虚拟现实类优秀本科毕设论文.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书资料大小：7.25M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第一章　绪论

1．1选题背景

1．2国内外研究现状

1．3研究意义

1．4研究内容和目标

第二章虚拟现实技术基础

2．1虚拟现实的基本概念

2．2虚拟现实的应用

2．3虚拟现实技术的发展趋势

2．4生成虚拟现实需要解决的问题

第三章　建筑表现与三维虚拟场景的构建

3．1建筑表现的媒介工具

3．2三维虚拟场景建模技术的提出

3．3三维虚拟小区的构建

3．4建模方法和建模软件的介绍与比较

第四章　虚拟小区建立的实践过程

4．1虚拟小区的基本建立

4．2虚拟小区的后期规划

4．3虚拟小区的静态预览

4．4虚拟小区的动态漫游

第五章　总结和展望

参考文献：

致谢：

毕业设计（论文）专用纸基于虚拟现实的虚拟小区建模摘要虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术，是20世纪末兴起的一门跨学科、多层次、多功能的高新技术。借助于虚拟现实技术、地理信息技术、计算机技术等综合应用的虚拟城市，已成为目前虚拟现实技术应用的热门研究方向之一。它是为进行社会交往和交流提供了电脑化、网络化、虚拟化、适人化的新型场所。本文以虚拟城市(小区)建设为切入点，以需求和应用来阐述虚拟现实技术的理论和技术，主要基于Google公司推出的SketchUP建模软件创造一个虚拟仿真的三维环境，人们能够以动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视。可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自由控制浏览的路线。在漫游的过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。不仅为用户提供视觉上的感受，让用户对城市(小区)建设具有感性认识，还可以让其对城市(小区)建设现状和规划设计蓝图有更为生动、客观和理性的了解和认识，从而拓宽了人们的视角，使基础设施设计更加科学化，对于城市(小区)的可持续发展研究也具有重要意义。全文分三个部分，第一部分简要介绍虚拟现实技术的特点及应用，阐述虚拟现实技术的发展趋势，阐明虚拟现实技术需要解决的问题；第二部分回顾已有建筑表现的技术手段，分析并比较虚拟小区场景建模过程中的建模方法和建模软件，为进行小区场景建模过程提供理论依据和技术支持；第三部分结合具体项目建立虚拟场景和漫游场景，充分证明本文提出的虚拟场景建模技术的可行性和有效性。关键词：虚拟现实；虚拟城市(小区)建模；虚拟漫游；Sketch UP Abstract Abstract Abstract Abstract Virtual Reality (Virtual Reality, referred to as VR) technology, the rise of the 20th century, a reality technology, cross-disciplinary, multi-level, multi-functional high-tech. By means of virtual geographic information technology, computer technology, integrated applications, a virtual city, has become a popular application of virtual reality research directions. It is for the purpose of social interaction and exchange of computer, networking, virtualization, suitable for people of the new place. In this paper, the virtual city (district) development as the entry point to the demand and application of virtual reality technology to illustrate the theory and technology, mainly based on Google Inc. launched SketchUP simulation modeling software to create a virtual three-dimensional environment, it can be a dynamic interaction way of the future for immersive building or city comprehensive review. From any angle, distance and level of observation of fine scene; can choose a variety of movement and freedom to switch modes, such as walking, driving, flying, etc., also free to browse the line of control. In the course of roaming, you can also achieve a variety of design options, a variety of environmental effects of the real-time 1

毕业设计（论文）专用纸 switch comparison. Not only provide users with visual feel, so users of city (district) construction of perceptual knowledge, Huan be allowed on the city (district) building blueprints status and planning to have a more vivid, objective and rational understanding and knowledge, so broaden people's perspective, so that more scientific infrastructure design for the city (district) of the Sustainable Development is also important. Paper in three parts, the first part is a brief description of the characteristics of virtual reality technology and applications, described the development trend of virtual reality technology, virtual reality technology to clarify issues to be addressed; second section reviews the performance of existing building techniques to analyze and compare Virtual Cell modeling scene in the modeling methods and modeling software for the modeling scene in the plot provide a theoretical basis and technical support; the third part of specific projects to create a virtual scene and roaming scenarios, sufficient to prove the proposed virtual scene Modeling the feasibility and effectiveness. Keywords : Virtual Reality；Virtual City(district) Modeling；Virtual Roaming；Sketch UP 目录 2

