数字化社区虚拟漫游系统的设计与实现

（论文） 绪论1.1课题研究背景1.1.1虚拟现实这些年IT技术的快速发展，计算机图形学、多媒体技术、计算机软硬件、虚拟现实技术得到了迅猛发展，同时越来越多的商业机构、教育机构采用了这种技术为了在市场上打出属于自己的一个位置，并且来提升自己的影响力。VR技术是指利用计算机以及计算机上的软件进行模拟真实的自然环境而建立起的虚拟世界仿真技术，参与者可以运用电脑上设计好的系统来进行真实的感受。正是因为这样，才能让参与者达到来认识真实世界的目的。研究虚拟现实系统对于数字城市、数字校园的实现能起到铺垫作用。虚拟现实技术是一门融合了图像处理计算机图形学等多方面的信息技术。虚拟现实技术的研究有助于虚拟实验室和网上虚拟教学等新兴模式的发展。碰撞检测是VR技术中的重中之重，碰撞检测直接影响到虚拟现实系统的真实性和实时性。在智慧社区的建设中有着大量的虚拟社区的应用需求。而虚拟社区系统的实现能被应用到中小企业建立对公司环境的虚拟化，从而将公司更好地向外界展现自己的风貌，提升知名度。现在各大城市都在开始推广虚拟社区的研究，原因是虚拟社区能带来以下好处：（1）虚拟社区实现了对社区景观的虚拟化和数字化。如把虚拟社区与社区的信息化管理系统的相关网站结合在一起，将会形成一个更加利于管理的现代化社区管理体系。（2）虚拟社区对于参观者来说不用实地浏览整个社区，只需要通过网络就可以轻松浏览社区环境，还能进行选择性地浏览感兴趣的场景。（3）站在科技不停发展的角度上看，虚拟社区是一种实现数字化全球的技术基础，研究虚拟社区能为以后构建数字城市和数字校园提供理论和技术上的支持。（4）虚拟社区对于社区来说是一种社区自然风光的很好展现，对社区的风景作宣传而带来便利。对于购房者选择商品房的位置和环境提供一种宏观上的参考条件，让顾客更加满意。（5）VR技术还会在未来有很多的运用，比如网上教学、虚拟实验室等。学生可以通过网上的虚拟实验室做实验，此时不需要再去真实的实验室了，这样既节约了教学时间，也能省下不少实验器材的维护费用，对于学校和学生，能达到双赢的效果。虚拟社区的建设必将推动虚拟城市的建设，为整个城市的信息数字化打好基础。数字城市的建设也促进人们开始着手探索数字社区可能发挥的角色。虚拟现实的两个重要特征：（1）构想性（Autonomy-Imagination）人们现在每天的事情都特别多，已经不能满足于去实地考察，而且画出来的图纸效果也没有电脑渲染的好，自己的想法也不能完全的表现出来，所以就构想出一个虚拟的世界，然后自己作为主角进去看看自己的构想是否满足自己的需要。构想性的出现给人们提供了方便，而且做出来的东西也是比原来有了很大的进步。（2）沉浸感（Immersion）人物作为主人公进入到这个虚拟世界中去，将感觉不到外部的环境。进入到虚拟世界中就好像是来到了“桃花源”，观察到的景观比在自己大脑里的预想还要好，犹如一场绚丽的盛宴，让人忘掉自我，沉浸在其中。1.1.2虚拟校园在这个大的趋势下，校园漫游系统的创建也就出现了，这个系统包含了校园的规划、建设、环境等众多东西为一体。这也就让进入虚拟世界的我们能真正的看到校园的全貌。要想建造一个虚拟的校园，就要把现实版的校园导入到电脑中去，而导入到电脑中去就需要建造模型，所以就得通过图片收集、数据收集来进行建造模型。既然要导入到电脑里去，让人们看到，这就需要运用现在最火的VR技术，然后来进行校园整体的漫游，让参观者就好像走进真实版的校园里。1.2国内外研究动态1.2.1虚拟现实国外研究现状2005年6月，谷歌公司推出了一款虚拟谷歌地球仪软件，通过多角度漫游方式了解地球，内容生动、丰富、明了，方便全球人对地球的认识，同时也方便了救灾以及教学。在美国，美国电信和美国的许多高校都联合起来开发了许多的漫游系统，这些漫游系统的开发展现出来了时代的进步，高科技的发展，同时也为人们的日常生活提供了方便。并且日本也在这些方面也有许多的发展，日本也将很多的VR设备商品化，进而推向市场。1.2.2虚拟现实国内研究现状我国在虚拟现实技术方面已经远远落后于一些发达国家。在不断学习和引进国际新技术的同时，国内一些重点院校已经在虚拟仿真社区、虚拟实验室、科技研究等方面进行了更深入的研究。虚拟社区系统已经在国内一些高校中开始推广和使用。其中香港理工大学的社区信息系统是一个成功的集成了电子地图和虚拟现实技术于一体的虚拟社区系统，对以后国内虚拟社区系统的建设有着重要的影响。在工程漫游方面，西南交通大学已经开发出了许多国际领先的虚拟现实产品和计算机仿真系统。1.2.3虚拟校园国外研究现状近几年才兴起的虚拟3D校园是在数字化校园领域的应用，其设计理念就是基于虚拟世界而来的。高校主要用于展示校园景观、作为研究工具或者研究环境、用于举办一些展览、对于课程教育方面以及支持学校与部门之间的交流。现在虚拟现实技术还是在教学阶段的比较多，为了让大家更好的去了解这个新兴的技术，并且让人们有进一步去探索的兴趣，国外许多高校都开设了这个课程，让学生去了解这门新起的技术。在平时的实践中，要自己动手去创建虚拟环境，然后进行体验。图1.1国外虚拟教室1.2.4虚拟校园国内研究现状在当下，主要是对校园的实体进行漫游，让真实的校园在电脑上得以实现，让角色进行轻松自由的观赏。