毕业论文--基于虚拟现实技术的室内设计与漫游

毕业论文--基于虚拟现实技术的室内设计与漫游

基于虚拟现实技术的室内设计与漫游电子与信息工程学院　　计算机科学与技术专业学号　姓名：　指导教师【摘要】随着经济和科技的飞速发展，虚拟现实技术也日益强大，被应用于各个领域，例如航空，医疗，建筑，装修设计等等。虚拟现实不仅仅是一种演示的工具，更能给人一种身临其境的感觉。随着技术的不断完善，虚拟技术在室内设计方面有着不错的前景，这种技术能给设计者和用户切身的体会，设计者可以根据自己的想象和灵感创造，用户则可以体会到所见所得的效果。虚拟现实技术可以多种途径实现，比如VRP、X3D、Web3D、unity3D等，本次设计采用unity3D实现，使用unity3D的优势在于易入手，跨平台，全球已有330万人使用unity，每月活跃用户高达60万，并且还在持续增高。加上强大的3DSMax软件进行室内建模、材质制作。家总能给人以温馨的感觉，一套好的房子需要设计者用心的投入。【关键字】unity3D；3DsMax；虚拟现实；室内设计n目录1.绪论11.1选题的意义11.2虚拟现实技术的发展现状11.2.1国外的研究现状11.2.2国内的研究现状11.3应用软件以及所用的语言11.4设计方案概述12.技术要点22.1关键技术所用到的软件介绍22.1.1Unity3D引擎22.1.2Unity具有的特色：22.1.3Unity的主界面如图2-1所示：22.1.4.3DsMax软件32.1.53DsMax特色：32.1.63dmax的界面如图2-2所示：32.2unity3D中用到的控件和重要方法32.2.1控件：32.2.2重要方法：42.33dmax中常用的命令和重要方法42.3.1命令：42.3.2重要方法：53.需求分析53.1功能需求53.1.1系统登陆界面53.1.2授权注册53.1.4主页63.1.5户型简介63.1.6漫游63.2非功能需求63.2.1易操作型63.2.2易维护性63.3技术需求63.3.1户型全景模型建立63.3.2贴图64.概要设计74.1系统架构74.2系统总体流程图74.3各个模块的介绍84.3.1登入界面84.3.2注册界面94.3.3主界面9IIn4.3.4游戏中退出界面95.详细设计105.1建模105.1.1墙体模型的建立105.1.2门洞以及窗洞的制作115.1.3窗框的制作125.1.4电视墙的制作125.1.5沙发墙的制作135.2材质贴图的制作145.3模型从3DMAX导入到unity145.4unity中登陆界面的实现156.系统结构156.1系统的层次结构156.2系统的文件结构166.3具体重要实现代码176.3.1界面UI的实现176.3.2自动开门关门的实现197.总结与展望207.1系统开发中的收获和感言207.2对于未来的展望20IIn1.绪论1.1选题的意义室内设计大都是以传统的方式呈现在人面前的，让人产生乏味感，用户难以想象室内的整体结构，更不能切身体会。虚拟现实技术的出现提供了一个重要的平台，我们可以发挥我们的想象尽情的去构想理想的房间，去“虚拟”我们满意的装饰，不满意的地方我们可以修改，直至我们满意为止，不用考虑时间和制作模型的费用问题。当然，所谓的构想并不是随意的构想，室内设计是一门艺术，我们需要遵循它的合理性，比如建筑外观、室内环境、室内布局等等。本课题的研究不仅是一种学习，更是一门艺术的创作，所以研究本课题有着独特的意义。1.2虚拟现实技术的发展现状1.2.1国外的研究现状VR技术最早诞生于美国，起初应用于航天事业。但随着技术的不断成熟，尤其在图形显示技术方面的崛起，近些年来，该技术得到快速的发展，大多数研究机构都设立在美国。可以说美国的VR技术处在世界的顶峰。美国还是研究该技术最早，而且研究范围最广的国家，它研究的内容也涉及各个方面，医学，声学，光学等等。除了美国以外，欧洲国家也积极的参与VR技术的研究，代表国家有英国、西班牙、瑞典、德国、荷兰、等国家，他们在这方面的研究也有了突破性的进展。1.2.2国内的研究现状与发达国家相比，我国的VR技术还是存在一定的差距。该技术是一项投资大并且具有高难度的科技领域，相对于其他国家来说，我国的VR技术研究起步较晚。对此，我国有关部门制定了开展研究VR技术的方针，例如，“973项目”中把VR技术的研究列为重中之重，“863”计划也把该技术看成重点投资项目。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口[2]。此外，国内在VR方面有显著研究成果的大学有西安大学、北京大学、哈尔滨工业大学、西北大学等，为国内众多的VR爱好者创立了良好的学习氛围。1.3应用软件以及所用的语言1.开发环境：windows864位2.