毕业设计（论文）-基于三维扫描的古庙虚拟漫游系统的设计与实现.doc

湖 北 民 族 学 院毕业论文（设计）基于三维扫描的古庙虚拟漫游系统的设计与实现学生姓名： 学 号： 系 别：信息工程 专 业：数字媒体 指导教师： 评阅教师：胡涛 论文答辩日期 答辩委员会主席 独创性声明本人声明所呈交的论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文（设计）版权使用授权书本论文（设计）作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权湖北民族学院可以将本论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文（设计）。本论文属于 保密 ，在_年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月日摘 要随着互联网的飞速发展，VR技术作为互联网的衍生产业也跟着飞速发展，基于三维扫描的地区虚拟漫游系统所需要解决的问题突出表现为地区模型的构建与交互特性的实现。本文以古庙为特征建筑，设计研究虚拟漫游系统的设计与实现，从构建模型等基本问题入手，利用FARO等高科技仪器实现地区模型构建的简单化，着重研究讨论虚拟现实之间的交互性，在解决了基本模型构建后，需进一步解决模型贴图的问题，主要利用MAYA，3dMax等三维处理软件对已经做好的模型进行进一步的优化，使其更加逼真。在模型整体基本完成之后，通过对JAVA，C#等主要研究语言在Unity 3D中的学习，了解，利用，实现地区模型与现实社会之间的交互，完成整个课题的研究讨论。整个课题以FARO等先进设备为基础，以MAYA，3dMax以及Unity 3D等应用软件为方法，以VR整体思路为框架，实现了地区实质性的三维地形地貌与虚拟的三维模型之间的完美交互，其实际意义在于向任何有条件链接到互联网的用户提供某一个地区的实际地形地貌及其特征，实现真正意义上的零距离接触。实际应用表明，这项研究是与时俱进并且具有实际可操作性的。关键词：VR技术，Unity 3d，三维处理软件，虚拟漫游IAbstractWith the rapid development of the Internet, VR technology as the Internet is also followed by the rapid development of the derivative,The problems that need to be solved in the area of virtual roaming system based on 3D scanning are highlighted as the construction of the regional model and the realization of the interactive characteristics.The temple architectural features, design and Realization of the design and research of virtual roaming system, starting from the construction of the fundamental problem of model, area model of simple implementation using Faro and other high-tech instruments, focusing on discussion of the interaction between virtual reality, in solving the basic model, that need to be solved further model mapping,The main use of MAYA, 3dMax and other three-dimensional processing software for further optimization of the model has been done to make it more realistic. After the basic completion of the whole model by the unity 3D of Java, C# main research on language learning, understanding, were utilized to achieve the interaction between the real world and the model area, complete the topic of research and discussion. The subject is based on the Faro and other advanced equipment, to Maya, 3dmax and unity 3D application software