基于web的虚拟现实研究与实现毕业设计(编辑修改稿)

基于web的虚拟现实研究与实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

沿 的是 美国加州大学， 它 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 、 头盔显示器、步行器 、 数据手套等。 日本学者 JeaJin Kim发表论文“虚拟现实机器人的模拟视觉任务”。 主要研究 了如何模拟真实场景到机器人视觉。 通过红绿偏转实现立体的视觉效果，研究双目镜头和眼球运动实现视角的移动、旋转等变换。 华北水利水电大学毕业设计 2 我国的虚拟现实技术一直在发展过程中 ，清华 大学 、 浙江大学、武汉大学 、 中国科技 大学、浙大、西南交通大学等许多大学 和科研院所 都已开展虚拟场景漫游技术的研究，在三维图形算法 、 视景技术、建模方法等方面都取得了重要成果 ]1[。 中国科技大学运用VR技术，开发了几何光学设计实验平台，它是全国第一套基于 VR的教学软件。 它用计算机制作的虚拟智能仪 器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器。 清华大学罗元博士发表论文“ 城市道路交通流智能化模拟虚拟现实系统研究 ”。 该文系统的研究了如何利用虚拟现实技术模拟城市道路交通流，模拟车辆在虚拟环境中的运动， 提出了基于目的地相互位置判断的车辆路径算法。 并且在 北京市海淀区五道口地区进行了 实际 验证和应用。 研究内容 通过 AutoCAD软件进行平面图矢量化、利用 Photoshop对贴图进行处理、使用 3dmax建立三维模型， Unity3D进行场景集成烘焙和系统开发。 最终 生成 web文件，放到网上。 论文结构 第一章 绪论。 对论文做整体的介绍，包含课题的提出机研究意义、国内外研究现状，以及本文的研究工作和创新性。 第二章 虚拟校园漫游系统总体设计。 本章主要阐述系统设计要求、系统架构设计和各功能模块的实现效果。 第三章 数据收集与整理。 本章主要阐述系统需要收集的数据类型、数据处理方法。 包括 AutoCAD平面图处理、地形处理、贴图纹理处理等。 第四章 三维模型的建立。 本章阐述了建模的要求，然后对三种建模方式 进行介绍和选择。 分别介绍墙体、屋顶、建筑物、地形的建模方法和如何进行纹理贴图。 介绍了树木的建模方法和种植方法。 第五章 三维场景的集成。 本章主要介绍如何将模型导入到 Unity3D引擎中。 通过Unity3D添加灯光、天空盒、粒子系统、动态时钟等，对场景进行烘焙处理。 第六章 虚拟场景功能实现。 本章主要从算法的角度重点的讲述了三维虚拟校园互动三维场景系统的设计与实现。 第七章 结论与展望。 对所做工作进行总结，指出其中不足，展望下一步研究方向。 华北水利水电大学毕业设计 3 第 2 章 数据收集与整理 数据处理工具概述 收集各类数据是构建系统的第一步。 收集合理足够的数据可为后期制作提供较大的便利；数据的处理是为了进一步符合制作需要，两者在漫游系统构建中占据较高的地位。 Photoshop 概述 Photoshop 是 Adobe 公司推出的图像处理软件。 可以利用显卡的图形处理能力加速对高清格式视频的编解码和播放。 Photoshop 是应用领域涉及图像、图形、文字 、视频、出版图像制作、广告创意，图像输入与输出与一体的图形图像处理软件，深受广大平面设计人员和电脑美术爱好者的喜爱。 AutoCAD 概述 AutoCAD（ Auto Computer Aided Design）是 Autodesk 公司于 1982 年开发的自动 计算机辅 助设计 软件， 一般用于 二维绘图、设计文档 、 详细绘制和基本 三维设计。 AutoCAD拥 有良好的 用户界面 ， 可以利用 交互菜单或命令行方式进行各种操作。 非计算机专业 人员也能 根据 它的多文档设计环境很快地学会使用。 在不断实践过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，提高工作效率。 AutoCAD 具有广泛的适应性，它可以在各种 操作系统 支持的 微型计算机 和工作站上运行。 广泛应用于土木建筑、 装饰装潢 、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。 