很欣赏那种呈罐状的三维图像。当灰色和人眼的各种色调在计算机屏幕上显示时，会使人产生视错觉，二维计算机屏幕会被看成是 3 的图像尺寸 12。对于颜色的知识，突出的边缘部位的立体物通常会有更高亮度，光和颜色的凹侧面引起暗外观和闭塞。基于这种认识，则被广泛应用到网页或其他应用程序来绘制按钮或 3D 网游等。3ds Max 软件为 3D 动画建模提供解决方案并且其是世界上 3D 动画建模过程中销量最大的软件。其被广泛应用于视觉效果的制作、动漫角色以及下一代的
21、游戏。 3dsmax 赢得了 65 项的行业大奖。3DSMAX 将继承以往的成功并申请加入了新的 IK 动画角色系统，为下一代的游戏设计和交互式图形界面提供新的动力。它同时被广泛应用于各种建模平台，并且集成新的行业细分曲面、综合能力、多边形几何和提供呼叫元素 ActiveShade 的新功能。 3dsmax 同时提供了 RenderMan 和 MntalRay 先进的渲染连接功能，以达到产生特殊的渲染的目的，例如全景的照明，聚焦以及分布式渲染等。设计复杂的、丰富的视觉效果，创建能搬上大银幕的最畅销的逼真的 3D 游戏角色 13。3D 建模软件更容易处理一些相对复杂的动画场景，并且可以有效地帮助
22、可视化设计的专业人员、游戏开发人员以及视觉特效艺术家，从而最大化他们的生产力。无论是应用程序或应用软件，都被广泛应用在影视、广告、建筑设计、工业设计、多媒体开发、教学、游戏和可视化辅助工程等方面。在电视和娱乐中，利用 3DS MAX制作动画片头以及视频游戏，都具有很强的视觉体验，3DS MAX 所带来的效果体验已深深扎根在玩家的心中。在国内，用 3DS MAX 建模的动画是具有绝对的竞争优势。不同的行业具有不同的应用特性，从而对掌握 3DS MAX 的技术程度有不同的需求。其中，应用程序架构仅需要一个单一的框架就能影响环境，并且其仅涉及简单的动画 14。人物动画和视频游戏对 3DS MAX 的功能有相对较高的要求，而在影视特效方面，更是把 3DS MAX 的功能应用发挥到了极致。3D 技术的发展
