VR虚拟现实虚拟现实毕业设计论文文档格式.docx

1、摘 要虚拟现实技术是一门非常前沿的技术。它一经应用，就向人们展示了诱人的前景，因此在世界各国特别是发达国家很多都为此进行了广泛的研究。而虚拟场景人物动作控制研究作为虚拟现实技术的核心技术之一，其地位之关键，不容置疑。不管将其应用于商业，应用于娱乐，应用于军事演习，还是应用于各大工业仿真，它都能有广泛的应用。那么，如何控制虚拟环境中人物的各种动作，便成为了本次毕业设计的重点。经过一番讨论，本次毕业设计决定运用Unity3D虚拟现实软件，加以3DS Max建模软件配合，虚拟出场景和人物作为研究手段，然后在虚拟现实的大环境下，以脚本进行对虚拟人物动作控制的研究，实现人物与场景相结合，场景的天气控制，

2、网络多人交互，网络坐标方向同步，网络人物动作同步，即时聊天等等。经过一番比较深入的研究，基本上完成了在设计阶段定下的指标。在作品里，用户可以自由选择自己喜欢的人物角色。然后，用户还可以自己取一个喜欢的名字，便可以登录搭建好的虚拟社区里了。之后，用户就像在现实生活中一样，可以在虚拟的环境里面自由活动，任意交互，上可谈天论地，登高望远；下可穿梭丛林，一窥海底之奥。除此之外，用户还能对其他也在虚拟社区中活动的用户做一些特殊的动作，比如弹跳、赛跑等。整个设计作品可以让用户身临其境，留连忘返。用户不再只是单单观看者，也成为了影响社区的参与者！在网络方面，也是令我煞费苦心。网络虚拟社区的具体搭建，第一是要

3、有内部的互动，然后就是要有外部网络之间的交流。因此这就涉及到Unity3D软件，建模软件，贴图软件以及服务器等关键技术了。在本次毕业设计中，我选择了SmartFoxServer作为我虚拟社区的服务器。原因是Smart Fox Server服务器端同时还提供了很多方便快捷的ClientAPI，因此能大幅度缩短了我在这上面耗费的时间，并且取得很好的网络交互效果。运用了网络技术，该系统的实现便摆脱了单机虚拟场景里用户之间人物互动交流不足的弱点。而整个虚拟环境人物动作控制的主要问题也随之得到解决。【关键词】虚拟现实 人物动作控制 网络虚拟社区ABSTRACTVirtual reality techno

4、logy is a very cutting-edge technology. Upon application of it, showing people an attractive prospect.So many of the world, especially the developed countries have carried out extensive research for this.As one of the core technology of virtual reality technology , the study of controlling character

5、s moving in the virtual scene no doubt has a key position. Whether applied to business, in entertainment, used in military exercises, or used in various industrial simulation, it can cope.The focus of the graduation project is making out the virtual the scenes and characters by Unity3D virtual reali

6、ty software and 3DS Max modeling software. In the environment of virtual reality, the combing of scripting and scenes motion control has realized the interaction nofetwork multiplayer ,network synchronization, real-time chatand so on.All of them,make the user have the feeling.So the user is no longe

7、r a mere spectator, but also as participants in changing the scene!However, ,it not only needs the internal interact but also external networks communication to build a virtual community. Therefore, an interactive virtual environment and virtual character control is only a part of the action. To mak

8、e people have interaction, rather than walking alone in the scene, requires a server-side in the external architecture. The server that I use is generic server-side of Smart Fox Server. Smart Fox Server provides much convenient ClientAPI which will be used in the program codein Unity3D software .The

9、 Use of network technology, making the system truly become a community system, rather than just a stand-alone interactive simulation. Users will be able to move around in it,change views, interactwith other users in it,and so on.【Keywords】Virtual Reality Motion control characters Virtual Community前

10、言 6第一章 虚拟社区与虚拟人物 7第一节 虚拟现实技术概况 7一、历史背景概况 7二、技术特色 8第二节 虚拟社区 8第三节 虚拟人物 9第四节 虚拟社区与虚拟人物的关系 10第五节 国内外研究现状 10一、在美国的研究现状 10二、在欧洲的研究现状 11三、在日本的研究现状 12四、在国内的研究现状 12第二章 关键技术简介 14第一节 软硬件平台简介 14第二节 关键技术软件相关介绍 14一、Unity3D虚拟现实引擎 14二、SmartFoxServer服务器 15三、其他关键技术 16第三章 系统总体设计分析 18第一节 总体结构分析 18第二节 研究的主要目标分析 19一、研究的基