3dMax 概述 3DSMAX 全称 3D StudioMAX，是 由 Autodesk 公司开发的三维 建模、渲染、动画制作软件，是 PC 机上全球使用人数最多的三维设计软件之一。 广泛应于 广告 、 影视 、 工业设计 、 建筑设计 、 三维动画 、 多媒体制作 、 游戏 、 辅助教学 以及 工程 可视化等领域 ]2[。 三维场景数据结构 这次研究的虚拟校园漫游系统是以华北水利水电大学校园为基础设计的。 华北水利水电大学（简称 “华水 ”）坐落于 黄河 之滨的河南省省会 郑州市 ，是 水利部 与 河南省 人民政府共建，以河南省管理为主的高校。 学校具有博士学位授予权，是河南省重 点建设骨干高校、全国首批硕士学位授予高校、 中西部高校基础能力建设工程 高校、教育部第二批 “卓越工程师教育培养计划 ”高校、河南省唯一具有硕士研究生单独招考资 格的高校和华北水利水电大学毕业设计 4 唯一承担国家 “少数民族高层次骨干人才计划 ”高校。 主要地物 包括教学院系、行政管理、生活服务等区域， 另外还有道路设施 和花草树木 等外观景物。 采集的校园实际场景包括地形，建筑物，外观景物，整个场景的数据库结构如图 21所示。 虚 拟 校 园地 形 建 筑 物 景 观 小 品生 活 区 教 学 区 办 公 区 绿 化 道 路平 面 地 形 曲 面 地 形食 堂 宿 舍 实 验 楼 教 学 楼 图 书 馆 图 21 场 景数据结构图 数据收集与整理 数据的收集基本是收集与学院相关的基本资料，包括华北水利水电大学平面图，其中包涵了道路、运动场、主体建筑物分布等信息。 由于龙子湖校区还处于建设当中，很多建筑物并没有实际建成，所以需要收集校区沙盘模型。 根据沙盘模型完成该部分模型的制作。 （ 1）场景数据 收集和整理的场景数据包括： 1） 华北水利水电大学平面图，包括了道路、运动场、主体建筑物分布等信息； 2） 华北水利水电大学平面 CAD 图。 3） 校园地形信息。 校 区有一块人工湖，需要获取人工湖区域的等高线。 4） 校园沙盘模型。 由于该校区还处于建设阶段，部分建筑物还没有建设完成。 该部分建筑需要结合校园沙盘模型和校区规划图进行建模。 如图 22 所示。 华北水利水电大学毕业设计 5 图 22 校园沙盘模型 5） 纹理贴图。 主要用于建筑物贴图、地形贴图和植物贴图。 此部分用数码相机在校园里进行实景拍摄。 为了后续处理方便，尽可能的拍摄正视图。 在拍摄玻璃等材质的时候，要注意反光及倒影。 窗户、门、栏杆、花草树木 等校园元素 大多相同或类似，拍摄时拍摄同一类型的即可， 采集的原始 图片仍需要进一步的处理。 6） 室内全 景图片。 通过数码相机获取室内特定区域的全景图片。 （ 2）属性数据 属性信息包括主体建筑物的位置信息、各院系的基本介绍、各院系门户网站信息、标注信息等。 属性信息的获取途径是在学校的门户网站，通过 XML 存储于系统中，最终发布到 Web 端，可以供管理员对信息进行更改查询。 平面图 CAD 数据处理 学院平面图较为复杂，中间既涵盖现有建筑布置等，还保留了原校建筑信息。 这需要从中析出现在建筑的平面位置，以及道路、绿化等，以方便后期模型整合。 （ 1）数 据分离 根据华北水利水电大学平面图，通过 AutoCAD 软件单独对图形的建筑物、道路、绿化等地物进行矢量化，以便后期模型整合。 分离出的公共实验楼和水利学院楼分别如图 23 和图 24 所示。 华北水利水电大学毕业设计 6 图 23 公共实验楼 图 24 水利学院楼 （ 2）道路和植被的处理 道路和植被是通过 3dMax 软件对闭合样条线进行 “挤出 ”操作完成的。 这就要求通过AutoCAD 在进行数据分离时，单块儿植被的轮廓线必须闭合并且线段必须连续。 （ 3）人工湖区域地形的处理 人工湖区域地形存在高低起伏，需要通过等高线进行拉伸。 为了保证起伏地形与平面地形的无缝结合，绘制的等高线的最外层线必须与地形的边界完全重合。 纹理贴图处理 贴图纹理的好坏，直接决定了所建模型的真实感、系统运行的稳定性流畅性和用户体验是否良好。 这就需要对拍摄的建筑物照片进行大量的处理。 在保证素材显示质量的同时，尽量缩小图片分辨率，以节省内存；校正前期数据采集中存在的拍摄角度倾斜问题；美化处理拍摄时的曝光度和对遮挡的障碍物进行剔除。 