method to VR overall train of thought as framework to achieve the perfect interaction between areas of substance of the three-dimensional topography and virtual 3D model, its practical significance lies in to any condition linked to Internet users to provide a certain area of the actual topography and its characteristics, the realization of the true meaning of zero distance contact. The practical application shows that the research is with the times and has practical operability.Keywords：VR Technology, Unity 3d, Three-dimensional processing software, virtual roamingII目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1课题背景及来源11.2课题研究的目的和意义21.3国内外概况31.4漫游系统整体过程42古庙漫游系统设计52.1界面设计52.1.1主界面52.1.2漫游界面设计62.1.3设置界面设计72.1.4漫游对话界面设计82.2功能设计92.2.1背景音乐设计92.2.2自动漫游设计92.2.3第一视角漫游设计92.2.4第三视角漫游设计92.2.5地图功能设计93基于Maya的虚拟场景制作113.1采集数据123.1.1仪器介绍123.1.2点云数据采集过程133.1.3数据采集注意事项133.2制作建筑模型与贴图143.2.1数据处理软件14III3.2.2生成建筑模型183.2.3制作建筑贴图223.3数据完整性检查283.3.1. 检查内容283.3.2. 检查方法284基于Unity 3d虚拟古庙交互功能的实现304.1引擎与语言的简单介绍304.1.1 Unity 3d的简单介绍304.1.2 JavaScript的简单介绍304.2场景实现314.2.1固定场景的制作314.3界面实现324.3.1主界面的实现324.3.2设置界面的实现344.4功能实现344.4.1自动漫游设计的实现344.4.2第三视角漫游设计的实现385基于Unity 3d虚拟古庙漫游的测试与发布405.1虚拟古庙交互功能测试405.1.1系统发布405.1.2系统检测425.2虚拟古庙场景漫游系统发布426总结与展望436.1总结436.2展望43参考文献44致 谢46IV1.绪论本章系统阐述漫游系统的研究背景，研究目的和国内外的研究概况，明确的指出虚拟现实技术所面临的问题。1.1. 课题背景及来源基于三维扫描的古庙漫游系统是以真实古庙为基础，全景图为要求，实现以漫游为目的的一项课题研究。所谓全景，简单的说是把相机环三百六十度拍摄的一组或者多组拼接成的一个全景图像，是一种新兴的的富媒体技术。虚拟漫游是虚拟现实这一大课题中的一门重要分支，也可以说是实现虚拟现实的最基本的展示。漫游所要实现的某个真实存在的个体与以计算机为载体的，以真实世界为基础的虚拟场景或者图片的交互。研究这一课题，是以古庙作为地区特征代表来开展的，整个课题的设计研究都是基于这样一个地区特征代表来实现的。随着数字科技的快速发展，三维扫描，三维建模，漫游系统等技术也是发展迅速，三维扫描这一项新兴的技术不仅仅可以将现实世界的地理面貌记录下来，而且还可以将建筑群体或者其它特征建筑的三维坐标实现系统化，从而将现实世界中的某一个部分甚至每一个部分都在计算机软件中以漫游的方式展示出来。三维建模的发展也不仅仅只是应用于数字文化行业，更多的应用于矿业，建筑业，文化保护以及虚拟现实技术中。三维扫描技术也是日新月异，不仅仅可以将目标区域的全景图片拍摄下来，同时还能扫描出彩色的三维点云，这样新兴的技术为数据建模工作的开展节约了很多成本。漫游系统的研究与实现，不仅仅能够促进虚拟现实技术的发展，更多的是这样一项技术可以在诸多领域中发挥至关重要的作用，比如某一家公司向外界展示其硬件实力可以用到漫游系统技术，学校向外界展示校园风采可以用到漫游系统技术，旅游景区向外界展示风景秀丽可以用到虚拟现实技术等等。1.2. 课题研究的目的和意义设计研究实现古庙漫游系统，目的在于以此来了解漫游系统的实现过程，熟练掌握漫游系统的制作过程和制作关键，了解整个过程相关软件的应用和技巧，提高自身的文化素质，把虚拟现实技术以漫游的方式表示出来，为虚拟现实技术的发展贡献一点儿微薄之力。以古庙为特征建筑进行虚拟漫游系统研究，设计并实现古庙漫游系统，努力让自己能够熟练处理在制作过程中遇到的困难，这样的一个过程本身就是一个有意义并且自我提高的一个过程，从小的方面讲，设计研究实现古庙漫游系统这样一个课题能够提高自我，充实自我，走进科技。