虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論 課件 梁曉輝 第5、6章 虛擬現(xiàn)實(shí)前沿性方向、Unity開發(fā)實(shí)例-VR電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論第5章虛擬現(xiàn)實(shí)前沿性方向本講大綱6.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)6.2智能化建模與渲染方法6.3智能化建模例——基于深度學(xué)習(xí)的流體建模6.4智能化渲染例——三維積云的可微渲染5.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)構(gòu)成要素視/聽/觸/味/嗅位置/姿態(tài)/操作用戶/操作者真實(shí)環(huán)境虛擬環(huán)境化身化身化身真實(shí)環(huán)境現(xiàn)實(shí)世界/對象

建模增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)三維注冊——真實(shí)、虛擬空間配準(zhǔn)虛實(shí)融合——真實(shí)、虛擬空間合成人機(jī)交互——顯示、界面增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一個(gè)典型的AR系統(tǒng)由虛擬場景發(fā)生器、透視式頭盔顯示器、實(shí)現(xiàn)用戶觀察視線跟蹤的頭部方位跟蹤設(shè)備、虛擬場景與真實(shí)場景對準(zhǔn)的跟蹤定位設(shè)備和交互設(shè)備構(gòu)成。視頻透射式頭盔原理視頻透射式頭盔顯示器的優(yōu)點(diǎn)包括：合成景象的靈活性較寬的視野時(shí)間延時(shí)的匹配光強(qiáng)度的匹配等。光學(xué)透射式頭盔原理光學(xué)透視式頭盔顯示器的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格較便宜分辨率較高較為安全不能存在視點(diǎn)的偏差等。跟蹤注冊技術(shù)基于跟蹤器跟蹤用戶頭部的方位：主要采用的跟蹤器包括電磁跟蹤器、慣性跟蹤器、測距儀、超聲波定位儀、全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS）等?；旌细欁裕褐覆捎貌煌N類的跟蹤設(shè)備，取長補(bǔ)短共同完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的注冊任務(wù)。目前常采用的硬件跟蹤設(shè)備包括機(jī)械、電磁、光電、慣性跟蹤器、超聲波、陀螺儀、GPS等?；旌细欁裕褐覆捎貌煌N類的跟蹤設(shè)備，取長補(bǔ)短共同完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的注冊任務(wù)。目前常采用的硬件跟蹤設(shè)備包括機(jī)械、電磁、光電、慣性跟蹤器、超聲波、陀螺儀、GPS等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系虛擬現(xiàn)實(shí)綜合了建模技術(shù)、渲染技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)等，使得用戶從感官效果上沉浸在一個(gè)虛擬環(huán)境中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則主要借助顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等將計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境或物體與用戶周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，使用戶從感官效果上分辨不出虛擬和真實(shí)的部分。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)系虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沉浸感隔離現(xiàn)實(shí)環(huán)境不僅不隔離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，還強(qiáng)調(diào)用戶在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的存在感，并努力維持用戶視聽覺等感官效果的不變形注冊無AR技術(shù)相較而言要求較低，蓋因其主要是在充分利用周圍業(yè)已存在的真實(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)上擴(kuò)充一些附加信息，這就大大降低了對計(jì)算能力的要求系統(tǒng)計(jì)算能力較高AR技術(shù)相較而言要求較低，蓋因其主要是在充分利用周圍業(yè)已存在的真實(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)上擴(kuò)充一些附加信息，這就大大降低了對計(jì)算能力的要求增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用AR技術(shù)主要利用附加信息去增強(qiáng)使用者對真實(shí)世界的感官認(rèn)識(shí)。