毕业设计（论文）专用纸第一章绪论 1．1 选题背景虚拟城市(小区)是虚拟现实技术应用于城市规划、建筑设计等领域的一种视景仿真的虚拟表达、运行环境和交互界面，是以地理信息技术、虚拟现实技术、计算机技术等的综合应用为基础构造的多维信息空间或网络空间。其前所未有的人机交互性、真实建筑空间立体感、大面积三维地形仿真等特性，都是传统方式所无法比拟的。因为现阶段展示建筑物信息大多使用二维或三维方式，这种方式只能传递建筑物部分属性、提供单一尺度下的建筑物信息，但虚拟现实技术则可以实现展示单体建筑、居住小区甚至整个城市空间等信息，可以让人以不同的俯视、仰视角度去审视或欣赏其外部空间的动感形象，它所产生的融合性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。本文设计思想是，虚拟城市(小区)主要包括城市地面、草地、绿地、树木、道路及其辅助设施和各种类型的房屋，各种生活设施以及各种景观。通过采用虚拟现实的技术手段，反映出虚拟城市(小区)各种实体和各种景观。本文主要将小区分成三大部分进行处理：地形部分；建筑物部分；各种实体部分。地面通过数字高程模型或三角网来表达，房屋的底面高度采用数字地面模型的高度，顶部高度从矢量数据中获取。最后，使人们能够以动态交互的方式对小区的建筑等一系列的基础设施进行身临其境的全方位的审视，为小区的科学化和可持续发展提供研究和发挥作用。 1．2 国内外研究现状把虚拟现实技术应用于建筑领域在国外发展较早，主要以虚拟城市系统方向的研究为主。美国是虚拟现实技术研究的发源地，其虚拟现实研究技术的水平基本上就代表国际虚拟现实发展的水平。目前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。美国洛杉矶和费城的虚拟建筑三维模拟系统被认为是全球最成功的虚拟建筑模拟系统之一。美国北卡罗来纳大学(UNC)研究了用于建筑设计的 Walk-through 虚拟建筑漫游系统，用户可以在虚拟 UNC 计算机系大楼里漫游。西洛杉矶的 Getty 博物馆则采用虚拟现实技术，重建了古罗马帝国时期最宏伟的建筑群——图拉真广场(Forum of Trajan)，使游客有幸亲身体验漫步在图拉真广场之中的感觉。在欧洲，荷兰海牙 TNO 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。德国在 2000 年德国汉诺威世界博览会上，东道主 SIEMENS 公司采用虚拟现实技术制作了虚拟的“21 世纪展望馆”。日本的虚拟现实技术的发展尤其在当前实用研究与开发中居于世界领先位置，它在建立大规模虚拟现实知识库和虚拟现实的游戏方面做出来很大的成就。NEC 公司开发了一种虚拟现实系统，替代用手来处理 CAD 中的三维形体模型。因为虚拟现实技术是一项投资大，具有高难度的科技领域，和一些发达国家相比，我国在技术 3