收集的纹理贴图主要包括建筑物贴图 (建筑物墙面、建筑物顶部砖瓦 )、 植物贴图 (各种树木、草地 )、 地形贴图 (硬化路地面、柏油路地面、人工湖水面 )和 室内全景照片。 纹理贴图的处理包括图片的倾斜校正、障碍物遮挡剔除、图片曝光度和分辨率处理、图片 α通道设置四个方面。 （ 1）图片的倾斜校正 收集贴图的方式是通过数码相机在校园内拍摄完成。 大多数情况下拍摄照片是站立在地面上拍摄的，由于建筑物比较高，所以需要将相机设置成仰视状态。 这样拍摄出来的照片是经过中心投影的，会造成图片内容倾斜形变。 需要发生形变的图像进行正面处理后，才能作为纹理贴图使用。 通过 PhotoShop 的 “扭曲 ”功能可以 将图片进行倾斜校正处理。 首先裁剪出需要进行处理的区域。 使用移动工具将图像拖拽图像编辑窗口中。 选择 扭曲命令，将鼠标移至左华北水利水电大学毕业设计 7 上角的控制点上，按住左键拖拽，即可调整图像形状。 处理前后的图片如图 25 和图 26. 图 25 倾斜处理前 图 26 倾斜处理后 （ 2）障碍物遮挡剔除 很多建筑物周围会有一些树木或建筑物，这会导致照片中会有障碍物遮挡。 通过 PhotoShop 的 “仿制图章工具 ”可以对图片的某些障碍物进行剔除。 处理前后的图片如图 27 和图 28. 图 27 遮挡处理前 图 28 遮挡处理后 （ 3）图片曝光度和分辨率处理 由于拍照用的相机的像素比较高，拍摄出来的图片的分辨率很大。 如果直接用于建筑物贴图，总体场景模型就会变得很大。 在渲染的过程中会消耗更多的内存资源，系统运行时容易出现卡顿现象，直接影响用户对系统的体验。 所以在不显著减低模型精度的前提下尽量缩小照片的分辨率和模型贴图的尺寸，要保证数据的正常传输以及场景运行的流畅。 （ 4）设置图片 α通道 华北水利水电大学毕业设计 8 由 于树木模型的结构比较复杂，每一棵树都有很多枝干和树叶，每一棵真实的三维树模型都会有几千个三角形面。 而校园场景需要建立大量的植物模型，如果所有的树木模型都使用真实的三维模型，则整个校园场景模型将变得非常庞大。 系统运行时将占据大量的内存资源，直接影响用户对系统的体验。 所以，对于场景中的树木模型，应该以“十字树 ”模型为主，部分区域可以适当的添加少量的真实树木模型。 在构建 “十字树 ”模型时，需要对采集的树木贴图进行 α通道设置。 需要将树木贴图的树木部分保留，调节周围边缘区域的透明度使边缘区域不可见。 这里使用的方法是通 道抠图。 通道抠图是非常高效及常用的抠图方法。 大致的过程：用通道抠图主要要抠出较为复杂的部分，其它部分可以用钢笔工具来完成，因为钢笔抠出的边缘要圆滑很多。 先进入通道面板，我们选择一个树木与背景对比较大的通道复制一份。 然后用调色工具把背景调白，再反相。 用黑色画笔擦掉以外的部分即可得到选区，后面只要把选区部分复制到新的图层，再用钢笔勾出树木部分即可。 处理前后的图片如图 29 和图 210. 图 29 处理前 图 210 处理后 华北水利水电大学毕业设计 9 第 3 章 虚拟校园漫游系统总体设计 虚拟漫游系统设计要求 该课题旨在开发校园的虚拟现实系统，让用户能够通过计算机对校园环境进行浏览，对校园信息进行查询。 因此，本系统应该满足以下需求： （ 1）真实性。 在进行三维场景漫游时，系统应该尽可能的接近校园原貌，然用户能够从各个角度浏览校园，产生比较真实的视觉效果，达到身临其境的感觉。 （ 2）交互性。 在进行三维场景漫游时，用户可以通过鼠标键盘的等外接设备控制场景的上下左右移动和旋转等操作。 能够进行自主浏览。 （ 3）稳定性。 用户进行操作时，要保证系统能够稳定流畅的运行。 （ 4）可移植性。 系统应具备良好的扩展性和可移植性，以便支持多种操作平台。 （ 5）友好性。 系统应该具有良好的友好性，界面友好简单。 能够让各个层次水平的人对系统进行操作。 系统架构流程图 为了保证系统能够满足上述要求，能够稳定流畅的运行。 在采集数据时，需要采集猪狗的可用的 数据。 严格筛选数据处理、模型处理工具。 对场景进行烘焙渲染，保证系统的美观真实性。 系统建设主要流程如图 31所示： 图 31 系统建设流程 华北水利水电大学毕业设计 10 功能模块 在设计系统功能模块时，参考了哈尔滨工业大学、清华大学等虚拟校园实际案例，选取里面可以实现的功能。 在此基础上，添加了虚拟现实中常用的功能。 最终，结合自身能力水平，设计出了如图 32 所示的系统功能模块图。 图 32。