漫游最主要是得先建立模型，建立模型就得用现在运用最多的3DMAX软件来进行，并且建好模型进行渲染，使得模型更加有真实感。国内有许多高校已经建立出虚拟的校园，如浙江理工大学、河北经贸大学、武汉大学、南京大学都是利用漫游技术来进行校园漫游的，让参观者更好的了解学校。漫游采用360度全景漫游，没有死角，使人的沉浸感更强。如下图所示：图1.2浙江理工大学图1.3河北经贸大学图1.4武汉大学图1.5南京大学360度全景漫游技术是属于基于图像的一种建模方式，这种建模方式是使效果更加明显，消耗的资源较少，速度快，缺点是立体感不强。1.3研究内容虚拟校园漫游主要是侧重于第一人称视角，让人物感觉到真实感的体验。本文主要讲用Unity引擎技术来构建一个校园漫游系统，目的在于探索一个简单有效的方式，以沉浸为中心来构建虚拟传统的游览功能。具体研究内容包括：（1）对要研究的漫游系统进行讲解，主要包括Unity开发基础、3AMAX建模基础、Unity碰撞检测。（2）对于校园漫游技术，主要包括需求分析、开发流程设计、虚拟校园场景设计等。（3）对于漫游技术的设计主要包括3DMAX建模和Unity的导入，并且也包括怎么样进行快速的建模。（4）通过不断的构想，最终构建出一个以第一人称为视角的虚拟漫游校园设计。1.4论文组织结构本文总共有6章，每章主要内容如下：第一章绪论，讲述了现在虚拟现实技术在中国和外国的研究情况以及给人带来的优势，同时讲了论文的研究内容，而且论文的大致构成也有了一定的框架。第二章讲校园的漫游系统，对Unity进行介绍，主要介绍Unity漫游方面、Unity碰撞检测技术以及使用方法和项目开发的一些重要的事项。第三章讲述了对校园漫游系统应该如何进行设计，并且细致讲了怎么去开发，开发需要的准备工作，对其中要求的场景怎么去建模，开发需要的框架结构等一系列的工作。第四章主要是讲场景的来源，同时真实场景和虚拟场景单位比例的换算也是至关重要。3DMAX建模软件也就是开始运用了，主要用该软件进行对现实的物体进行建模、渲染，让模型更加逼真。第五章场景的实现，主要从虚拟漫游、第一人称角色的控制、坐标的换算、空间属性进行研究与实现。第六章总结，对在写论文遇到的问题进行回顾和总结，看看哪里还有不足，同时要指出做的成果，并且对后期的发展进行展望。2校园漫游系统2.1Unity软件简介Unity是当下最火的游戏引擎，任何产品的实现都基于一定的工具，虚拟现实产品也不例外。Unity对于开发者而言是面向开发者服务的可视化软件，具有实时编译运行的特点，也就是说，不管进行到哪一步制作步骤，只要没有错误出现，点击运行，都能看到制作效果，有利于开发者在制作过程中发现不足之处，并加以修改或是完善。Unity的跨平台性正好解决了这个问题，并且移植开发时间得以缩短。而且渲染效果华丽、很真实，极大的方便了游戏制作人员，开发者可以专注于项目的处理，大大减少了开发周期。对于初学者来说，简单易懂，容易上手，入门是很容易，想要学精却是有困难的，需要兴趣，热情来弥补深入研究时的枯燥和乏味。Unity游戏开发的缺陷则是不能兼容中文，想要导入什么包，一定要把文件夹名称改为英文，中文名，软件无法识别，在运行环境中甚至无法导入，这也不是什么大的缺陷，只要改改名称就可以了。Unity不仅功能强大，渲染出来的效果也是相当华丽且和真正的场景十分相像，3D项目的开发时间也是更短，相对于原来更容易，而且对学习研究免费、学习曲线也是很短、界面简单易操作，不管是对于初学者还是专业开发的团队，都是一个很不错的选择。在网上有许多其他的商业引擎好多都是收费的，开源引擎还需要写大量的代码，十分的不方便，再加上考虑到直接用底层图形接口来开发的话周期特别长，会浪费大量时间。2.2三维建模技术基础2.2.1三维场景的空间表示数学里就有坐标系，但是那是平面的，游戏里也不例外，但是游戏里的坐标系是空间的，也就是空间坐标系，有了坐标系能更好的解决物体与物体之间的位置，以及各种空间联系。（1）世界坐标系因为做的是3D漫游，这时候就是在一个3D的场景中漫游，为了在场景中3D模型之间的位置更好的展现所以就用到了世界直角坐标系。（2）物体坐标系物体坐标系相对于世界坐标系来说只是一个分支，表示物体与特定物体之间的关系，也可以说物体坐标系表现的是局部，而世界坐标系是表示的整体。物体坐标系与物体的大小以及实际位置没有直接的关系。（3）摄像机坐标系因为里边插入了摄像机，为了使摄像机能够更好的观看到全景，达到预想的效果，这就有了摄像机坐标系，也可以说摄像机坐标系就是为了辅助摄像机而存在的。图2.1摄像机坐标系（4）屏幕坐标系这个坐标系一般都是显示在设备上，但是要想看到物体，就得投射到上边，然后才能显示出其的效果。如图所示，是一个坐标系，分为X轴和Y轴，并且有原点，这个坐标系就是所说的屏幕坐标系。图2.2屏幕坐标系2.2.2三维物体的模型表示（1）多边形网络模型建模的时候自己脑海里肯定有自己的想法，但是自己想到的东西也许现实中没有这个样子或者说没有这个东西，那就得对物体进行抽象，然后来建造模型。