从更大方面讲，漫游系统的实现，不仅仅能够让某一个地区的地形地貌展现在制作人的眼中，它可以向外界展示地区文化特色，建筑风格，人文景观，自然景观等等。比如说学校，随着科技的越发发展，每一学校的科技文化都会逐步的提高，而学校漫游系统则是展示学校特色文化，树立学校良好形象的最好途径之一，绝大多数学校都会选择以科技文化来展示学校的硬实力和软实力，以此来提高学校的知名度。当然，应用不仅仅局限于学校，更多的单位和集团在需要展示本身的文化和实力的时候，都会以科技为前提，以务实为基础，以创新为目标来选择更好的途径，无疑漫游系统的研究则是单位和集团的不二选择。从更大的方面讲，这一课题的研究与实现，能够为虚拟现实技术或者说虚拟现实这一科学领域做出一点点贡献。古庙漫游系统本身的价值即是服务于所有需要展示的单位，集团或者现实世界存在的任何一个坐标，从而表现出目标想要表现的东西。当然，三维漫游系统的研究实现还存在很多问题，第一，当场景太大的时候，数据采集或者说手动建立模型，这样虽然能够保证漫游质量，但是需要消耗巨大的人力物力；相反，若采集数据利用全部利用机器做的话，就不能够保证三维漫游的质量，而且对于高科技的依赖性非常强。第二，三维场景漫游虽然能够成功在网页或者客户端运行漫游，但是其中很多功能还不能够很好的实现。1.3. 国内外概况目前,许多的国外大学及科研机构都在从事虚拟场景漫游的研究。其中美国加州大学北卡分校及伯克利分校在这方面走在世界前沿,他们都拥有世界一流的漫游技术研究室,研究室里配有许多虚拟现实技术的设备,包括功能强大的图形工作站、高分辨率图形显示器、各种类型的头盔显示器(MHD)、数据手套、步行器等。加州大学北卡分校的漫游技术研究室把建筑漫游作为自己的主要研究方向,到目前为止,他们完成的实时漫游大型建筑己达十个以上,其中至少有三项是在建筑施工前进行的事前仿真,让用户和设计者在工程开始之前,就可以对整个设计做出评估并反复修正设计方案1。1977年,北卡分校实现了由13000000个三角形构造的一个电厂模型的实时交互漫游,他们采用的纹理盒消除模型、细节层次模型、可见区预计算等算法大大提高了场景渲染的效率。1996年,加州伯克利分校在SGI工作站也实现了本校新楼SODAHALL的实时漫游。SODAHALL模型由1418807个多边形构成,占据21.5兆的硬盘空间,模型用了406种材质及58种不同纹理。由于研究小组采用了高效的数据存储结构、多级动态LOD技术、场景调度算法、实时可视区域判定算法及计算处理等多种技术使得SODAHALL的实时仿真率(每秒钟刷新频率)恒定在每秒20帧左右2。在我国,清华、武大、北京航空航天大学、杭州大学、浙大、西南交通大学等许多大学都己经开展虚拟场景漫游技术的研究,在视景技术、三维图形算法、建模方法等方面都取得了重要成果,并在城市规划与建筑领域得到了初步的实际应用。武汉理工大学开发出了一套古庙虚拟全景漫游系统,由该校网络信息中心与艺术与设计学院数码艺术系方兴工作室共同开发研制,历时四个月,横跨余家头、东、西院三个校区,共拍摄古庙场景20余处,拍摄照片800多张,制作360度全景漫游。上海大学实现了宁波科技园区实时漫游系统。清华大学土木系的“vRGROUP”小组使用SPuerscPae公司的VTR虚拟环境软件包于1998年开发了“清华北大蓝旗营教师住宅小区”虚拟环境漫游系统3。北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室,完成了虚拟的恒昌花园及其房内装修4。浙江大学CAD&GC国家重点实验室,开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。西南交通大学在虚拟古庙漫游系统的研究方面也有长足的进展。1.4. 漫游系统整体过程使用FARO等高科技三维扫描仪器扫描数据完成后，利用三维模型处理软件对数据进行整理，对整理后的数据进行初步处理，检查数据无误后，继续深入处理，直至把虚拟建筑场景制作出来，然后基于Unity 3d引擎实现人机交互，最后生成可正常运行的.exe文件，具体操作流程如图1.1所示。数据采集数据处理生成模型实现人机交互系统检测生成.exe文件 Scene maya Geomagic 3ds Max Ps Mudbox Unity 3d Unity 3d Unity 3d Unity 3d 图1.1 漫游系统的整体制作过程432. 古庙漫游系统设计本章主要针对系统漫游设计做了初步的构想，让用户知道在使用虚拟古庙漫游系统接触到什么样的界面，有什么样的功能，在漫游时能够做什么事情，以什么样的方式进行整体的漫游以及各种设计的优点和作用。2.1. 界面设计2.1.1. 主界面包括界面中央一段以古庙文化为背景的短视频，短视频中暂停，开始，停止按钮。界面右下角的开始按钮，退出按钮，左上角的设置按钮.以古庙文化为背景的短视频主要作用是宣传古庙文化，让用户更加了解古庙文化，有利于古庙文化传播，视频中的暂停按钮功能是暂停视频播放，防止用户暂时的离开而错过古庙视频中比较体现古庙特色的部分，停止按钮则是停止播放视频。