开发工具平台：unity3D4.6,3DsMax20123.软件运行环境：window864位4.编写语言：C#语言，javascript1.4设计方案概述本次设计大致分为以下几个步骤：1：在3dmax中进行户型以及一些家具的建模。2：给模型附上贴图并将完整的模型转换成FBX格式导出。3：在unity中新建场景，进行环境的设置，最后导入模型。4：制作登陆界面，并用C#语言编写脚本实现自动开门的效果。5：多次调整，实现以第一人称的视角进行漫游。第22页n2.技术要点2.1关键技术所用到的软件介绍2.1.1Unity3D引擎Unity3D是由英国UnityTechnologies公司开发的游戏开发工具，是一个专业游戏引擎。Unity开发工具最突出的优势就是性能卓越，并且在开发效率上也出类拔萃，它的价格优势也是其他开发工具无法相比的。Unity3D的高兼容性、跨平台是最令人瞩目的优势无论是联网、单机或者网页，触屏，手机还是Ipad以及各种应用，它都可以支持，前景广阔。Unity用户接近300万，他们用Unity创造的应用目前的累计下载量达到了87亿次。每个月经常使用Unity游戏工具的开发者有60万人。2.1.2Unity具有的特色：1：支持多个平台2：开发交互性强3：支持二维三维开发4：游戏引擎的功能强大5：免费提供关键资源2.1.3Unity的主界面：图2-12.1.4.3DsMax软件3DsMax简称3dmax，Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于建筑设计、游戏动画、室内装修、电影特效等领域。2.1.53DsMax特色：1：拥有强大的建模功能，特别在角色动画方面用于很强的优势，此外，丰富的插件也是一大亮点。2：操作简单，而且容易上手，与其它软件相比，可以说3dmax是最容易上手的3D软件。3：与其它与之相关的软件不冲突。第22页n4：渲染以后的产品非常真实。2.1.63dmax的界面：图2-22.2unity3D中用到的控件和重要方法2.2.1控件：1：canvas（画布）属性面板中的Transform用于显示调整2DUI中的缩放比例、位置、尺寸、角度等。2：button（按钮）button按分类分成两种：“普通按钮”和“图片按钮”。普通按钮为系统默认的按钮，图片按钮可以选择图片作为按钮。3：text（文本）用于显示文字，可以文字设置大小和颜色，还可以设置文字字体。4：iTweeniTween是一个动画库，本次设计用于门的自动开启和关闭。X,Y,Z代表围绕哪个轴转动，转动角度就是x、y和z的大小。RotateBy：输入的数值乘以360，就是门旋转的角度。2.2.2重要方法：1：环境的设置Unity新建场景后首先要添加环境光，模拟现实中的太阳光。Create-->Light-->Directionallight。光线强度不宜太强，Intensity采用默认值0.5。然后是天空盒的设置，用于模拟现实中的天空，导入Skyboxes，在RenderSettings中选择Sunny1Skybox。2：unity导入模型Assets-->ImpartNewAssets，然后选择模型所在的文件夹，首先要确保导入的路径没有中文，其次unity3D识别FBX格式，所以模型必须是FBX格式。3：碰撞设置导入模型后需要对模型添加碰撞体，防止穿墙事件的发生，墙体都是不规则的，所以选择添加MeshColider网格碰撞体，相比其他形状的碰撞体，网格碰撞体是最消耗资源的。4：unity发布项目完成后点击File-->BuildSettings,然后发布平台，比如window，iOS，Android等平台，还可以选择发布的分辨率。点击Build发布到指定的文件夹。第22页n图2-32.33dmax中常用的命令和重要方法2.3.1命令：1：挤出2：网格平滑3：倒角剖面4：倒角5:法线翻转。6:分离7：轮廓8：塌陷9：附加2.3.2重要方法：1:单位设置建模前要进行单位的设置，通常将系统单位设置成毫米。第22页n图2-42：模型的导出模型导出前先把模型有序的整理分类，分类之后选择全部模型导出，导出到指定的文件夹，文件夹不能用中文命名，最后选择导出的格式，unity识别FBX格式，所以选择以FBX的格式进行导出。3.需求分析3.1功能需求3.1.1系统登陆界面系统的登陆界面也是系统的初始界面。3.1.2授权注册用户如果注册账号是无法使用本系统的，所以对于来说用户首先要注册账号。用户根据提示信息进行注册，提交信息后系统会提示用户是否注册成功。如果注册成功，用户就可以使用刚刚注册的账号密码登陆系统。3.1.3用户登入输入注册过的账号密码点击进行登入，便可登陆系统。3.1.4主页用户登入成功后进入主页面，主页面为两套户型，一套是田园风格的别墅，另一套是现代风格的普通户型。