Unity里边有一些常用、简单的3D模型，例如长方体、球体、水壶、三棱锥、梯形体等，还可以加渲染器使效果更加突出，模型更加现实化，支持第三方插件来快速建模，里边有树木、大山、平原等等，运用这个软件可以构建出高质量的三维模型。建模完成后，进行保存，然后把所有的模型烘焙成一个大型的场景导入到Unity中，通过对模型的调整之后进行创建，之后就可以运行了。多边形网络建模：多边形网络建模从字面上的理解就是有很多多边形的模型需要建模，实际上每个物体都有自己不同的属性，要根据属性的不同进行绘画，然后通过连线，最终就能得到多边形网络建模。多边形网络建模现在运用的很广泛，也是最经常使用的建模。多边形网络层次概念图和物体的拓扑结构图如图所示。图2.3多边形网络层次概念表示图图2.4物体的拓扑结构图多边形网络建模其实就是弄几个多边形进行建模，但是不需要拆分成每一个部分，就好像一栋楼就是一个多边形，然后运用材质贴图，最后就是建好的楼房。但是这种建模没有分开建模的精细程度高，可是用时却少了很多，通过后期的渲染处理，模型的真实感和预先的感觉是一样的。从性能方面来看，这样的建模比单独建模性能比要高，复杂程度也是相对较低的，很适合初学者使用。这样做的好处也是很明显的，因为不是单独建模，对于平台的要求也是不高的，自己的电脑就可以。相反，如果渲染的效果特别强，而且是独立建模，有些时候就看不到效果或者效果特别差，这样就很不方便。这样多边形网络建模既可以解决掉这些烦恼，又可以解决掉不必要的麻烦。（2）纹理映射纹理映射是按照一定的方式投射到三角形的顶点上的，然后就可以在屏幕上进行显示。三角形是如此，多边形也是一样的，每个顶点都是对应一个纹理映射坐标，然后通过对应的坐标显示出模型。纹理映射其中的坐标都是没有联系的，是一个个单独存在的个体。图2.5纹理图案到对象几何面的映射关系示意图2.3漫游技术2.3.1漫游的技术结构漫游是作者用计算机去漫游，也就是一切的东西都是在计算机上完成的。要想成功的漫游需要做的准备工作也是许多的，首先需要了解地形，看看是什么样的地形环境，要大体符合现实的要求，不能太假，然后要进行多边形建模，并查看自己的贴图库有没有自己所需要的贴图材质，没有的话要尽早准备。前期准备完成之后要运用3DMAX软件来进行建模，这时候就要考虑到场景数据，要使自己得到的场景没有被夸大，而只是按照自己实际的比例去缩小之后的样子。场景里有些建筑物是用图片挤出来的，那么前期就得对图片进行修改与美化，因为要给观众以美感，不能让观众没有兴趣。一切准备就绪之后就是导入到Unity中，实验者通过操作键盘和鼠标来完成对视角的控制。漫游系统其中最主要的一项任务就是场景建模，因为场景建模的好坏直接影响着漫游的美感。场景建模其实就是去实地勘察之后将场景中需要实现的模型拍照记录下来，然后通过运用软件在计算机上实现出来，要想实现出来那么就得用软件，也就是说得创建模型。创建出来的模型必须得是和真实的效果相差不大，相差悬殊的话去漫游就没有任何意义了，好比人活在自己的幻想里而不去努力是一个概念。场景漫游一般是第一人称去漫游，因为这样的感觉是最真实的，并且也能让观众体会到漫游里的乐趣与神奇。2.3.2Unity场景漫游技术Unity这款引擎工具在漫游系统中其实就相当于是一个平台，只有运用这个平台后才能去成功的漫游，所以Unity在漫游中的地位是相当重要的。漫游，顾名思义就是行走在一个场景里，然后去观察场景里的东西。那么既然是第一人称视角，观察者的眼睛就是摄像机，观察的好坏以及渲染程度如何都是通过摄像机反映出来的，摄像机也就是漫游里最主要的部分。当我们觉得漫游速度太慢的时候，可以通过去面板里调节漫游的速度来提高我们的效率。图2.6Unity摄像机模型既然摄像机是观察者的眼睛，那就不能让眼睛直接穿过建筑物，如果直接穿过的话那么真实感就不存在了，而且漫游逼真感就无从体现，这时候就出现了碰撞技术。碰撞，就好像两个汽车撞车一样，如果没有碰撞两个汽车就直接穿过去了。现在漫游也是，当我们给每个建筑物添加了碰撞之后，我们就不能穿过建筑物，而且真实感增加，让观察者有身临其境的感觉。其实观察者和摄像机并不是一个东西，而是摄像机在观察者的身上，从而进行观察。图2.7场景观察图2.4Unity碰撞检测技术2.4.1碰撞检测技术概括在虚拟漫游环境中，碰撞检测技术是为了检测漫游视角能不能直接穿过建筑物以及场景中的模型与场景会不会发生碰撞的问题。在一个大的场景中一般会有很多的模型，这时候就需要我们去检测，当发现有直接穿墙的情况出现的时候说明就需要添加碰撞。现在可以想到没有碰撞就是穿墙而过，就有了西游记孙悟空的本领了。添加碰撞是为了避免穿墙而过现象的发生，避免了这种情况的发生之后，漫游的场景才有真实感。既然知道添加碰撞，那么就有时候会忽略掉某一些小地方的碰撞，这就需要我们精细的去检测。当我们去检测是否模型都添加了碰撞时，先是给那些大的模型添加碰撞，然后再微调或者给小型模型添加碰撞，这样检测会使我们的误差减小，漫游场景的真实性更高。2.4.2Unity碰撞检测技术碰撞检测技术是漫游系统的核心模块，是建立在物理学世界的基础上的。在初始化阶段，碰撞检测模块给虚拟世界每个物体建立包围盒，比较常用的包围盒算法有AABB(Axis-alignedboundingbox)、包围球、胶囊体等。