用户点击开始按钮，就会以默认的方式或者用户设置的方式开始漫游，用户单击设置按钮，就会进入二级设置界面，用户可以设置自己喜欢的漫游方式，用户单击退出按钮，就会退出程序。如图2.1所示。图2.1 主界面设计图2.1.2. 漫游界面设计包括漫游中央内容，右下角退出漫游按钮。如图2.2所示。图2.2 漫游界面设计图2.1.3. 设置界面设计设置界面包括右上角背景音乐开关，右下角开始自动漫游，主动漫游，第一视角漫游，第三视角漫游，地图，设置等功能按键。背景音乐开关可控制是否开启音乐，点击开始自动漫游会根据系统自行设定的路线开始漫游整个虚拟古庙，点击主动漫游会根据用户主管意向漫游古庙任意部分，主动漫游需要结合地图功能实现，用户点击地图按键，弹出整个虚拟古庙的地图，地图上包括虚拟古庙主要的场景建筑，用户根据自身需要点击任何场景进入目标场景漫游，第一视角漫游是以用户眼睛为起点来漫游，用户在漫游界面只能看见摄像机所能照射到的界面，而第三视角漫游是以用户为第三人设定的漫游，在用户眼睛中，出了能看见摄像机拍摄到的场景，还能看见一个虚拟人的模型。如图2.3所示。图2.3 设置界面设计图2.1.4. 漫游对话界面设计当用户漫游到某处建筑的时候，不知道这栋建筑是干什么的，有什么作用，叫什么名字，这个时候我们需要给这栋建筑做一个标签，也就是漫游对话界面设计，用户点击某一栋建筑的标签时，弹出一个头像，介绍当前建筑的名字，作用，建成日期等基本信息。界面右下角设置返回按钮，以便用户看完返回漫游。这样的方式就像是在游戏里面人物执行任务时的对话框，如图2.4所示。图2.3 对话框界面演示图2.2. 功能设计2.2.1. 背景音乐设计背景音乐能够调节用户漫游时候的枯燥，背景音乐的选择也就成了重点，背景音乐的选择包括柔和的，轻快的，喜气的等能够调节气氛的音乐。背景音乐的开关在设置中可以设置在整体漫游中音乐的开关，在漫游时在右上角的暂停按钮和调节音量大小按钮，方便用户随时调节音乐开关，音乐音量大小。2.2.2. 自动漫游设计自动漫游指的是不需要用户操作，用户点击自动漫游后，会根据系统设定完成整个虚拟古庙漫游。这样就需要我们设定一套或者几套漫游路线，比如从古庙大门开始，进入大门弹出对话框，介绍古庙背景，建成投入使用时间，古庙历史等基本信息，每经过一个建筑时，都弹出这样的对话框，以便用户更好的了解到古庙更全面的信息。自动漫游设计主要针对不方便使用计算机或者本身不愿意使用计算机进行交互的用户，其中人机交互很少，仅仅是在开始的时候点击一下开始按钮，很明显的缺点是交互少，用户只能根据系统设定的漫游路线走，限制了用户了解古庙的重点，优点是用户在漫游时可以做其它的事情，就像看电视一样，仅仅只是播放了一个视频而已。2.2.3. 第一视角漫游设计第一视角漫游设计主要是以摄像机本身为起点，用户在漫游时只能看到摄像机拍摄到的场景，就像用户已经到了古庙一样，反馈给用户的是最直观的信息。2.2.4. 第三视角漫游设计第三视角漫游设计是以一个虚拟人为起点，摄像机隐藏在虚拟人的身体中，用户在漫游时看见的是以虚拟人视角看到的场景，这样可以更加全面的以多视角的方式了解古庙的全貌。2.2.5. 地图功能设计用户在进行视角漫游设计时，需要用到地图功能才能够实现比较合理的漫游，地图功能的实现能够让用户在漫游到任何时间任何地点跳转到其他时间其他地点，大大的加强了系统与用户的交互性，也更加能体现系统的价值。3. 基于Maya的虚拟场景制作本章主要是围绕整体设计基础开展工作，主要是对数据进行采集处理，详细的阐述了数据采集和数据处理的过程以及其中的注意事项，采集数据的过程是非常重要的，数据的质量直接影响到后期漫游系统的搭建，用户视觉的体验。整个扫描过程根据实际情况确定工作量大小，在工作量非常大的情况下可以采用其他扫描方式，比如iScan车载扫描，背包扫描等方式，无论用什么扫描方式，在数据扫描整体完成后，都需要对数据进行完整性检查，确保数据完整，以保障后期工作正常进行。3.1. 采集数据3.1.1. 仪器介绍三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破5。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命6。美国FARO三维激光扫描仪是二十一世纪革命性的新式三维激光扫描仪，每秒可以获取976000个点，最长距离扫描可以达到130余米，通过简单直观的操作，获取目标地区三维实景激光能扫描到的点。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等都有很多应用7。单反相机是广泛应用于各个领域的采图工具。主要利用该仪器对我们需要做的漫游目标进行三维点云数据的采集，采集工具如图3.1。 图3.1 数据采集工具3.1.2. 点云数据采集过程1）观察目标区域，确定目标区域用三维激光扫描的可行性，并初步确定目标区域需要多少站点来完成扫描，以此确定扫描大致需要多少时间；2）观察目标区域，确定目标区域用三维激光扫描的可行性，并初步确定目标区域需要多少站点来完成扫描，以此确定扫描大致需要多少时间；准备搭建三维扫描仪器与进站所需标记球，为扫描仪装上电池，三脚架等基本辅助工具后，摆好第一站点的标记球，摆标记球的具体要求是尽可能的将球摆到比较固定的位置，防止在扫描期间球体挪动位置，必须满足每一个站点之间的公共球在三个以上，以保证在拼接的时候能正常的进行。