本文是一篇工程论文，工程论文的摘要，是对论文研究内容的高度概括，其他人会根据摘要检索一篇硕士学位论文，因此摘要应包括：对问题及研究目的的描述、对使用的方法和研究过程进行的简要介绍、对研究结论的简要概括等内容。摘要应具有独立性、自明性，应是一篇完整的论文。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇工程论文，供大家参考。
第一章 引言
虚拟现实技术以其真实性、交互性、系统性创造了强大的表现力，已经成为近些年来国内外较为热门的研究领域（杨江涛，2015）。本章将阐述虚拟现实中人物设计及场景实现的研究意义和国内外的研究现状，同时就虚拟场景中三维图形实时渲染的真实性与实时性进行探讨。在计算机三维处理能力逐步增强 2 的时代背景下，满足了人物模型及三维动画的快速制作、保证三维图形绘制速度的前提下最大限度提升绘制质量的现实需求。
1.1 选题背景及意义
随着计算机图形技术、网络技术的逐步增强，虚拟现实技术已经成为近些年来国内外较为热门的研究领域。虚拟现实是通过对三维动态实景的构建，从而让用户有真实的感受并沉浸其中，给人以身临其境的真实感。与此同时，逼真的表现出虚拟世界的环境，影响至各行各业，给人带来感官以及视觉的逼真体验。虚拟现实技术如今已广泛应用于影视媒体、娱乐游戏、科研教学、医疗健康、旅游行业、城市规划、房地产、军事航天等各个领域（倪乐波，戚鹏，遇丽娜，等，2010）。虚拟现实技术正慢慢改变着我们生活的各个方面，已在全球范围内产生巨大影响。众所周知，虚拟现实技术应用于各个行业的基础必然是搭建逼真的、实时的三维虚拟环境，以此再现真实的环境。虚拟现实中人物设计及场景实现的研究作为虚拟现实技术的底层核心技术之一，是虚拟现实技术应用的基础和保障，其地位之关键不容置疑。一方面，目前百度地图等 360 度的全景地图中（Will Goldston，2009），虽然视角有 360 度上下左右视角，但是浏览地点是不连续的，降低了用户的体验感，缺乏真正的三维场景；同时，三维建模的实现方式多种多样，除了通常使用的三维动画渲染和制作软件 3ds Max、Maya 等手段，还有采用将一系列照片或扫描数据转化为高分辨率的三维网格模型的建模工具（熊秋波，2010）。不同的建模技术存在着不同的优缺点，如基于图形的建模技术遇到复杂场景构建模型工作量较大、几何模型对应的点线面数据庞大，缺少一套成熟的快速三维建模方法；另一方面，随着计算机软硬件技术的逐步增强，对虚拟现实技术中用户真实感、沉浸感的要求变得更加重要和迫切，即在保证画面帧率 FPS 的前提下，对画面的绘制质量提出了更高的要求。
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1.2 国内外研究现状
国内外虚拟现实技术的研究，主要涉及三个研究领域：通过计算图形的方法建立实时三维视觉效果；建立对虚拟世界的观察界面；利用虚拟现实技术来实现科学计算技术诸方面的应用（杨琳，赵建民，朱信忠，2007）。虚拟现实技术的发源地——美国，几乎代表了这项技术的最高水平，美国的虚拟现实技术可追溯到上世纪的 40 年代。目前，美国在虚拟现实领域的研究应用主要集中在用户界面、感知、硬件和后台软件四个方面。在虚拟现实的应用方面，德国取得了令人惊奇的效果。在传统产业的改造这方面，一是用以产品设计，降低成本，从而避免新产品开发的风险；二是用以产品演示，吸引客户，争取订单；三是用以培训，投入使用新生产设备之前，使用虚拟工厂提高工人的操作水平。虚拟现实技术的发展方面，日本在全世界的相关研究领域中起着举足轻重的作用，日本在建立虚拟现实的游戏和大规模 VR 知识库方面成绩突出。东京技术学院的精密和智能实验室，研究了一款用以建立三维模型的人性化界面—SpmAR；INEC 公司开发研制了一种虚拟现实系统，用于处理 CAD 中的三维形体模型；东京大学在远程控制方面取得一定突破（郭阳明，翟正军，2005）。与部分发达国家相比较，在虚拟现实方面的技术，我国还有很大一段差距。但是，随着计算机系统工程、计算机图形学等技术的飞速发展，虚拟现实技术在我国已经引起高度的重视。根据我国国情，制定了研究虚拟现实技术领域的相关策略，虚拟环境的建立、虚拟现实的研究与应用以及虚拟场景模型分布式系统的开发，正朝向纵深方向发展。现如今，我国已经将研究虚拟现实技术列为国家重点项目，国内的众多研究机构以及高校也已积极投入到虚拟现实技术的研究领域之中，并取得了一定的研究成果。