其應(yīng)用側(cè)重于輔助教學(xué)與培訓(xùn)、輔助醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、輔助軍事偵察、輔助精密儀器制造與維修、遠(yuǎn)程機(jī)器人控制等領(lǐng)域。5.2智能化建模與渲染方法智能化建模智能化建模在CAD/CAE以及其他相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域一直是研究熱點(diǎn)。通過參數(shù)化或者非參數(shù)化的方法構(gòu)造虛擬對象的外觀模型，同時(shí)定義其表面材質(zhì)等光度屬性，為后續(xù)渲染提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)從二維圖像域拓展到三維空間域，基于學(xué)習(xí)的建模方法正成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)心的話題。智能化形狀建模顯式表示方法：一般是指將虛擬對象表示為點(diǎn)云或多邊形網(wǎng)格等形式。其中，多視角圖像是三維幾何模型的一種有效表示方式。利用多視角深度圖像或利用多視角圖像生成虛擬對象的外表面，可以有效地實(shí)現(xiàn)虛擬對象幾何模型的重建。隱式表示方法：基于圖像的視點(diǎn)合成是構(gòu)建虛擬場景的經(jīng)典技術(shù)之一。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為幾何模型的隱函數(shù)，可以達(dá)到不同的應(yīng)用目的，如新視點(diǎn)生成、虛擬視角生成以及重光照等。智能化物理建模人體運(yùn)動(dòng)建模：主要是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)幀的合成。柔性體建模：主要思想是利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行虛擬對象的變形流體建模：隨著人工智能技術(shù)的深入發(fā)展，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)能力，被廣泛應(yīng)用至計(jì)算機(jī)圖像分類、語音識(shí)別、流體細(xì)節(jié)合成等研究領(lǐng)域。其穩(wěn)定的、高效的計(jì)算模式，為計(jì)算機(jī)流體模擬提供了一種新的問題解決途徑。智能化渲染虛擬場景真實(shí)感繪制是通過計(jì)算機(jī)模擬光線在3D場景中傳播的物理過程，將設(shè)計(jì)人員創(chuàng)作的由視點(diǎn)、光源、三維幾何、動(dòng)畫、材質(zhì)等組成的鏡頭轉(zhuǎn)化為高度真實(shí)感的連續(xù)幀畫面。全局光照模擬了光線在場景中傳播的過程，對繪制真實(shí)感具有至關(guān)重要的作用。計(jì)算全局光照的核心在于繪制方程，該方程計(jì)算光束和三維物體的交互過程中的能量傳遞，具有全局性、遞歸性等特點(diǎn)，可以使整個(gè)虛擬場景在光照傳播過程中保持能量守恒。智能化全局光照計(jì)算全局光照算法同時(shí)考慮了直接來自光源的光線（直接光照）和經(jīng)過其他表面反射的光線（間接光照）。使用全局光照算法可以模擬現(xiàn)實(shí)生活中的大部分光照效果，如陰影、環(huán)境遮擋、反射、焦散、次級表面散射等現(xiàn)象。然而，全局光照計(jì)算十分耗時(shí)，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加速計(jì)算是目前的研究熱點(diǎn)。智能化全局光照計(jì)算——基于預(yù)計(jì)算輻照度的間接光照計(jì)算在使用RRF進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制時(shí)首先進(jìn)行直接光照的計(jì)算，并在計(jì)算直接光照的同時(shí)，獲取每個(gè)表面點(diǎn)的屬性然后由基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RRF模型計(jì)算得到每個(gè)表面點(diǎn)的間接光照信息，并與計(jì)算的直接光照信息進(jìn)行合成，得到最終的全局光照結(jié)果。