逐步求精阶段将整个虚拟世界进行空间划分，主要用到数据结构有八叉树、k-d树和BSP树等。而碰撞检测是由初步碰撞检测、精确碰撞检测和精确求交三个基本模块组成，各模块的执行顺序，如图2.7所示。图2.8碰撞检测模块流程图2.4.3Unity碰撞检测技术的使用Unity碰撞器主要有两种，分别是原型碰撞器和网格碰撞器。这两种碰撞器都有各自的特点，其中原型碰撞器只适用于简单的几何图形，但是精确度低，对电脑的资源消耗也比较小；而网格碰撞器主要针对的是3D立体模型，做起来比较复杂，对电脑资源的消耗是比较大的，但是其精确度高，效果是比较强的。Unity碰撞器如图示。图2.9Unity内置碰撞器Unity还有一种触发器叫做光线投射，原理就是这个触发器从正面发出一条光线，然后只要是和这条光线触碰的物体都会发生碰撞。而刚体碰撞器和触发器其实也是不同的，刚体碰撞器其实是相当于场景里的一个有规则的几何体，凡是能和这个几何体进行碰撞的物体即是在进行碰撞检测。触发器和碰撞器有一点差别，触发器是一个具有规则几何形状的区域，凡是在这个区域里的所有碰撞体都能进行检测。2.5Unity关键概念2.5.1游戏对象Unity其实就相当于是一块画布，而制作者就是画家，制作者可以尽情的发挥想象在自己的画布上挥洒画笔。Unity场景里的对象就是游戏的对象，游戏对象(GameObject)又可以分成多个组件，在每个组件上加以修饰和修改，然后就可以调试出一个完整的游戏。2.5.2资源资源包括建好的模型、贴图材质、游戏中的音乐等等都被放在Assets文件夹下。2.5.3场景场景是用所有的模型烘焙而成的，其中包括教学楼、篮球场、汽车、篮球架等等，这些模型都是相互独立。2.5.4组件给每个游戏对象去添加不同的组件，不同的对象功能也不一样。2.5.5脚本脚本是为了实现功能而作者自己添加的，就像设计里用了三个摄像机来进行漫游。漫游系统里首先进去是俯视全景，然后回到到大门前，最后开始进行角色的移动。编写脚本是游戏不可或缺的一部分，也是实现系统所带的功能所不能满足作者要求的另外一条捷径。3校园漫游系统的设计与分析3.1系统功能需求漫游系统是虚拟校园系统的核心所在，在设计时必须有非常明确的思路和非常清晰的框架，对自己所做的场景深有研究。做这个校园漫游系统就是为了让参观者可以不受地理环境和时间的限制而可以随时随地的去浏览学校。根据对所有虚拟现实系统的需求分析，本系统在设计的时候需要达到以下目标：（1）可以展示出和真实校园一样的场景，让参观者得到最真实的反馈；（2）本文是用第一人称视角进行漫游，参观者可以用鼠标和键盘进行操作，然后就可以在这个漫游系统中随处参观；（3）漫游线路满足用户浏览习惯；（4）漫游镜头无晃动模糊情况。3.1.1需求用例图图3.1虚拟校园漫游系统用例图虚拟校园漫游系统用例图如上所示。用户通过操控漫游角色，也就是第一人称视角来观察漫游的场景。第一人称视角之所以能观察到漫游的场景是因为加了摄像机，然后对摄像机进行控制观察场景的建模。3.1.2用例描述表用例描述表如图所示：表3.1第一人称漫游角色控制用例描述表用例名称第一人称漫游角色控制事件流1.用户进入校园虚拟漫游系统2.通过控制按键进而控制漫游角色相应的移动3.用户停止按键4.系统停止漫游角色的移动5.用户退出校园虚拟漫游系统表3.2摄像机跟随用例描述表用例名称摄像机跟随事件流1.用户进入校园虚拟漫游系统2.用户控制漫游角色移动3.摄像机跟随漫游角色进行移动4.用户停止控制漫游角色移动5.摄像机停止移动6.用户退出校园虚拟漫游系统表3.3场景模型观察用例描述表用例名称摄像机跟随事件流1.用户进入校园虚拟漫游系统2.摄像机按照摄像机模型设置所观察到的场景显示3.用户退出校园虚拟漫游系统，摄像机停止场景模型的显示4.用户退出校园虚拟漫游系统3.1.3性能需求在大部分的电脑上可以流畅运行，帧数最少得是20帧，用户操作起来响应速度快。3.1.4开发平台表3.4开发平台工具表工具名称用途UnityPro5.5.1项目开发平台3DMAX20XX三维建模软件PhotoShopCS6纹理图像处理工具GoogleEarth免费版场景建模数据来源Win764操作系统开发运行环境3.2系统总体设计3.2.1系统开发流程根据需要漫游校园的规模，校园自己的属性以及作者所具备的条件来进行数据采集、素材收集，当收集结束后对收集到的图像进行处理，处理后用3DMAX软件建模，建模完成后进行烘焙成一个整体的大场景，最后导入到Unity中添加组件进行调试。调试结束后直接导出，然后这样就可以没有Unity也能运行了。流程如图所示：图3.2虚拟校园开发流程图（1）数据采集去学校实地考察建筑物等物体的大小、位置，然后按照一定的比例缩小，最后得出校园的规划图。（2）素材收集根据规划图去找地点进行拍照，然后对得来的照片进行处理。（3）三维建模运用3DMAX软件进行建模、贴图，使模型美观并且有真实感。（4）Unity虚拟对象把建好的模型导入Unity中，然后添加组件，使其成为一个完美的校园场景漫游系统。（5）平台运行导出来的漫游场景没有必要非得电脑有Unity才能运行，在电脑端就可以运行，所以这样更方便观察者随时随地来观察场景。