11、本内容 19二、拟解决的主要问题 19三、可行性 19第四章 详细设计 21第一节 系统具体架构 21第二节 虚拟场景的实现 25第三节 虚拟人物动作控制的实现 27第四节 服务器的搭建 33第五节 网络聊天的实现 36第六节 网络同步的实现 38第七节 天气控制的实现 39第八节 地图导航的实现 42第九节 客户端界面的实现 44一、登录界面 44二、虚拟社区界面 46第十节 效果一览 48第五章 进一步开发探讨 51第一节 系统功能方面 51第二节 场景资源方面 52第三节 应用平台方面 52结 论 53致 谢 54参考文献 55附 录 56一、英文原文： 56二、英文翻译 63三、源程序

12、 68FPSWalker.js: 68PersonAction.cs: 71ChatController.cs: 73NetworkTransformSender.cs: 78NetworkTransformReceiver.cs: 83AnimationSynchronizer.cs: 87BubblePopup.cs: 89WeatherController 91Character.cs: 97LoginTheGame.cs: 102Map.cs: 107FallBack.cs: 110前 言虚拟环境是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。它与传统的计算机人机界面（如

13、键盘、鼠标器、图形 用户界面以及流行的Windows等）相比，这一项新兴技术无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。虚拟现实技术一经应用，就向人们展示了诱人的前景，因此在世界各国特别是发达国家进行了广泛的研究。在美国，虚拟现实技术的发源地，几乎就代表了这项技术的最高水平。他们将其应用于分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真、神经系统研究、军事演习、娱乐等。其中，虚拟环境人物动作控制贯穿诸多领域。因为在任何场景里，人总是焦点。因此，人物动作控制势研究势必恒久地发展下去！在日本，该技术大量被应用于游戏行业。如NEC（日本电气股份有限公司，Nippon Electric Company）公司开发了一

14、种虚拟现实系统，能将操作者的手和虚拟场景中的模型处理联系起来。又如ATR（日本国际电气通信基础技术研究所,ADVANCED TELECOMMUNICATIONS RESEARCH INSTITUTE INTERNATIONAL）研究所，它能用图像处理来识别手势和面部表情，并把它们输入虚拟场景中，与虚拟人物动作联系起来，使得场景中的人物栩栩如生。因此，和一些发达国家相比，我国在该方面的技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国国情，制定了虚拟现实技术研究相关的策略。例如九五规划，国家自然科学基金委，国家高技术研究发展计划等都把该技术列入了研究项目。在政策紧跟国际新技术

15、的同时，国内一些重点院校，已积极投入这一领域的研究工作之中。自然，虚拟场景人物动作控制研究作为核心技术之一，受到了相关研究人员的重点照顾。如哈尔滨工业大学已成功虚拟出人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情合成和唇动合成等技术问题，取得了突破性进展。中国科技开发院更已将这门技术产品化、商业化。由此可见，虚拟人物动作控制技术生命力蓬勃，前景广阔！俗话说，落后就要挨打。虚拟现实技术作为许多相关学科领域的交叉、集成的产物，其地位及分量可想而知。我们不能老是等待别人发展起来了再去学习别人的东西，我们要自强！我们要有自己的一席之地！趁着这门新兴技术尚未有多大差距，我们难道不应该策马奔腾，与列强角逐吗？虚拟

16、场景人物动作控制研究作为核心技术之一，它一定要由我们自己完成。这就是我选这个题目的意义！将其应用于商业，应用于娱乐，应用于军事演习，应用于各大工业仿真，它都能游刃有余。有着如此广袤的市场，它必定横空出世，为我国的虚拟现实技术更助一臂之力！第一章虚拟社区与虚拟人物第一节 虚拟现实技术概况虚拟现实技术（Virtual Reality,简称VR），也称灵境、临境、幻真，是模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术。它具有沉浸感、交互性、构想性。它可以把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的实物。在这种交互式三维环境之下，不仅使参与者能够感到景物或模型十分逼真地存在，

17、而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。如下图便是虚拟现实场景：图1.1 虚拟社区（引自欧美成熟虚拟社区截图）虚拟现实技术不但为人机交互界面开创了新的研究领域，也为智能工程的应用提供了新的界面工具。它给人类探索宏观世界和微观世界以及由于种种原因而不便于直接观察的事物运动变化规律提供了极大的便利，为各类技能的训练与培训提供了更自然的界面与环境，同时也为数字媒体领域，比如影视、娱乐等，提供了一种新的、交互的、更富刺激性的和更具有实感的新兴技术。一、历史背景概况自1965年始，Ivan Sutherland在篇名为The Ultimate Display（终极的显示）的论文中首次提出了包括具有