該方法可以實(shí)時(shí)渲染出帶有全局光照效果的512×512分辨率的結(jié)果圖片，并保持每秒渲染30幀以上的速度，可有效渲染出包括焦散、高頻的反射、間接硬陰影等復(fù)雜的光照效果。但是該方法只適用于靜態(tài)幾何場景，允許光源和視點(diǎn)變化。智能化全局光照計(jì)算——基于學(xué)習(xí)的路徑指導(dǎo)傳統(tǒng)路徑跟蹤或者雙向路徑跟蹤方法，在進(jìn)行BSDF或者光源采樣時(shí)，通常只考慮到局部的信息，而沒有考慮到全局的信息，因此導(dǎo)致在復(fù)雜光路時(shí)，得到一些對整體貢獻(xiàn)較少的路徑，從而使得繪制噪聲較大。路徑指導(dǎo)則是通過一定的方式來獲取光路中的更多全局信息，并且根據(jù)這些信息來指導(dǎo)重要性采樣，從而達(dá)到減少噪聲的目的。使用機(jī)器學(xué)習(xí)或統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法優(yōu)化光路傳輸也是實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算全局光照效果的途徑之一。智能化全局光照計(jì)算——光照采樣算法的優(yōu)化利用大規(guī)模數(shù)據(jù)集，針對首次反彈入射輻射場的自適應(yīng)采樣和重建訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效優(yōu)化現(xiàn)有光照采樣算法的時(shí)間性能。例如，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(DRL)的質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)(Q-network)預(yù)測和指導(dǎo)自適應(yīng)采樣過程，利用基于4D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建網(wǎng)絡(luò)(R-network)重構(gòu)4D空間中的入射輻射場。智能化參與性介質(zhì)繪制在真實(shí)場景中，隨時(shí)可見各式各樣的參與性介質(zhì)（如蠟燭，牛奶，橄欖油，煙霧等），光線在參與介質(zhì)中傳遞時(shí)會(huì)被吸收或者發(fā)生散射。為了模擬介質(zhì)中的散射現(xiàn)象，需要花費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間。近年來，有學(xué)者提出使用蒙特卡洛積分和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來高效地繪制大氣云(radiance-predictingneuralnetworks，RPNN)。該方法從大量樣本中提取采樣點(diǎn)對應(yīng)的相關(guān)著色位置和光源的幾何信息，再將這些信息輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以得到最后的輻射度。5.3智能化建模例——基于深度學(xué)習(xí)的流體建模算法思想速度場與壓力場在流體仿真的過程中驅(qū)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)，而密度場則更加容易觀測以及被人類感知。使用基于學(xué)習(xí)的流體建模方法時(shí)，直接擬合密度場較為困難，蓋因流體作為不定形物體，不存在較強(qiáng)的形狀先驗(yàn)知識(shí)。使用散度場作為輸入，利用CNN擬合壓力場的方法進(jìn)行流體建模。整個(gè)算法大致分為流體建模數(shù)據(jù)集的構(gòu)建，以及CNN流體求解模型的構(gòu)建與訓(xùn)練等兩部分。流體建模主要圍繞三大變量進(jìn)行：密度場、速度場、壓力場。算法實(shí)現(xiàn)使用隨機(jī)的小波湍流噪聲(waveletturbulentnoise)初始化空間中的速度場；在空間中隨機(jī)放置的基本幾何體與真實(shí)世界中常見的物體作為障礙物；在仿真時(shí)在空間中隨機(jī)添加局部噪聲；在仿真空間中的隨機(jī)位置添加隨機(jī)大小，隨機(jī)強(qiáng)度并且發(fā)射時(shí)間隨機(jī)的速度源以增加仿真空間的擾動(dòng)。①流體建模數(shù)據(jù)集的構(gòu)建算法實(shí)現(xiàn)使用0.125s作為時(shí)間迭代步長總共進(jìn)行256幀的仿真，每8幀記錄一次當(dāng)前的流體狀態(tài)。記錄的信息包括：流體當(dāng)前狀態(tài)的速度場、壓力場、空間障礙物的信息。對于2D仿真數(shù)據(jù)生成，設(shè)置仿真空間分辨率為256×256，一共生成320個(gè)流體仿真場景，每個(gè)場景64個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，總大小為26GB。對于3D仿真數(shù)據(jù)生成，設(shè)置仿真空間分辨率為64×64×64，一共生成320個(gè)流體仿真場景，每個(gè)場景64個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，總大小為450GB。②流體仿真數(shù)據(jù)生成算法實(shí)現(xiàn)