3.1.5户型简介用户点击户型后会跳出相应的简介，简介完之后会自动跳转到下一个界面。3.1.6漫游用户以第一人称的视觉对户型进行漫游，可以浏览室内的任何一处。第22页n3.2非功能需求3.2.1易操作型易操作性又称做易用性，简单的说就是用户能够直观的明白怎么使用该系统。系统功能不一定要很复杂功能也不要求很多，但一定要实用。本次系统的设计简单明了，而且易操作。3.2.2易维护性系统都需要维护，有些维护时为了改正错误有些维护是为了更新系统，本次设计各个部分都是相对具有独立性的，易于管理，便于维护。3.3技术需求本设计的实现需要3dmax的多边形建模技术和UV贴图展开技术等。3.3.1户型全景模型建立全景模型的建立，采用的是3dmax中的多边形建模技术，多边形建模技术是3dmax中一种强大的建模技术，可以根据建模的需要把模型划分为点、边、线、面元素。再对这些元素进行面积或者体积的修改，达到想要的效果。比如墙体和窗户的建立。3.3.2贴图模型建立完以后要对模型的各个部分进行贴图，为了很好的匹配外部的贴图，有时需要对UV贴图进行展开和重排。用3dmax自带的UVWMapping修改器可以很方便的实现贴图的修改。4.概要设计4.1系统架构系统的总体结构，主要分为两个层次，分别为展现层和功能层。第一层为展示层，这层为最终的效果展示，可以进行户型室内的浏览漫游。第二层为功能层，功能层又包括了界面制作、场景设计和素材制作三个部分。第22页n图4-1游戏总体结构图4.2系统总体流程图本设计中，启动系统后，第一个界面为登陆界面，登陆界面上有多个选项:注册，登陆，退出，要想登陆此系统必须先注册用户名、密码，成功后，返回登录界面进行登录。登陆成功以后为主界面。主界面为两套户型的选择界面，选择以后会跳出简介界面，简介完以后会以第一人称的视角进行室内的漫游。浏览完户型后按返回键跳转回主界面，重新进行选择，或者直接退出浏览。系统总体流程图如图4-2所示。第22页n图4-2系统总体流程图4.3各个模块的介绍本次设计中主要分为四个模块，分别为登录、注册、主界面、退出模块。4.3.1登入界面图4-3登录界面4.3.2注册界面图4-4注册界面第22页n4.3.3主界面图4-5主界面4.3.4游戏中退出界面图4-6退出界面5.详细设计5.1建模5.1.1墙体模型的建立墙体模型的建立有好几种方法，这里我选的一种比较简单的方法。以别墅户型的建模为代表。建模的第一步打开3dmax软件进行单位的设置，单位设置成毫米，然后把外部的图纸导入进来，为了方便接下来线段的捕捉，把图纸的颜色改成棕色，然后冻结。第22页n图5-1这是一楼的图纸，因为没有二三楼的图纸，所以二三层的布局也是根据一层图纸建造。打开捕捉开关，选择2.5D捕捉，选择线工具，围绕墙体内侧进行捕捉。然后执行挤出命令，墙体的高度设置为9100mm也就是三层楼的高度，点击转化为可编辑多边形，法线进行翻转，勾选背面消隐便于建模。图5-25.1.2门洞以及窗洞的制作1.门洞的制作：在线的模式下选择要制作门的墙体，选择连接数量为5，进入层级面板，选择要挤出的面，挤出命令数量为-240mm也就是门的厚度为0.24米，然后把面删除。最后选择点的模式在左视图移动点，使其高度为2.1米，这样门洞就做好了。第22页n图5-32.窗洞的制作：窗洞的只有跟门洞的制作大同小异，无非就是高度和宽度不一样，这里我就不在一一细说。图5-45.1.3窗框的制作开捕捉工具，在窗洞上添加一个平面，把平面转化为可编辑多边形，选择边层级，再选择中间的六条线段，执行切角命令，数量为30.，左右和上下两边为数量为60，翻转法线。进入多边形层级，选择面的模式，选择玻璃的那些面，执行挤出命令，数量为-6。.调整好窗框的位置，复制几个，这样窗框就做好了。第22页n图5-55.1.4电视墙的制作新建一个长方体，设置好高度、宽度和厚度用捕捉工具放好位置，然后用使用圆角命令使其上半部分圆滑，然后在原位置复制一个长方体，应用轮廓命令，数量为100mm。图5-65.1.5沙发墙的制作新建长方体，调整好长宽高，用捕捉工具放置好位置，然后再复制两块。第22页n图5-7其余的一些建模过程就不再详述。图5-8其余房间的建模跟中庭类似。第22页n图5-95.2材质贴图的制作材质贴图的制作可以在3dmax里制作，当然也可以在unity3D中制作。本设计是在3dmax制作，因为利用3dmax自带的材料编辑器可以很方便实现贴图，并且效果比较真实。比如木质材料的制作。图5-10MaterialEditor中每个材质球可以选择材质属性和贴图类型，比如木质的，大理石的，玻璃的，透明的，半透明的。具体效果需要自己根据参数的不断尝试调整最好的效果。贴图制作好后，利用材质编辑器中空白材质球，选择位图Bitmap，再选择相应的图片，赋予到场景中的材质。