3）在一切准备就绪后，打开扫描仪，将参数设置好，并点击开始进行扫描，当第一站扫描完成后，重复摆球动作，直到把整个目标区域扫描完整。由于目标场景一般一天不能完成数据采集工作，所以在当天采集数据后，需要当天把数据进行简单的处理，即大致删除场景中很明显的噪点，减小数据量，方便整个数据采集完成后的处理。4）简单的处理工作是由SCENE来完成，将当天扫描的整个数据导入SCENE中，加载需要处理的站点（最好一次加载三个站点一下，防止电脑卡死）；切换到场景的三维视图，并利用视图的局限性发现多余的噪点，并选择删除；重复第二个步骤，直到所有保证所有站点的大噪点基本删除完成；所有站点处理完成后，检查当天扫描的站点是否有遗漏，以及站点的完整性，检查完毕后保存退出。贴图数据采集过程，观察目标区域，选择一个较为明显的起始点开始；打开相机，调整拍照模式，设置参数，然后试拍几张观察效果；开始逐一拍摄目标区域所有建筑贴图。3.1.3. 数据采集注意事项1）点云数据采集注意事项在进行点云数据采集的时候，最好选择晴天，因为下雨天仪器打出去的激光会被雨水挡回，不仅目标场景获取模糊，而且处理起来噪点会布满整个场景，得不偿失。一定要注意仪器电池电量，一块电池大概能支持仪器采集4个小时左右，在电量低于百分之五一下时先换电池然后继续工作，以免采集的数据意外丢失。整套仪器价格昂贵，所以注意轻拿轻放。2）贴图数据采集注意事项，在进行贴图数据采集的时候，最好选择阴天，这样可以有效的避免一张图片出现一明一暗的阴影效果，如果现实限制，可以随着太阳光的走向来拍照，总之，需要保证图片不出现一明一暗的效果，尽量使所采集的照片都具有可编辑性。3.2. 制作建筑模型与贴图3.2.1. 数据处理软件1） SCENE是三维激光光扫描仪中自带的数据处理基本软件，主要是对整体扫描数据进行简单除燥以及整体数据的拼接。SCENE软件界面如图3.2。图3.2 SCENE软件界面介绍2） Geomagic Studio 是Geomagic公司产品的一款逆向软件，可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型。作为自动化逆向工程软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。Geomagic Studio可以作为CAD、CAE和CAM工具提供完美补充,它可以输出行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等众多文件格式8。主要应用该软件对扫描数据进行精确除燥，生成以三角面片为基本单位的模型。Geomagic Studio界面如图3.3。图3.3 Geomagic Studio软件界面介绍3）3ds Max，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件9。主要利用该软件对整体模型进行展UV操作,利于后面进行贴图制作。3ds Max界面如图3.4所示。图3.4 3ds Max软件界面介绍4） Zbrush是一款可以完成数字雕刻与纹理绘画软件，主要使用该软件对整体模型进行分块操作。Zbrush主界面如图3.5所示。图3.5 Zbrush软件界面介绍5）Autodesk MudBox是一款数字雕刻与纹理绘画软件，主要利用该软件制作纹理贴图。Autodesk MudBox软件的主界面如图3.6所示。图3.6 Autodesk MudBox软件界面介绍6）Autodesk Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等10。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件11。主要用该软件对整体模型进行面片整合，把原有的基本单位为三维面片的整合，为基本单位为四角面片的模型。MAYA主界面如图3.7所示。图3.7 Autodesk Maya软件界面介绍7） Adobe Photoshop主要处理以像素所构成的数字图像。使用其众多的编修与绘图工具，可以有效地进行图片编辑工作。Adobe Photoshop有很多功能，在图像、图形、文字、视频、出版等各方面都有涉及12。主要利用该软件对采集的照片进行优化统一处理。3.2.2. 生成建筑模型1） 数据在SCENE软件中的处理过程，数据的导入与保存具体操作如下，打开scene软件，执行“文件”-“新建”-“项目”；对项目进行命名并确定，选择数据，将数据文件拖到工作区；执行“文件”-“保存”，如果数据较大，等待时间会较长。选取标记球，加载数据选取多个3-5个点云数据（根据内存决定，内存越大可加载的数据量越大），点击右键，执行“视图”-“平面视图”，等待数据加载；利用把球标记工具选取把球，当把球呈现绿色状态是表示选取精确，可以使用，点击确定。拼接所有数据，布置扫描，在工作区找到“Scan”，点击右键，选择“操作”- “注册”-“布置扫描，参数选用默认参数，点击确定；在工作区找到Scan，执行“加载所有扫描”并查看三维视图，如图3.8所示。