毕业设计（论文）专用纸和研究上还有一定的差距。在 20 世纪 90 年代，虚拟现实技术发展很快，各种开发虚拟现实设备或系统的公司成立，但虚拟现实离实际应用仍很远，已有的成果大多只能称为演示。随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用虚拟现实技术，建立虚拟环境，虚拟场景模型分布式虚拟现实系统的开发正朝着深度和广度发展。国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目，国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。浙江大学和敦煌研究院于 1998 年开始实施国家自然科学基金委“敦煌壁画多媒体复原”项目，实现敦煌莫高窟壁画虚拟漫游。由故宫博物院和日本陶版印刷公司联合开发的“数字紫禁城”，第一版已作为电影面向公众放映。武汉大学开发的数码城市系统，可以实现三维城市模型快速重建、大范围海量数据动态装载以及多种类型空间数据有效组织和管理。 1．3 研究意义虚拟城市(小区)能够将现代城市(小区)每一个角落的信息收集、整理、归纳，并按照地理坐标建立完整的信息模型，再用网络连接起来，从而使每个人都能快速、完整、形象的了解城市(小区) 过去、现状和未来的宏观和微观的各种情况，并充分发挥这些数据的作用，从而实现跨行业综合基础数据共享。通过虚拟城市(小区)能够使城市地理、资源、环境、生态、人口、经济、社会等复杂系统实现可视化、虚拟化、网络化，从而使城市(小区)规划具有更高的效率、更丰富的表现手法、更多的信息量，并提高城市(小区)建设的时效性、城市(小区)管理的有效性，促进城市(小区)的可持续发展。本文讨论的是基于虚拟现实的虚拟小区的建立，属于虚拟现实技术、地理信息技术、计算机技术和城市规划结合的研究范畴。通过参考城市规划方面的相关书籍，了解城市(小区)的建筑结构特征，以达到小区场景的逼真建模。让用户完全沉浸在虚拟世界当中，更为直观的了解小区的建筑物等一系列基础设施建模，可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自由控制浏览的路线。还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换漫游比较。不仅为用户提供视觉上的感受，让用户对城市(小区)建设具有感性认识，还可以让其对城市(小区)建设现状和规划设计蓝图有更为生动、客观和理性的了解和认识，以达到拓宽人们的视角，使基础设施设计更加科学化的目的，同时为城市(小区)的可持续发展研究提供依据。 1．4 研究内容和目标把握国内、外虚拟现实技术的发展趋势，主要利用 Sketch Up 建模软件的优势，研究虚拟城市(小区)的虚拟建模技术。 4

毕业设计（论文）专用纸利用当前先进的数字化建模工具，完成相关的小区、道路、房屋、植被等虚拟物体，建造一个富有真实感和交互性的虚拟小区场景，建立漫游互动功能，使用户可以按第一人称进入虚拟场景，自由视点控制、任意路径漫游，并实现虚拟场景交互等操作，为用户呈现出更为生动、客观和理性的虚拟小区场景。第二章虚拟现实技术基础 2．1 虚拟现实的基本概念 “虚拟现实”(Virtual Reality，简称 VR)是 1989 年美国的 Jaron Lanier 教授(后来曾是专做 VR 产品的 VPL 公司董事长）首先提出的，国内也有人译为“灵境”、“幻真”等。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。在虚拟现实技术的不断发展中，对它的研究涉及到计算机等相关多学科内容的交叉与综合，这种复杂性使得它至今尚没有确定的定义。简单的顾名思义，它可理解为通过建立虚拟环境，使人感觉犹如处在现实环境一样。目前比较公认的精确定义是：采用以计算机技术为核心的现代高科技技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特点范围的虚拟环境(Virtual Environment，VE)，用户借助必要的设备(如特制的服装、头盔、手套和鞋) 以自然的方式与虚拟环境中的实体对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体会。虚拟现实技术的本质是将不可视的想象力变成有形体构成的场景，强调的是逼真性和视觉的可视性，其基本特征是它的 3I 特性 (如图 2-1 所示 )，即沉浸 (Immersion)特性、交互 (Interaction)特性、想象(Imagination)特性。 5

毕业设计（论文）专用纸图 2-1 虚拟现实技术的基本特征沉浸感(Immersion)是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，理想的虚拟环境，应该达到使用户难以分辨真假的程度 (例如可视场景应随着视点的变化而变化)，甚至超越真实，如实现比现实更逼真的照明和音响效果。交互性 (Interaction)是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时候手有触摸感，并可以感觉物体的重量，场景中被抓的物体也立即随着手的移动而移动。想象力(Imagination)是指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和认知能力全方位的获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。虚拟现实是多种技术的融合，其关键技术和研究内容主要包括以下几个方面： ①环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心部分，环境建模的目的获取实际三维环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。 ②立体声合成和立体显示技术。在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部动作的相关性已成为声学专家们的研究的热点。同时，虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。 ③触觉反馈。在虚拟现实系统中，产生身临其境效果的关键因素之一是让用户能够直接操作虚拟物体并让用户感觉到虚拟物体的反作用力。然而研究力学反馈装置是相当困难的，如何解决现有高精度装置的高成本和大重量是一个进一步需要研究的问题。 ④交互技术。虚拟现实的人机交互远远超出了鼠标和键盘的传统模式。三维交互技术已经成为计算机图形学的重要研究课题。此外，语音识别与语音输入也是虚拟现实系统一种重要的人机交互手段。 ⑤系统集成技术。由于虚拟现实系统中包含大量的感知信息和模型，因此系统的集成起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、识别和合成技术等等。虚拟现实技术包括沉浸式和非沉浸式虚拟现实技术。一般认为理想的虚拟环境应具有沉 6