3.2.2系统架构设计虚拟校园漫游系统，主要从场景建模和构建地域性环境两个方面来考虑。即在3DMAX中，按实际的尺寸将环境中的主要的建筑物建造起来，构成一个虚拟场景，包括地形、建筑物、主要视觉模型等。在Unity中构建漫游环境，即完成对漫游系统方式的设定和实现。真实性需要从模型设计与制作上来表现。为了表现出学校的真实性，场景中还加入了一些其他类型模型，例如操场，篮球场等。真实性需要从模型设计与制作上来表现。在计算机中，按实际的尺寸将环境中的主要的建筑物建造起来，构成一个虚拟场景，包括地形、建筑物、主要视觉模型等。本模拟系统运用了多种数据的采集，通过采集数据以及现场勘查进行拍照，同时对照片进行后期的处理，用建模软件3DMAX进行建模，并且贴图。对建好的模型轮廓进行调整，使其感觉更加逼真，然后进行整体烘焙成为一个大型的校园场景后导入Unity中实现漫游。3.2.3场景分层设计总体上主要包括场景建模和漫游，利用分层的方法，然后将虚拟校园场景进行分层，分层主要包括地形层、交通层、建筑层以及其他。其组织结构如图所示：图3.3虚拟场景结构图4场景建模关键技术4.1三维建模软件3DMAX简介4.1.13DMAX简介3DMAX是一个适合于大众的建模软件，这个软件可以做家具、汽车、房子等各种模型，功能是十分的强大的，做出来的模型效果特别逼真。不管对于新手建模还是高手建模，都是一款不错的软件。4.1.23DMAX建模方法3DMAX里边有三种建模的方法，每种方法都其自己的优势和劣势，只有运用其优势进行建模才能更好的达到预期的效果，其三种建模方式如下：（1）多边形建模多边形建模的优势是速度快，适合大于三条边以上的多边形。多边形是利用自身的节点和线段有顺序的连接起来，然后组成实物的表面，这种方式适用于面的数量多的多边形运用。这种建模方式也是有劣势的，随着面数的不断增加，消耗的电脑资源就会越来越多，有时候就会卡顿，并且还有可能建的模型模糊，清晰感下降，所以这种方式只是适合面不是有太多的模型，同时模型必须是规则的，模型的棱角都是特别清晰的模型，如教学楼、垃圾箱、窗户等。（2）面片建模面片建模适合曲面建模，并且其是建立在多边形建模基础上的。面片建模构成比多边形建模多了一个面片属性，多边形建模是规则的图形，也就是说都是直线，而面片建模是可以曲线的也可以是直线的，两种都是可以存在的。面片建模是利用蒙皮法来进行建模，其表面是光滑的，但是这种建模不适合建筑物。（3）NURBS建模NURBS是用数学函数对物体的曲线段、曲线面来进行控制，但是在这里边的控制点却是很少的，对计算机的要求也是很高，因为其精确度比上两个建模的方法要求都要高，而且精确度是自己可以控制的，建造出来的模型也是和真的十分相似。这种建模也有自己劣势，那就是不能建造出有棱有角规则的模型，所以也不适合对建筑物建模。这款游戏引擎能很好的支持多边形建模，其它两种建模都需要转化格式才能使用，就算是导入到Unity中渲染效果也没有多边形建模的效果好。4.2模型数据4.2.1数据来源主要是在电脑上利用谷歌地球影像资料来从全局观看校园，可以清晰的反映校园的全貌。但是仅仅有这些是不够的，因为具体的物体大小不知道，所以需要去实地勘察、拍照。实地勘察有时候会遇到照片有阴影，无法去进行真实的描述物体，这时候就用谷歌地球影像来进行最后的敲定。4.2.2校园示意图校正校园示意图是每个大学几乎都具备的，里边包含了校园各个建筑物的建设。校园示意图给作者提供了很大的方便，在谷歌地球影像资料看的模糊的情况下，示意图上的道路、房屋、体育运动设施给设计带来许多的方便。校园示意图是需要校正的，要用软件对其进行美化，最后用美化过的图进行制作模型，这样的模型数据就更加准确，模型效果更加强。4.2.3Unity与3DMAX模型单位换算在Unity中存在着坐标系，而在3DMAX中也存在着坐标系，正是因为有了坐标系，物体的位置才能有明显的区别，它是一个标准或者说是一个规定，也就是说规定多长代表最基本的1个单位，用来度量其他数量上不同的长度。如国际单位约定1米为一个长度单位，1千克为1个质量单位，1安为个电流单位。Unity中的单位和3DMAX中的单位都有自己的特定值，用户也可以根据自己的需要去自行设定。如果以Unity单位为一个标准去进行换算，则结果如下表。表4.1模型单位换算表1Unity单位1fbx单位13ds单位1obj单位1100101在3DMAX中，默认的单位精确度只是在模型建模的时候有影响，并不能影响实际的大小，也就是说实际的大小不受建模时候单位精确度的影响。4.2.4Unity模型规范（1）单位和比例统一，可以省去不少单个模型调节的麻烦。（2）建模是一个大型的工程，对电脑、技术都是有很高的要求的。现在一般用到的模型大多都是贴图制好的，因为贴图方便，工程量相对较少一点。如果不用贴图的话，做出来的模型对计算机的要求很高，计算机达不到这些要求的话做出来的模型导入到Unity中后清晰度、色彩都是有很大的区别的，同时这个系统做的是漫游，那就得强调立体感，只有贴图才能让电脑资源不必要太浪费，后期才能完美，否则达不到预期的效果。（3）现在做这个系统对电脑本身来说就是要求很高，在做的过程中有时候电脑就会卡死，所以就是只能在做的时候能重复用的东西就重复用，不仅可以节约时间，也可以节约电脑的资源。