图3.8 所有扫描点的三维视图检查模型完整，是否出现错误；导出数据，在确保拼接数据没有错误后，导出扫描点，如图3.9所示。图3.9 导出扫描点导出格式选择wrl格式，如图3.10所示。图3.10 导出扫描点2） 数据在Geomagic中的处理过程，打开Geomagic软件，导入从Scene中导出的文件，并保存在统一的目录下。在点云没有进行封装之前，对点云大体上多余的数据全部删除，然后根据点云密度对点云进行适当的稀释，减小数据量，删除的时候选择多义选择工具，圈出不需要的部分，点击删除。或者圈出需要的部分，然后反转选取，点击删除。重复此步骤，知道的到比较满意的结果。数据封装，删除噪点完成后对点云进行封装操作，将点云模型转换为基本单位为三角面片的模型。选择联合点对象，合并，统一，对数据进行进一步的优化，然后点击封装。为了保持模型的真实性以及正确性，在封装的时候不选择删除小组件和降低噪音，以免破坏模型，不勾选最大面片数，防止在数据较大的时候使得模型不完整，为了保持数据的原始性，点间距也不进行设置，沿用默认数据。当所有参数调整完毕，点击封装。精确除燥，在基本单位变成三角面片后的模型删除噪点就要求必须很精确，确保模型整体与实际物体相差不大，即需要删除所有模型主体以外的所有三角面片，包括模型内部噪点。在初步除燥的时候只是简单的删除大体上不要的部分，大致确定模型的形状，在封装之后需要删除所有多余的面片，完成模型整体的制作。在选择模型部分的时候，可以对选择的进行选择以及反选，根据选择的难度选择需要的方式，如图3.11所示。补洞，数据采集总是不能十全十美，或多或少会有一些扫描不到的地方，所以封装完成而且删除噪点以后的模型并不完整，还需要我们对模型进行修补，就是模型上面的各种大小规则不一的洞，选择多边形下面的填补单个洞，会有三种方式提供我们选择，分别是填充内部孔，填充边界孔和塔桥，填充的类别也分为三种，分别是曲率（按照孔周围曲线的曲率进行填充），切线（按照选择孔的切线方向进行填充），平面（按照孔的区域大小进行平面填充），选择哪种填充方式是根据具体的情况而定的；内部孔，当孔是完全封闭的而且孔的大小合适与模型本身，意思就是以内部孔的填充方式填充不会影响到模型本身的真实度的时候，我们可以选择内部孔进行填充；填充边界孔，当孔很大或者不是完全封闭的孔的时候，我们需要填充孔，则可以选择填充边界孔，填充边界孔的时候需要选择两个边界点才可以填充，需要注意的是在选择填充的时候需要正确选择填充的方向；搭桥，当模型中有的孔较大或者是反转的时候需要搭桥才可以填充的时候就可以选择搭桥的方式，搭桥同样需要选择两个顶点。在手动除燥完成后，最后用软件自带的模型检查功能对模型进行错误检查，一般情况下都会有少部分小错误，然后利用软件自带功能，智能的消除这些错误。模型制作完成后，对模型进行检查，检查无误后，选择Fbx文件格式以及输出路径后导出数据。图3.11 部分模型选择方式3.2.3. 制作建筑贴图 1） 数据在Adobe Photoshop软件中的处理过程，将利用单反相机拍摄的照片分批的导入软件中，挑选效果符合要求的几张照片，如图3.12所示。并把这几张照片作为条件模板，将其它的照片的色调，光线，明暗等属性调整到大致相同，并保存在相同的文件夹内。导入其他部分的照片，重复第一个步骤，直到把所有图片处理完成，然后检查所有照片是否存在遗漏未处理，图片缺失，图片修改与实际偏差太大等问题。图3.12 符合要求的图片2） 数据在Zbrush中的处理过程，打开软件，单机Hide,隐藏工程面板，在Tool选择栏下面的点击Import（导入）需要待优化的模型，这个时候会出现相应的提示（）中选择NO。点击右边的模型，然后用鼠标在主界面拖出来（生成模型），点击Edit(Edit object T)显示为橘黄色,并把Z Intensityde 的数值改为0，这个时候就要是要调节物体位置，小技巧（在主界面外框内对物体进行旋转及平移的操作，平移需要按住Alt)完成上述操作后，在菜单栏中点击Zplugin，然后再点击Decimation Master,预计算这个模型的面数（三角面），然后再百分比数值上调整你要得到的百分比数值（例如调整为20%），按Decimate current，得到百分比后的模型。按住ctrl+shift+左键（不放），选中SLICE，对要分割的模型进行框选，框选好要分割的模型后，进行SUBTOOL的切分：SPLIT-Groups splits-OK，反复操作这个步骤，直到把模型分割完成。如图3.13所示。图3.13 分割完成后的模型3） 数据在3ds Max软件中的处理过程打开软件，并在网上下载安装unwrella插件。依次导入在Zbrush中分割好的模型并对几部分模型进行打组。调整模型位置，使得模型的三维坐标为零并让模型在四视图中都能清晰的显示。在实用程序（像锤子状）-解组-重置变换-重置选定物体选中物体，右键孤立当前选择，然后再转换为可编辑多边形，选择可编辑多边形-勾选分割按钮-快速切片（点击始末点，使之成为一条虚线），在工具栏中点击选择并移动工具，在点选元素，点击物体，可查看是否分割好分离。