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第二章 理论背景及关键技术
目前，虚拟现实技术飞速发展，多样化的发展态势逐步显现，其涉及到的领域已经大大扩大。本章将从虚拟现实技术的理论背景出发，对虚拟现实中的建模技术、三维动画制作技术、Unity 3D 引擎渲染及交互技术（张帆，2013）、三维图形绘制技术等进行详实论述，以保证使用关键技术的真实性和科学性。
2.1 虚拟现实技术概述
虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)一词在 1989 年被美国 VPL Research 公司创始人 Jaron Lanier 提出，虚拟现实技术的特点在于可以逼真地再现真实环境并且用户可以介入其中参与各种交互活动。经过近 30 年的飞速发展，虚拟现实同各种技术深入融合、飞速发展和相互促进，目前已在许许多多方面得到了广泛应用，如三维虚拟产品展示、三维校园漫游、三维网络游戏、三维城市展示、古迹复原、桥梁道路设计、工业仿真、城市规划、室内设计、地质灾害、房地产销售、水利电力等众多领域事件的模拟、工作原理展示或情景再现等应用。特别是在近些年来的大背景之下，已经有越来越多的人投身到了虚拟现实的交互设计和展示研究之中，使得展示设计的趋势展现出了由静态向动态演示的过渡、由真实的空间迁移到虚拟环境、由被动观察发展向主动操作（张楠，2011）。
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2.2 虚拟现实特点及分类
虚拟现实技术的突出特点在于：由计算机技术产生一种人造的虚拟三维环境。虚拟三维环境是运用计算机技术构成三维空间，或者把真实的现实环境复制到计算机中从而产生逼真的“虚拟环境”，最终使得用户在多种感官参与的前提下产生沉浸于虚拟环境中的感觉。美国科学家 G.Burdea 和 P.Coiffet（Alexander Riegler, Markus F Peschl KarlEdlinger,et,2001）发表的“Virtual Reality Systems and Application”（虚拟现实系统与应用）一文中提出了虚拟现实的“3I”特性，如下图 2-1 所示。1、交互性（Interaction）。虚拟现实中的交互性技术指的是用户与虚拟环境间运用自然方式展开的交互活动。虚拟现实技术不单单是对周围环境进行的简单模拟，更加重要的是，用户可以与模拟出的这个虚拟环境进行交互。这种交互行为是一种接近于自然的交互，用户不单单可以运用鼠标、键盘、手机陀螺仪等，还可以借助于头盔显示器、数据手套、位置跟踪器等各种专门的三维交互设备与虚拟环境中的对象实现交互。2、沉浸性（Immersion）。体验用户作为主角存在于虚拟环境之中所获得的真实感即为沉浸性，一直被公认为是衡量虚拟现实系统性能的重要尺度，即让体验用户由观察者变为参与者，通过头盔显示器、数据手套等交互设备让用户感觉自己是计算机所模拟出的虚拟环境中的一员。其中，景深、视野、响应时间、交互设备约束程度成为影响沉浸性的关键因素。3、想象性（Imagination）。想象性指的是通过发挥想象力构建超现实虚拟环境。当用户置身于虚拟环境时，随系统的运行状态进而获取多种信息并进行人机交互行为，同时，通过联想、逻辑判断和推理等一系列思维过程，充分发挥想象力的空间，最终构建出超现实的虚拟环境。虚拟现实技术所具备的“3I”特性，使用户作为系统的参与者沉浸在模拟出的三维虚拟环境之中并通过交互行为起着主导的作用。尤其是交互性和沉浸性这两个本质特征，是虚拟现实技术有别于三维动画、可视化及多媒体图形图像等技术最本质的区别。
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第三章 虚拟场景中模型设计及结构优化............ 15
3.1 基于几何绘制方法的 3ds Max 三维场景建模 .... 15
3.2 Iclone 人物建模 ......... 17
3.3 基于图像绘制方法的 Photoscan 三维场景建模........... 20
3.4 不同三维建模平台的比较 ......... 22
3.5 场景建模结构优化 ............ 24
3.6 本章小结 .......... 27
第四章 虚拟场景中细节层次 LOD 模型生成...... 28
4.1 细节层次 LOD 模型生成方法 ............ 28