比如赋予到沙发上，墙上等等。5.3模型从3DMAX导入到unity整理分类好以后进行导出，导出的时候命名不能是中文的，导出的格式为fbx格式。导入到unity中前先把贴图的材质先导入unity中然后在导入模型，这样贴图会自动贴到模型上。第22页n图5-115.4unity中登陆界面的实现登陆界面主要由UI控件和后台的代码组成。图5-12UI界面由image、text、button、panel、InputField组成，再将代码附加到相应的控件上。6.系统结构6.1系统的层次结构1.UI层UI层主还要是登陆界面，实现系统的注册、登陆、退出功能。2.场景模型层场景模型层为两套户型和一些家具以及一些修饰品。第22页n6.2系统的文件结构第22页n6.3具体重要实现代码6.3.1界面UI的实现目标实现代码创建XML文件voidStart(){_xmlpath=Application.dataPath+"/user.xml";if(!File.Exists(_xmlpath)){//新建xml实例XmlDocumentxmlDoc=newXmlDocument();//创建跟节点，最上层节点XmlElementroot=xmlDoc.CreateElement("Root");xmlDoc.AppendChild(root);//创建用户子节点XmlElementuser=xmlDoc.CreateElement("User");user.SetAttribute("user_name","Adim");user.SetAttribute("user_pass","12345");user.SetAttribute("user_tel","18250307659");user.SetAttribute("user_mail","1402089633@qq.com");root.AppendChild(user);xmlDoc.Save(_xmlpath);Debug.Log("xmlcreatsuccess!");}}注册publicvoidzc(){if(InputField_name_zc.text==""||InputField_pass_zc.text==""||InputField_passa_zc.text==""||InputField_tel_zc.text==""||InputField_mail_zc.text==""){ty_xxk("信息不完整！有空的项目！");第22页nreturn;}if(InputField_passa_zc.text!=InputField_pass_zc.text){ty_xxk("两次输入密码不一致！！");return;}//判断用户帐号是否被占用！XmlDocumentxmlDoc=newXmlDocument();xmlDoc.Load(_xmlpath);XmlNodeListnodelist=xmlDoc.SelectSingleNode("Root").ChildNodes;foreach(XmlElementxeinnodelist){if(xe.GetAttribute("user_name")==InputField_name_zc.text){ty_xxk("该用户名已被注册！请更换用户名");return;}}//ty_xxk("该用户名没被占用！可以使用");//取得根节点XmlNoderoot=xmlDoc.SelectSingleNode("Root");//创建user新节点XmlElementuser=xmlDoc.CreateElement("User");//设置属性user.SetAttribute("user_name",InputField_name_zc.text);user.SetAttribute("user_pass",InputField_pass_zc.text);user.SetAttribute("user_tel",InputField_tel_zc.text);user.SetAttribute("user_mail",InputField_mail_zc.text);//将新节点加入根节点root.AppendChild(user);//保存文件xmlDoc.Save(_xmlpath);//打开通用信息窗口显示信息ty_xxk("恭喜！