能重复用的也就是模型和纹理，这两个已经是很重要的了，这样一重复用就方便了好多，美观也没有影响。4.3建筑层建模本漫游系统是对学校的整体建筑外部进行参观，漫游角色是不可以进入到建筑物里边的。运用影像资料和校园示意图来进行建模，建模当然还是运用3DMAX软件来进行，建模采取的方式是多边形建模，这种建模方式建造出来的模型立体感强且美观，在建造过程中能贴图还是去贴图，有些遮挡的不能建模的就用纹理图片来代替。建模的步骤有以下几点：（1）根据拍摄的图片、影像资料、校园示意图来绘制每个建筑物的轮廓；（2）根据绘制出来的图纸放在3DMAX中进行挤压，使其成为一个3D模型；（3）这样模型就建好了，那么后期的修改也是很重要的，对模型的小细节进行修改，例如房子的角、突出部分等微小的细节。模型修改后就开始贴图，运用图像处理后的材质来对每一个模型贴图。纹理贴图也是很重要的一项任务，纹理贴图主要有两个重点，包括贴图的材质和贴图的方法。纹理贴图一般步骤如下：（1）选取合适照片；（2）初步裁剪出需要的贴图部分；（3）通过软件对其进行美化以及调整其透视投影；（4）消除贴图干扰物，拼接出需要的贴图；（5）将纹理贴图贴到相应的纹理面。贴图材质的如何选择也是很重要的。在现实条件下有很多时候我们是看不到我们想要的结果的，由于校园人流量大，树木和建筑物非常多，多次不能拍摄到正常的校园图像，整体上会出现一种具有很多其他非建筑物图像干扰的图像，如人物或树木阻挡着建筑表面图像，不能直接使用，需要去修改和美化，最后在把修改后的表面图像进行整理成一张图像。贴图方式也是不能忽略掉的。建筑物都是有规则的空间物体，我们拍摄的时候是从下往上拍的，这样拍是不能产生透视效果的。既然拍摄出来作品的不能产生透视效果这就需要我们去修改，对图像进行后期的处理。因为模型是利用多边行建模做的，所以每个面是规则的，修改后的相片也要是规则的，并且能投射出图片的前景部分，这样就可以开始贴图了。把修改后的照片通过拉伸等一系列的操作映射到多边形的表面，贴图也就完成了。这种建模方式的优点是速度快，方便简洁，但是受角度的限制，受物体模型的限制，物体必须是规则的模型，贴图也是有一定的局限性。4.4交通层建模交通层是连接学校各个层面的一个主要层次，其中包含了人行道、主干线、墙。有了这些道路可以把每个模型相连接，同时把校园划分成各个部分，这样漫游角色才可以在其中尽情的参观。主干线一般情况下是比较长、比较宽的，因为这个主干线上是会有汽车行走的，太窄的话不符合要求。人行道相对于主干线是比较窄的，主要是学生的行走，没有必要弄得太宽。建筑的墙体是直接建模的，所以不涉及墙体。这里的墙体只是模型与模型之间的分界线，所以不需要设置的太高。在建模的过程中，交通层的地面是利用平面来模拟道路的，不需要单独的去建道路模型，只是通过挤压就可以实现。用长方体来组合成墙体，然后形成一个封闭的漫游场景。在现实生活中，墙体一般是和道路一起存在的，没有说哪一个墙体是单独存在的，所以漫游系统也是运用了这种理念对墙体和道路进行设计。在漫游系统中，如果道路和墙体的纹理很是接近的话就没有必要去单独建造墙，直接去用地形编译器弄，然后刷纹理，很方便。4.5其他层建模其他层的场景如篮球架、足球场等一般难以在校园示意图上显示出来准确轮廓，甚至都没有显示。因此，根据自己的想象，构造几何模型，然后进行照片纹理贴图。5场景交互技术的研究与实现5.1虚拟校园漫游技术参观者用电脑进入到虚拟漫游的校园场景进行参观，并通过控制电脑按键和鼠标来进行视角的移动。Unity自带的漫游视角有第一人称和第三人称，本系统实现的是用第一人称视角来进行漫游的。不管是第一人称视角漫游还是第三人称视角漫游，都是利用胶体碰撞器来检测碰撞的。第一人称视角就是场景里边是看不到人的，但是在编辑状态下可以看到场景里边是有一个胶囊体，里边有个摄像机。而第三人称就是可以在漫游时候看到有一个角色在里边移动。这个漫游系统还添加了音乐，音乐也是添加在胶囊体里边的，里边有一个小喇叭。如图所示：图5.1添加音乐的模型图5.2Unity自带第一人称控制器和第三人称控制器示意图当参观者进入到漫游系统中时，音乐也就会同时开始播放，直到退出系统才会结束。（1）第一人称漫游角色控制CharacterController不仅可以用来进行角色移动和控制，还可以用来做物理碰撞的组件，充当了碰撞器的角色而没有使用刚体，适合绝大多数角色移动和控制。本文章是第一人称漫游，比较容易，理所当然就用了该组件。该组件详细参数如表所示：表5.1CharacterController详细参数表属性名作用说明Height角色胶囊碰撞器的高度Radius胶囊碰撞器半径长度SlopLimit限制碰撞器只能爬≤该值的斜坡Stepoffset限制碰撞器可跨过的最大台阶高度SkinWidth决定了两个碰撞器互相渗入的深度。该值较大会导致颤抖，较小会导致角色卡住。通常设为胶囊半径10%MinMoveDistance角色移动的最小值，通常设为0Center决定胶囊碰撞器在世界坐标系中的实际位置，不影响角色移动在漫游的时候视角如果发生抖动的现象，那么一般有两种原因，一种是电脑自身的问题，另外一种则是胶体碰撞器的问题。