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4.2 图形绘制质量与绘制速度的最大承受点测试 .... 34
4.3 自适应细节层次 LOD 模型生成机制 ......... 40
4.4 本章小结 .......... 43
第五章 系统实现与测试.... 44
5.1 虚拟场景合成 ........... 44
5.2 人物漫游实现 ........... 46
5.3 交互及碰撞检测的实现 .... 47
5.4 系统测试及发布 ....... 49
5.5 本章小结 .......... 49
第五章 系统实现与测试
本章主要对虚拟场景的合成过程进行了详细阐述，通过 Unity 3D 平台实现了虚拟场景模型载入、人物漫游的控制、物体间碰撞检测及动画控制、系统的测试及发布等功能模块，最终实现了基于 Unity 3D 平台的公园三维漫游，分别发布成.exe 和.apk 可执行文件用于 PC 机和 Android 移动端的三维展示。下面主要就涉及到的部分关键技术进行详细阐述。
5.1 虚拟场景合成
公园的虚拟场景属于中大型场景，三维模型数量较多，在Autodesk 3ds max、Iclone、Photoscan 等三维建模软件中完成人物、建筑物、雕塑、花草树木等模型创建后，需要导入到 Unity 3D 中完成虚拟场景合成工作。3ds Max、Photoscan中可以将模型直接保存为 Unity 3D 平台可识别的 Fbx 格式，Iclone 提供了 3DXChange 的 Fbx 格式导出插件，通过不同平台将三维模型制作完成后都可以无损的导出为 Fbx 文件格式加载到 Unity 3D 平台中（徐敏，童强，2016）。Unity 3D 支持直接拖放的形式导入模型，将需要导入的 Fbx 模型文件直接拖拽到工程目录 Assets 文件夹中即可。通过可视化操作设置三维坐标 Position、旋转角度、比例调整等将三维模型添加到 Scene 场景中合成虚拟场景。其中，对于虚拟场景中重复出现的模型（如树木、垃圾桶等），可以通过创建预设（Prefab）实例化成游戏对象，使得三维模型资源能过被重复使用。该实例与其原始预设体进行关联，当在后期对预设体的属性进行修改时，实例会同步进行修改，方便快捷而且可以提升资源的利用率和开发的效率。在本项目中，公园虚拟环境中创建的一条河流可通过 Unity 3D 的水资源包来实现。通过 Asset→Import package→wate（rbasic）导入水效果资源包（杨雪松，2016），将水体直接拖动到场景窗口中，选择水体后在 Inspector 窗口进行细节的调节即可呈现河流效果。将所有三维模型导入到场景中并调整到满意状态，虚拟场景合成后的部分效果图如下图 5-1、图 5-2、图 5-3 所示。
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总结
本文以基于 Unity 3D 平台的公园漫游项目为依托，以虚拟现实理论及关键技术为基础，深入分析了虚拟现实技术的应用现状，并对虚拟现实中人物设计及场景实现的系列问题进行实现并优化，特别是对快速建模技术、虚拟场景实时性与真实性平衡问题进行了深入探讨，结合 3ds Max、Iclone 等建模软件和 Unity 3D平台设计开发了本系统。同时，针对大规模复杂虚拟场景中三维模型制作效率低、漫游时画面卡顿等问题进行深入研究，提出了一套快速建模实现机制及自适应LOD 算法。论文中主要阐述了以下几方面的内容及相关工作：
（1）系统研究了三维建模的理论、方法和技术，通过不同三维建模平台的分析比较，得出快速搭建虚拟场景的实现机制，减少了建模工作量，提高了建模效率；
（2）在保证三维图形绘制速度的基本前提下，测试不同硬件平台下三维图形绘制质量的最大承受点，分别得出不同硬件平台所能绘制的最大三角面数量；
（3）在三维模型简化相同三角面的情况下，分别从简化算法耗时和简化失真度两方面测试、分析，得出基于边折叠的简化算法更适用于大规模复杂虚拟场景的模型简化。
（4）在基于边折叠的简化算法的基础了，有针对性的提出了基于三角面数量估计的自适应细节层次 LOD 模型生成算法。通过比较最大承受点和预估所需绘制三角面数量的大小关系，动态生成适应于当前帧的细节层次模型，提高了三维图形绘制质量，增加了用户对于真实性和实时性的体验。
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参考文献（略）