注册成功！");//清空已注册的信息InputField_name_zc.text="";InputField_pass_zc.text="";InputField_tel_zc.text="";InputField_mail_zc.text="";}登陆//登录函数publicvoiddenglu(){if(InputField_pass.text==""||InputField_name.text==""){ty_xxk("用户名或密码不能为空！");return;}//判断用户名是否已注册第22页nXmlDocumentxmlDoc=newXmlDocument();xmlDoc.Load(_xmlpath);XmlNodeListnodeList=xmlDoc.SelectSingleNode("Root").ChildNodes;foreach(XmlElementxeinnodeList){if(xe.GetAttribute("user_name")==InputField_name.text){varmima=xe.GetAttribute("user_pass");if(InputField_pass.text==mima){ty_xxk("登录成功");Application.OpenURL("http://3dtank.com/start/");return;}else{ty_xxk("登录失败！密码错误！");return;}}}//没有注册ty_xxk("该用户帐号还没有注册！请注册");}退出publicclassexit:MonoBehaviour{publicvoidMyQuitGame(){#ifUNITY_EDITORUnityEditor.EditorApplication.isPlaying=false;#elseApplication.Quit();#endif}}6.3.2自动开门关门的实现开门关门functionOnTriggerEnter(){iTweenEvent.GetEvent(target,eventName1).Play();audio.clip=sound1;audio.Play();}functionOnTriggerExit(){iTweenEvent.GetEvent(target,eventName2).Play();audio.clip=sound1;audio.Play();}第22页n7.总结与展望7.1系统开发中的收获和感言本次设计中，最深的感触就是学习到了很多专业知识，包括unity和3dmax软件的使用，以及C#语言。在此之前从来没有接触过unity方面的知识，对3D建模更是一无所知，所以本次设计对我来说是个不小的挑战，但我坚信世上无难事只怕有心人。为了能更好的完成设计，我从网络上下载了相关的教学视频，每天坚持学习。学习的过程并不是一帆风顺的，期间遇到过一些编程和软件使用的问题，每当遇到问题时，首先想到的是网上查找资料，自己解决。解决问题的过程更是一种自主学习的过程，是对思维的一种锻炼，对自己的一种肯定。遇到困难不要想着逃避，要知难而上，只有这样，我们才能更好的提升自己。建模是一个细致活，细致到每一条线每一个面，过程繁琐复杂，起初的时候开始怀疑自己，怀疑自己究竟能不能完成任务，但是为了顺利的毕业只能硬着头皮上了。渐渐地，发现室内建模不仅是纯粹的建模，更像是在创造一种艺术，每当模型建完，总能给我一种小小成就感，感觉自己就像个建筑师，虽然知道自己离建筑师的水平还很远。有时候，不要把任务当做一种负担，或许能更好的帮助我们完成任务。7.2对于未来的展望本次设计目前基本最初想要完成的功能，但还有很多unity3D的知识都没有运用到，也没有学到，还有系统存在一些美中不足的地方，因为还有很多东西没有真正的掌握。一些深度的知识，还需要很多时间去进一步研究，比如：怎么更好优化模型，使界面更加流畅美观，功能更加丰富。怎么去完成室外的建模工作等等。致谢本次毕业设计能够顺利的完成，我最想感谢的就是我的指导老师，从始至终，老师给我提了大量的宝贵意见，帮我理清思路，合理安排进度，少走了很多的弯路。老师自己也投入了大量心血，本次设计能够顺利的完成，一切都离不开老师悉心的指导帮助。在论文方面，老师也给了我很多指点，从最初无从下笔到后来一点一点的完成，也都离不开老师的帮助。所以，我想对我的导师表示由衷的感谢！其次，我还要对我的同学表示感谢，感谢我们给我提供了很多帮助，如果没有他们的帮助，我也不能这么顺利的完成本次设计。四年的大学时光就要高一段落了，转眼就要说再见了，感谢四年来帮助过我的同学、朋友。也感谢大学给了我这样一个机会，让我学习文化知识，丰富我的人生，使我不断进步，不断充实自己。最后，我还要对全校的老师表示感谢，感谢你们教我文化知识，教我做人的道理。本次毕业设计能够顺利完成，要归功于全体老师的认真负责。老师教给我们的不仅仅是文化知识，更多的是解决问题的思路和方法。参考文献[1]张金钊.Unity3D游戏开发与设计案例教程[M].北京：清华大学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