毕业设计（论文）专用纸浸感、交互性和感知视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多种信息的能力。另外，虚拟环境中的物体应该具有按一定规则活动的能力，即具有 “自主性”。沉浸式虚拟现实技术是通过一些特殊的外部设备来实现的，如头盔式三维立体显示器 (视觉)、数据手套(触觉)、立体声耳机(听觉)等输入输出设备和高性能计算机以及相应的软件。操作者可以得到真实的立体感，并可以使用自然技能，对虚拟世界进行交互，使人完全沉浸在计算机创造的图形世界里，犹如感受真实世界。非沉浸式虚拟现实技术，则通过传统的外设，主要是依赖软件技术来实现的，其特点是经济、方便。利用非沉浸式虚拟现实技术实现的桌面型虚拟现实系统由于成本较低，使用比较普及。 2．2 虚拟现实的应用（1）虚拟现实在城市规划中的应用城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益。展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的 “再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。加快设计速度运用在虚拟现实系统中，可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金，提供合作平台。虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。有效的合作是保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。加强宣传效果对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。（2）虚拟现实在地理中的应用应用虚拟现实技术，将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起，再现城市建筑及街区景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，满足数字城 7

毕业设计（论文）专用纸市技术由二维 GIS 向三维虚拟现实的可视化发展需要，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。电子地图技术是集地理信息系统技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。电子地图是一种以可视化的数字地图为背景，用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品，它可以存贮于计算机外存，以只读光盘、网络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供大众使用。由于电子地图产品结合了数字制图技术的可视化功能、数据查询与分析功能以及多媒体技术和虚拟现实技术的信息表现手段，加上现代电子传播技术的作用，它一出现就赢得了社会的广泛兴趣。 2．3 虚拟现实技术的发展趋势随着虚拟现实技术在城市规划、地理等方面应用的不断深入，在建模与绘制方面、交互方式和系统构建方法等方面，对虚拟现实技术都提出来更高的需求。为了满足这些新的需求，近年来，虚拟现实相关技术研究遵循“低成本、高性能”原则取得了快速发展，表现出一些新的特点和发展趋势。主要表现在以下方面：（1）动态环境建模技术虚拟环境的建立是 VR 技术的核心内容，动态环境建模及技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。（2）实时三维图形生成和显示技术三维图形的生成技术已比较成熟，而关键是如何“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR 还依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的虚拟设备还不能满足系统的需要，有必要开发新的三维图形生成和显示技术。（3）适人化、智能化人机交互设备的研制虽然头盔和数据手套等设备能够增强沉浸感，但在实际应用中，它们的效果并不好，并未达到沉浸交互的目的。采用人类最为自然的视觉、听觉、触觉和自然语言等作为交互的方式，会有效地提高虚拟现实的交互性效果。（4）大型网络分布式虚拟现实的研究与应用网络虚拟现实是指多个用户在一个基于网络的计算机集合中，利用新型的人机交互设备介入计算机，产生多维的、适用于用户(即适人化)应用的、相关的虚拟情境环境。分布式虚拟环境系统除了满足复杂虚拟环境计算的需求外，还应满足分布式仿真与协同工作等应用对共享虚拟环境的自然需求。分布式虚拟现实可以看做是基于网络的虚拟现实系统，是可供多用户同时异地参与的分布式虚拟环境，处于不同地理位置的用户如同进入到同一个真实环境中。 8

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