在漫游的过程中可以按空格键进行视角的跳动，上下左右就是视角的移动了，通过此方法来观看全景。（2）摄像机跟随第一人称漫游视角是一个胶囊体里的摄像机，这也可以说就是自己本身就带着摄像机了。为了能够在系统里先俯视观看全部场景，所以还得再建立两个摄像机，这样才能达到俯视全部场景的目的。正是因为胶囊体里有了摄像机所以在漫游的时候观察者的视角才能移动，而不是死死的在一个位置不变。Unity这款强大的引擎里还有跟随组件，也就是SmoothFollow.js脚本，这样的话就不需要自己写了，做起来就方便好多。当参观者操纵着第一人称视角时，摄像机也在跟着走。正是因为这个脚本能跟着目标进行旋转和移动，参观者就能360度全局观看了。6总结与展望6.1总结本文章主要讲述的是数字化校园虚拟漫游系统的实现以及里边的关键技术，直到最后漫游系统的成功。现在社会发展的飞快，人们对新科技的要求也越来越高，就像人们现在不需要去饭店点菜，直接在网上点菜，而且还能送到家，这样为上班族节省了好多的时间。点菜都能网上点，那家长为孩子选择学校时想看看学校的环境也应该在网上是可以看到的。正是因为好多家长有了这种想法以及数字化教育的需求，虚拟校园漫游系统也就这样产生了，只要有一台电脑就可以看到校园的环境，解决了好多家长为孩子选择学校环境的难题。同时国外也有许多数字化虚拟漫游校园的案例，我国在这方面永远不服输。6.1.1工作重点本文工作重点在于以下几点：（1）首先布局各个场景的2D轮廓，能快速确定模型轮廓，然后在普通电脑上渲染；（2）利用分层的方法对场景进行建模，这样做条理清晰，不至于搞乱；（3）利用Unity很多的图形、程序界面等方面的技术，快速实现了虚拟漫游校园场景功能；（4）对漫游角色第一人称视角进行设计和修改，通过键盘和鼠标的配合使用来进行漫游，从而更好的了解场景。6.1.2工作的不足校园虚拟漫游系统虽然实现了，但是其中还是有许多的不足的。就从建模方面来说自己弄出来的模型美观度还是不够的，效果有点差，而且时间紧，有些东西没有做仔细。因为这个系统任务量大的原因，体现出了自己专业知识的欠缺，做设计的时候后遇到好多看似难却很简单的东西要研究很久。主要体现在以下几点：（1）对模型的精细程度不是很满意，美化的效果不好；（2）照片的拍摄是用手机拍摄的，像素有点低，角度也不是很好的把握，所以做出来的模型和真实的物体有些偏差；（3）对第一人称摄像机的碰撞检测不仔细，有时会发生“穿墙”“穿地”现象。6.2展望随着社会数字化的快速发展，好多新鲜的事物都逐渐兴起，虚拟漫游技术就是其中的一个代表。从当下来看，这种虚拟漫游技术不管是在学校，还是在工业方面都为人们提共了很大的方便，相信在今后的市场里有很大的发展空间。漫游系统的出现会给大家节省好多时间，也是从此打破了地域的限制，只要有电脑、有网络，人们就可以看到自己想看到的场景。漫游系统里场景的建模要尽量做到逼真，给用户最大的真实感。PAGE40参考文献[1]郭锐.建筑虚拟漫游技术研究[D].西北工业大学,2003.[2]徐梦雪.虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].数字化用户.2013(21).[3]杨建强.虚拟现实认识问题研究[D].重庆大学.2006.[4]刘玉平.基于数字化社区计算智能设计的实现研究[J].通讯世界20XX（17）:91～92.[5]范国华,吴国栋,张友华等.基于Unity的虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].安徽农业科学,20XX(1):325～327.[6]秦传文,李闯.虚拟校园漫游系统设计与应用[J].科学中国人,20XX(6Z).[7]李辉.虚拟商城漫游系统设计模式应用[J].现代电子技术，20XX,39（8:）：45～47.[8]王丽.基于Untiy3D的三维虚拟校园漫游仿真系统设计与实现[J].中国教育信息化,20XX(9):60～63.[9]VenableJR,TravisJ.DevelopingaVirtualCommunity-BasedInformationSystemsDigitalLibrary:AProposalandResearchProgram[M]//OrganizationalandSocialPerspectivesonInformationTechnology.SpringerUS,2000.[10]DruckenmillerD.A,MittlemanD.ADesignTheoryforDigitalHabitats:BuildingVirtualCommunitiesofPractice[C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结论随着信息技术的快速发展，数字城市和数字地球成为了当今计算机领域的研究热点。数字社区作为数字城市的一个非常重要的应用，成为了一个今后研究虚拟技术的重要课题。本论文在深入研究了虚拟现实技术和理论的基础上，对校园进行了建模，构造出了一个让人感到和真实校园一样的虚拟环境。