18、交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想后，人们对它的研究便踏上了历程。次年，美国MIT（麻省理工学院，The Massachusetts Institute of Technology）的林肯实验室正式开始了HMD（头盔式显示器，head-mounted display）的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的VPL（Veterinary Products Laboratories）公司的创建者 Jaron Lamer在8

19、0年代初最后确定以虚拟现实（Virtual Reality）一词作为这一领域的专用术语。后来，因为种种原因，这门技术的发展停滞了下来，一直到上世纪80年代和90年代才又有所发展。因此，至今它仍然被认为是一项新的技术而不断变化和发展着。随着生产加工制造业技术的不断发展，生产加工水平也不断提高，虚拟现实技术已成为各国致力研究的热点之一，在应用、学术研究及软件支持等方面取得了显著的成果。而近些年来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得人机交互系统的设计不断创新。新颖、实用的输入输出设备也不断进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。因此，虚拟现实技术也逐渐从飞

20、行仿真、战争应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。二、技术特色一个合格的虚拟现实产品，往往拥有以下几个特色：沉浸性：这是虚拟现实的核心，指使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。如果这种感受不明显，说明这个虚拟现实的产品并不成熟。交互性：指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。一个成熟的虚拟现实产品，一定能够让用户真真切切感受得到自己可以影响周围的环境，可以按照个人习惯在虚拟场景中活动。构想性：虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，更可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这样，

21、用户也将进一步沉浸其中，使得用户的思维也将随着虚拟场景拓展延伸。第二节 虚拟社区所谓虚拟社区，就是在虚拟现实的技术背景下，构建出来的，基于网络运用的虚拟共享环境。在虚拟社区中，一群主要藉由计算机网络彼此沟通的人们,他们彼此有某种程度的认识，分享某种程度的知识和信息，进行某种程度上的交流，因此在很大程度上如同对待朋友般彼此关怀。简单来说，虚拟的场景+网络技术+用户，共同构建成了虚拟社区。虚拟社区来源于现实社区，虚拟社区是现实空间在虚拟空间的“投影”。在虚拟社区中，每个人都拥有充分的话语权，不同意见相互尊重与互不排斥。通过讨论和争鸣解决问题，消除歧见。这样一来，民众易于发表自己的意见，同时政府也可

22、以方便地实现低廉高效的管理。虚拟社区是虚拟的，基于网络的运用，因此人们之间的交流不受地域的限制，只要你有一台计算机，一条电话线，就可以和世界上任何地方的人（也具备相应硬件条件）畅所欲言了，由此诞生了它最重要的超时空性。其次，在虚拟社区里，网民用一ID号标识自己，而并非自己的真实姓名，这样一来，在虚拟社区中，代表用户的，仅仅只是一段符号而已，于是便有了匿名性和彻底的符号性。再次，社区因为无地域性的限制，任何人都可以来，任何人都可以走，若是虚拟社区用户量可观，就必然导致群体流动的频繁性。最后，自由，平等，民主，自治和共享是虚拟社区的基本准则。只要你不违反论坛条例，你什么都可以说。由此一来，虚拟社区

23、开拓了人的思维，也造成了对现有生活方式的冲击，同时，它也是对现实的社会空间的发展。第三节 虚拟人物在任何场景里，人总是焦点。因此人物形象与动作也直接影响着整个虚拟现实产品的最终效果。所谓虚拟人物，也就是在虚拟场景中代表用户本身形象的人物角色。这个人物角色可以是男人，可以是女人，也可以是小孩，甚至可以是长相特殊的外星人。因此虚拟人物凭借它的代表性，成为了虚拟场景中的重中之重。与之相关，虚拟环境人物动作控制则贯穿了诸多领域，因为在任何场景中，人物的表现力往往与用户联系得最直接，最紧密，也是用户最能感受得到的东西。从绝大多数用户的使用情况来看，用户进入社区之后，往往最喜欢摆弄的，就是那个代表用户本身

24、的虚拟人物。因为在他们心中，虚拟人物就代表了他自己，自然也就成了他最关心的东西。“我可不可以跳？怎么跳起来？”“我想跟别人打个招呼，怎么才能打招呼？”“我想走到那边去，该如何走？”等等这些问题，无一不说明着用户对于虚拟人物的关切程度。这也是本课题主要研究的内容。说到底，其实我们需要做的，就是将虚拟人物的特点发挥到淋漓尽致，将人物的各种动作与形象结合起来，通过程序代码，使之成为可控，并能协调地与虚拟场景形成互动，这样一来，虚拟人物不再是一个死物，它在用户的控制之下栩栩如生，让用户感到仿佛自身已融入了一般。第四节 虚拟社区与虚拟人物的关系如果说把虚拟社区比作一盘棋，那么虚拟人物就是棋盘上的棋子。在

