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031241422马忠元论文正文

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：

马忠元学号：

031241422

系别：

信息工程专业：

数字媒体

指导教师：

胡涛评阅教师：

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）。

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Unity3D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Unity3D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，Unity3d，三维处理软件，虚拟漫游

Abstract

WiththerapiddevelopmentoftheInternet,VRtechnologyastheInternetisalsofollowedbytherapiddevelopmentofthederivative,Theproblemsthatneedtobesolvedintheareaofvirtualroamingsystembasedon3Dscanningarehighlightedastheconstructionoftheregionalmodelandtherealizationoftheinteractivecharacteristics.Thetemplearchitecturalfeatures,designandRealizationofthedesignandresearchofvirtualroamingsystem,startingfromtheconstructionofthefundamentalproblemofmodel,areamodelofsimpleimplementationusingFaroandotherhigh-techinstruments,focusingondiscussionoftheinteractionbetweenvirtualreality,insolvingthebasicmodel,thatneedtobesolvedfurthermodelmapping,ThemainuseofMAYA,3dMaxandotherthree-dimensionalprocessingsoftwareforfurtheroptimizationofthemodelhasbeendonetomakeitmorerealistic.Afterthebasiccompletionofthewholemodelbytheunity3DofJava,C#mainresearchonlanguagelearning,understanding,wereutilizedtoachievetheinteractionbetweentherealworldandthemodelarea,completethetopicofresearchanddiscussion.ThesubjectisbasedontheFaroandotheradvancedequipment,toMaya,3dmaxandunity3DapplicationsoftwaremethodtoVRoveralltrainofthoughtasframeworktoachievetheperfectinteractionbetweenareasofsubstanceofthethree-dimensionaltopographyandvirtual3Dmodel,itspracticalsignificanceliesintoanyconditionlinkedtoInternetuserstoprovideacertainareaoftheactualtopographyanditscharacteristics,therealizationofthetruemeaningofzerodistancecontact.Thepracticalapplicationshowsthattheresearchiswiththetimesandhaspracticaloperability.

Keywords：

VRTechnology,Unity3d,Three-dimensionalprocessingsoftware,virtualroaming

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题背景及来源1

1.2课题研究的目的和意义2

1.3国内外概况3

1.4漫游系统整体过程4

2古庙漫游系统设计5

2.1界面设计5

2.1.1主界面5

2.1.2漫游界面设计6

2.1.3设置界面设计7

2.1.4漫游对话界面设计8

2.2功能设计9

2.2.1背景音乐设计9

2.2.2自动漫游设计9

2.2.3第一视角漫游设计9

2.2.4第三视角漫游设计9

2.2.5地图功能设计9

3基于Maya的虚拟场景制作11

3.1采集数据12

3.1.1仪器介绍12

3.1.2点云数据采集过程13

3.1.3数据采集注意事项13

3.2制作建筑模型与贴图14

3.2.1数据处理软件14

3.2.2生成建筑模型18

3.2.3制作建筑贴图22

3.3数据完整性检查28

3.3.1.检查内容28

3.3.2.检查方法28

4基于Unity3d虚拟古庙交互功能的实现30

4.1引擎与语言的简单介绍30

4.1.1Unity3d的简单介绍30

4.1.2JavaScript的简单介绍30

4.2场景实现31

4.2.1固定场景的制作31

4.3界面实现32

4.3.1主界面的实现32

4.3.2设置界面的实现34

4.4功能实现34

4.4.1自动漫游设计的实现34

4.4.2第三视角漫游设计的实现38

5基于Unity3d虚拟古庙漫游的测试与发布40

5.1虚拟古庙交互功能测试40

5.1.1系统发布40

5.1.2系统检测42

5.2虚拟古庙场景漫游系统发布42

6总结与展望43

6.1总结43

6.2展望43

参考文献44

致谢46

1.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Unity3d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。

Scenemaya

Geomagic3dsMax

PsMudbox

Unity3d

Unity3d

Unity3d

Unity3d

图1.1漫游系统的整体制作过程

2.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