单击修改器列表-Unwrella，在Texture stretch改为相应的数值（参考数值：0.05），把UNWRAP AS改为Triangles，其他的参数不变，调节好一系列参数后-Unwrap，在菜单栏中点击修改器-UV坐标-UVW展开-点击打开编辑UVW阑栅格，再下来的选择栏中切换为元素选择重新塑造元素放松直到展平（“雷电状”按钮），如图3.14所示。图3.14 展平后的uv在窗口菜单栏中点击选项首选项勾选显示阑珊格把栅格大小改为1，开始合并被分割的模型，先选择物体的可编辑性多边形附加，选择边界边右键转换为顶点编辑顶点焊接口调整数据。当展UV操作做完之后，如图3.15所示。选择模型，导出模型。图3.15 做好后的uv4） 数据在与Autodesk MudBox中的处理过程，将在3ds Max中分割好的模型导入其中的一部分，在保存照片的文件夹中找到与模型部分想对应的部分，并批量的将照片导入Autodesk MudBox中，并逐一检查图片与模型是否对应。打开模型后，会出现网格错误的提示，在菜单中找到网格错误对话框，关闭网格错误的显示，利用Autodesk MudBox中的投影工具，以模型为底面，将照片位置与模型位置对应好，然后开始刷照片与模型对应的部分，当刷完之后保存刷好的纹理贴图。投影工具，投影工具除了笔刷大小需要更改外，其他参数均不需要设置选择默认即可，笔刷工具的大小设置是键盘的中括号键。橡皮擦工具，橡皮擦工具的用处就是当投影错误时，可以用橡皮擦工具进行涂改，相当于现实中的橡皮工具，把投影上的贴图擦拭干净，还原到开始的模型状态。在右侧参数中也有其大小强度等。克隆工具，克隆和复制的意思差不多。当想克隆的时候，选择克隆工具，在按住ctrl键的同时，在你想克隆的地方左键点击一下，松开ctrl键，在你想克隆的地方进行涂刷即可。颜色减淡和加深工具，简而言之，就是对所贴的图片进行颜色上的减淡和加深。在使用减淡或加深工具的时候，最好就是把笔刷调的大一点再进行刷，因为笔刷太小的话只能给模型的局部进行颜色的加深和减淡，效果不是很好。重复第二个步骤，将模型所有部分的纹理贴图制作好并导出相同的图片格式，并检查纹理贴图的完整性。导出纹理贴图时，保存路径和模型保存路径一致。输出文件夹会出现三个文件，分别是mud文件，Bak文件和纹理贴图文件。纹理贴图文件如图3.16所示。纹理贴图文件中包含所有做过的纹理贴图，重复检查无误后关闭软件。图3.16 纹理贴图文件5） 数据在Autodesk Maya中的处理过程，导入从3ds Max中导出的整体模型，检查模型完整。打开模型的材质编辑器。执行window-UV Texture Editor命令，会弹出来UV编辑器。接下来需要做的工作就是为每一块UV创建材质球，为其贴图。在透视图选中模型，在UV编辑器中可以看到一块块的分好的UV，每一块不同的UV对应不同的模型块。为模型的UV分别添加材质球。执行材质编辑器Window-rendering editors-hypershade。在create面板选择新建一个lambert材质球，work space面板中会出现刚建好的lambert材质球。双击work space中的Lambert材质球，材质球的属性面板就会打开。更改材质球的名字为之前分块时为第一块UV的名字（例如P），选择color属性右侧的棋盘格。会弹出create render node面板，选择File，为color属性链接一个file属性。在右侧的属性面板选择image Name右侧的文件夹图标，弹出open菜单。在该菜单中选择相对应的P部分的UV贴图，单击open按钮导入。UV贴图为tif格式的带通道信息的贴图，即带透明度信息的。我们不需要UV贴图的透明度信息。双击P材质球，在弹出的P材质球的属性面板中，选择Transparency透明度属性，右键单击执行Break Connection命令，就可以可断开透明度链接。执行window-UV Texture Editor命令，弹出UV编辑器，在选中模型的前提下，执行Alt加选鼠标右键，在弹出的热键中选择face面模式，框选左上角第一块UV块，将UV Texture Editor最小化，在透视图中，将鼠标放在被选中的模型上边，摁住鼠标右键会弹出一个菜单，选择Assign Existing MaterialP，被选中的模型块就会被附上P材质球的贴图。如图3.17所示。图3.17附好图的材质球重复以上步骤，直到把所有部分的贴图做完整。贴图完成后，需要检查一下整体的贴图效果。如果贴图没有问题就可以直接执行FileExport All进行导出，导出时要改成fbx的。然后执行导出。导出的文件如图3.18所示。图3.18导出后的文件3.3. 数据完整性检查3.3.1. 检查内容1）数据组织检查，包括文件命名，数据格式是否符合技术要求。2）模型精度检查，包括建筑物精度是否统一，精度要求是否符合工程需要。3）模型纹理正确性检查，包括模型纹理与现实是否一致，模型结构取舍是否得当。4）合理性检查，包括模型的完整性，模型贴图的协调性，场景烘托是否正确等等。3.3.2. 检查方法主要检查方法包括软件自动检查，人机互动检查以及实地对比检查。三种检查方式需要交叉运用，取长补短才能发挥很好的效果。4. 