25、虚拟社区这个大环境下，用户们通过虚拟人物在整个社区中相互交流、相互影响。不管用户是进入了虚拟社区，还是离开了虚拟社区，虚拟社区就在那里，不曾改变。没有了虚拟社区，虚拟人物也就不存在了。虚拟人物依赖于虚拟社区平台，只有在这个平台上，虚拟人物才能得到应有的发挥，才能畅所欲言，广交朋友。与之相对，没有了虚拟人物的虚拟社区，仿佛是一潭死水，没有了意义。人们无法向其他人宣称自己的存在，也无法完成交互。虚拟社区就因为没了虚拟人物而失去了用户，留之何用？因此，虚拟社区和虚拟人物相互相成，缺一不可，二者共同构成了缤纷的虚拟世界！第五节 国内外研究现状就目前来说，虚拟现实技术的产生与发展，包括国内外虚拟现实技术

26、，主要涉及到三个研究领域：实时的三维视觉效果，对虚拟世界的观察界面，使用虚拟现实技术加强各种方面的技术应用。一、在美国的研究现状美国是虚拟现实技术研究的发源地，虚拟现实技术可以追溯到上世纪40年代。最初的研究应用主要集中在美国军方对飞行驾驶员与宇航员的模拟训练。然而，随着冷战后美国军费的削减，这些技术逐步转为民用。就目前而言，美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。上世纪80年代，NASA （美国宇航局，National Aeronautics and Space Administration）及USDOD（美国国防部，United States Departm

27、ent of Defense）组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。美国宇航局里面的Ames实验室致力于一个叫“虚拟行星探索”（VPE，Virtual Planet Explore）的实验计划。现NASA已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学的计算机系是进行VR研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。施乐公司研究中心在VR领域主要从事利用VRT建立未来办公室的研究，并努力设计一项基于VR使得数据存取

28、更容易的窗口系统。波音公司的波音777运输机采用全无纸化设计，利用所开发的虚拟现实系统将虚拟环境叠加于真实环境之上，把虚拟的模板显示在正在加工的工件上，工人根据此模板控制待加工尺寸，从而简化加工过程。就虚拟现实技术本身看，图形图像处理技术和传感器技术是以上VR项目的主要技术。而就目前看，空间的动态性和时间的实时性是这项技术的重点。二、在欧洲的研究现状在欧洲，英国在VR（虚拟现实）开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面。在欧洲来说是领先的。英国百时美（Bristol）公司发现，VR应用的交点应集中在整体综合技术上，他们在软件和硬件的某些领域处于领先地位。

29、他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。而欧洲其它一些较发达的国家，比如荷兰、德国、瑞典等也积极进行了VR的研究与应用，下面将分别列出：瑞典的DIVE（分布式虚拟交互环境, Dismounted Infantry in a Virtual Environment），是一个基于Unix操作系统上的，不同节点上的多个进程可以在同一世界中工作的异质分布式系统。荷兰海牙TNO（荷兰应用科学研究组织, The Netherlands Organization）研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境，致力于沉浸。德国在VR的

30、应用方面就取得了出乎意料的成果。在改造传统产业方面，一是用于产品设计、降低成本，以减少新产品开发的风险；二是产品演示，吸引客户用以争取定单；三是用于培训，在新生产设备投入使用前用虚拟工厂培训来提高工人的认知水平和操作水平。如此三项，均与国家经济紧密结合。2008年10月27-29日，在法国举行的ACM协会（美国计算机协会，Association for Computing Machinery，创立于1947年，是世界上第一个科学性及教育性计算机学会）关于Symposi-umonVirtualRealitySoftwareandTechnoogy的大会，整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。三、在

31、日本的研究现状日本虚拟现实技术的发展在世界相关领域的研究中同样具有不可替代的作用。它在建立大规模VR知识库和虚拟现实游戏方面作出了许多突出成就。在东京技术学院的“精密和智能”实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面，称为SpmAR。NEC（日本电气股份有限公司，Nippon Electric Company）公司则开发了一种虚拟现实系统，用代用手来处理CAD（计算机辅助设计，Computer-Aided Design）中的三维形体模型。其用法主要是通过数据手套把对模型的处理与操作者的手联系起来；日本国际工业和商业部产品科学研究院乃是开发了一种采用X、Y记录器的受力反馈装置；东京大学高级科学研究中心的研究重点则主要集中在远程控制方面。而他们最近的研究项目是能够让用户控制远程摄像系统和一个模拟人手的随动机械人手臂的主从系统；东京大学广濑研究室则是重点研究的虚拟现实的可视化问题。他们正在开发一种虚拟全息系统，用于克服当前显示和交互作用技术的局限性；日本奈良尖端技术研究生院大学