由于个人的精力和时间有限，本系统还存在着不足之处，欢迎批评指正。本系统为以后更加深入地对虚拟社区漫游系统进行研究作了铺垫和理论技术支持。虚拟现实技术的标准就是真实程度的高低。因此，模型是否逼真、细节是否完善是衡量一个件作品是否成功的重要因素。在掌握了一定的方法以后，这一点并不难做到。困扰Unity技术发展的一个难题是：如何能够使客户机在可以承受的处理时间内得到比较令人满意的视觉效果。在不影响模型的逼真程度的前提下，如何减少文件量将是研究人员未来的主要研究课题。致谢本人的学位论文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的每个可爱的同学们和尊敬的老师们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!谢谢你们!开题报告学院姓名班级学号指导教师毕业设计（论文）题目数字化社区虚拟漫游系统的设计与实现题目类型□工程设计□技术开发□软件工程□理论研究和方法应用□管理模式设计□其他选题目的及意义目的：虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。运用3DMAX建模，并且使用Unity3D这款游戏引擎进行校园虚拟现实3D漫游设计。意义：本项目主要研究基于虚拟场景建模、漫游技术，根据虚拟设计及其主要特点，能够更有效的保护和传播校园文化，而在传播中，虚拟现实方式既增加了沉浸感体验，又在真实体验学校文化时打破了时间与空间限制。虚拟校园漫游系统是以真实校园为依据进行3D模拟仿真，此系统为用户提供了一个直观的校园展示平台，方便用户直观的了解校园的建筑、设施、道路等。从方法上来说，虚拟现实3D漫游可以最大程度精简虚拟现实实现方式、减小虚拟现实体验成本，增加体验者的主动性和趣味性，能更好的进行互动和学习。同时，虚拟校园是数字校园的重要内容，研究虚拟校园对校园的数字化建设具有重要意义。虚拟校园作为校园宣传和游览的一个全新的手段，在改善高校形象、提高学校管理效率、方便师生进一步认识校园方面功不可没。设计（研究）现状和发展趋势现状及趋势：虚拟现实技术借助计算机图形学原理与技术创建一个广视点、可实时交互的三维虚拟环境，用户通过交互设备用最方便的方式对复杂数据进行实时可视化操作，与虚拟环境进行交互。随着科技的发展带动各行业技术的发展进步，虚拟现实技术与各项科学技术不断的交汇、融和，现在虚拟现实技术被广泛应用到军事演练、医学教学、教育展示、地产宣传、娱乐、工程训练等各个领域，它也因此被公认为是现在和将来能影响人们生产生活学习的重要新兴技术。虚拟现实技术被总结出具有沉浸性、交互性、创造性三个主要优势特征。沉浸性指可以让用户沉浸在一个与真实环境尽可能相似的虚拟环境中产生视觉、听觉、触觉等感受。交互性指用户可以与虚拟环境中的相关三维模型对象发生相互作用，用户通过鼠标、键盘等对虚拟环境对象进行操控，虚拟环境对象的信息通过屏幕和传感器反馈给用户息。创造性表明虚拟现实技术是一个新出现的并且还在不断发展的新兴技术，每个人都有机会利用丰富的想象力去不断完善它的概念，扩展它的功能，直到满足各种需要。美国宇航局研究发明的实时仿真系统可以操纵空间站，该系统主要模拟宇航员在面座舱里进行太空飞行，同时美国宇航局还开展了一个名叫“虚拟行星探索”的实验计划，该实验计划能利用虚拟环境来模拟太空中遥远的星系，在此期间美国宇航局还建立了空间站VR训练系统，供全球进行太空VR教育使用。美国麻省理工学院也在进行人工智能学、计算机图形学及动画学方面的研究，这些学科研究都基于虚拟现实技术。1985年该学院就开始着手进行虚拟环境的正规研究，组成了当时最先进的媒体实验室，用于进行图形仿真技术的实验研究。同时，麻省理工学院还组织人力物力对“路径计划”与“运动计划”等方面进行了研究。虚拟现实技术还应用在各行业训练中，如基于虚拟现实技术创建出一个比例合适的虚拟环境来代替真实的训练环境。受训人员可以在虚拟环境中无限制次数地进行训练或者组队模式的协同训练。在军事相关领域，美国研制出各种枪械类武器装备、军事交通工具的模拟器，并结合国情模拟出多种战场环境，以让士兵提高军事素养与技能水平。在医学领域，虚拟手术仿真训练系统就是基于虚拟现实技术研发而成，德国在这个领域走在世界前列，卡尔斯鲁厄研究中心的SelectITVESTSystem系统即是代表。在工业生产中，基于虚拟现实技术研发的生产线仿真系统可以用来培训新入职的员工。日本在虚拟现实实用技术的研究中，创建了大规模的虚拟现实技术知识库，并开发虚拟全息系统，此系统能够突破当前显示和交互技术的局限，东京大学的广濑研究室研发的虚拟现实的可视化系统，已经有了四项突破性的科研成果，其中包括飞行仿真器、模型随动、建筑群漫游和人体测量等。课题研究的主要内容1.绪论（选题的背景及必要性、国内外现状、主要研究内容和研究方法）2.理论基础（论文所涉及基本概念、基本理论、基本方法）3.现状与问题分析4.设计方案（要求依据充分、针对性强并具有可操作性）5.结论（概述研究成果、指出优点和不足、提出下一步工作建议）课题的工作方案全文共分为以下五个部分来进行讨论，具体内容如下：第一部