基于Unity 3d虚拟古庙交互功能的实现本章主要针对场景实现以及交互实现做了简单的描述，场景的完成主要依靠前期模型数据的处理以及贴图数据的处理，在这里只是简单的做一下贴图的赋予与灯光的添加。后面简单介绍人机交互实现的可行方法和简单步骤。Unity 3d虽然不是万能的，但是真的很强大，我们能够利用里面自带的功能实现很多让我们很头疼的问题，就比如说第一视角漫游，我们只需要添加一个第一视角摄像机就可以，大大缩减了工作量。4.1. 引擎与语言的简单介绍4.1.1. Unity 3d的简单介绍是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件13。其编辑器运行在Windows 和Mac OS X下，可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL（需要HTML5）、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览14。它的网页播放器也被Mac widgets所支持。4.1.2. JavaScript的简单介绍JavaScript一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。它的解释器被称为JavaScript引擎，为浏览器的一部分，广泛用于客户端的脚本语言，最早是在HTML（标准通用标记语言下的一个应用）网页上使用，用来给HTML网页增加动态功能。在1995年时，由Netscape公司的Brendan Eich，在网景导航者浏览器上首次设计实现而成。因为Netscape与Sun合作，Netscape管理层希望它外观看起来像Java，因此取名为JavaScript。但实际上它的语法风格与Self及Scheme较为接近。为了取得技术优势，微软推出了JScript，CEnvi推出ScriptEase，与JavaScript同样可在浏览器上运行。为了统一规格15。4.2. 场景实现4.2.1. 固定场景的制作1） 创建工程，左键单击新建unity工程选项，单击browse按钮，在弹出选择文件夹对话框中，我们新建一个空文件夹，文件夹名及路径名不能有中文。如图4.1所示。创建场景，单击菜单栏中的file，弹出窗口选择new scene，当然现在也是在一个场景中，只是没有名字，可以通过单击save scene就可以保存当前场景。图4.1 创建工程面板2） 模型的导入与贴图，导入模型时要先在unity里建立文件夹，方便管理资源。在project面板中，单击鼠标右键，弹出一个面板，点击create又会出现一个面板，点击folder后就可以创建一个文件夹，给相应的文件夹命上名字，然后将对应的模型以及贴图拖入到相应的文件夹中，点击导入的模型按钮，在右边的Inspector面板里将模型相应的属性里的Scale Factor参数改为1。如果有碰撞的话就勾选Generate Colliders，Generate Colliders最主要的作用是使具有物理属性的物体不会穿过模型而显示其它的东西；如果有灯光烘焙的话就勾选Generate Lightmap UVs，Generate Lightmap UVs的作用是使模型产生两套UV，一套UV是贴图的颜色信息，一套UV是灯光的光影信息；如果用不到这两个选项的话最好不要修改，给计算机节约空间，模型的参数设置好后，将模型拖到Hierarchy面板，模型的坐标最好是在原点的位置，点击Hierarchy面板下的create按钮，创建一个Directional Light，Directional Light相当于太阳光，如果一盏灯不够可以用其他的灯光不光，具体情况视场景而定。在scene面板中可以移动、旋转调节灯光的方向，达到更好的效果。贴图的赋予，场景搭建好后，就可以给模型赋予材质了。第一，在project面板中创建一个material文件夹，在material文件夹里单击create-material按钮，命名为B（根据具体的场景命名）。当然你也可以在菜单栏assets下创建material，选中你创建的B材质球，在他的Inspector面板中会有对应的属性，在shader属性上我们可以选择不同的材质球，但是默认的是Diffuse，可以展开选择我们需要的材质类型。不管你的材质球是什么类型的，下面的两项main color和Base（RGB）是都有的，在这里默认的就可以了，main color可以改变材质球的颜色，你可以选择你喜欢的颜色；而下面的None Texture这里可以选择select，选择你所想要的贴图，点击select，弹出对话框选择相应的A贴图，材质球创建好后就开始给模型赋予材质了，你可以直接把材质球拖到Hierarchy面板上的模型上，你也可以在模型的Inspector面板中的Mesh Renderer下的materials下的element中替换掉材质球。4.3. 界面实现4.3.1. 主界面的实现由于主界面中央视频播放代码如下所示，主界面实现后的效果如图4.2所示。URL location = SPlayer.class.getResource(name.mp3); MediaLocator mrl