③基于CNN的流體建模算法實(shí)現(xiàn)③基于CNN的流體建模算法實(shí)現(xiàn)④網(wǎng)格計(jì)算過程計(jì)算輸入的散度場????_??????的標(biāo)準(zhǔn)差，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差將輸入的散度場進(jìn)行歸一化；將輸入的歸一化散度場以及虛擬場景中障礙物的標(biāo)記矩陣分別進(jìn)行2倍與4倍的下采樣，并使用共享參數(shù)的卷積子網(wǎng)絡(luò)convsubnet1對其進(jìn)行處理；為對多尺度網(wǎng)絡(luò)的輸出分別進(jìn)行1倍，2倍，4倍的上采樣到輸入的大小并通過第二個(gè)子卷積網(wǎng)絡(luò)convsubnet2得到歸一化的輸出結(jié)果；對歸一化的壓力場輸出結(jié)果使用網(wǎng)絡(luò)輸入時(shí)歸一化參數(shù)進(jìn)行還原，獲得與輸入量級相匹配的壓力場預(yù)測結(jié)果。算法實(shí)現(xiàn)⑤優(yōu)化目標(biāo)

算法實(shí)現(xiàn)⑥訓(xùn)練設(shè)置對于2D流體建模網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，使用batchsize為64，并對數(shù)據(jù)集進(jìn)行200輪訓(xùn)練，學(xué)習(xí)速率設(shè)置為5e-5，訓(xùn)練時(shí)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)自糾偏算法的概率為0.9。對于邊界條件位置的損失函數(shù)加權(quán)值k設(shè)置為2。流體的迭代步長為0.1s，并在128×128的空間中進(jìn)行訓(xùn)練。對于3D流體建模網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，仿真訓(xùn)練的分辨率降為64×64×64，并且batchsize設(shè)置為32。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)率設(shè)置為5e-3，其余參數(shù)不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果——2D流體建模結(jié)果展示與分析下圖分別展示了使用傳統(tǒng)PCG流體求解器和使用本節(jié)算法，在相同仿真條件下對流體的建模結(jié)果。第一行的三幅子圖分別展示了密度場，x方向速度場，y方向速度場圖像。第二行的兩幅子圖分別是壓力場圖與散度場圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果——2D流體建模結(jié)果展示與分析下圖展示了在遇到正方形障礙物之后的流體建模結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果——3D流體建模結(jié)果展示與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果——建模效率基于深度學(xué)習(xí)的流體建模的最大優(yōu)勢在于時(shí)間效率。下表展示了基于CNN的方法與傳統(tǒng)PCG流體求解的速度對比?；谏疃葘W(xué)習(xí)的方法在2D與3D建模任務(wù)中相比傳統(tǒng)方法都取得了巨大的進(jìn)步建模維度PCG流體求解器建?？倳r(shí)間深度學(xué)習(xí)方法建?？倳r(shí)間2D（128×128）0.04s（25fps）0.006s（180fps）3D（64×64×64）0.3s（3fps）0.0125s（80fps）5.4智能化渲染例——三維積云的可微渲染積云渲染輻射傳輸方程空氣中特定粒子的物理屬性決定了它與光線的相互作用效果，不同的粒子作用效果也不同。通常，光線在云層中發(fā)生常見的物理作用主要有三種：吸收、外散射和內(nèi)散射。積云渲染輻射傳輸方程積云渲染輻射傳輸方程光子穿過云層時(shí)，它的能量會(huì)被吸收一部分，這部分被吸收的能量沿著ω方向的變化量在單位距離的微分形式如下所示：

積云渲染輻射傳輸方程積云渲染模型在單位路徑z下的微分形式：將某一點(diǎn)的微分形式轉(zhuǎn)化成路徑的積分形式：積云渲染輻射傳輸方程一束光線經(jīng)過參與性介質(zhì)，從??_??處射出，經(jīng)過上述的物理作用之后射出的輻射強(qiáng)度遵循比爾定律：

算法思想可微渲染的本質(zhì)是傳統(tǒng)圖形渲染的逆向過程，其核心任務(wù)是構(gòu)建渲染圖像與模型參數(shù)之間的關(guān)系算法實(shí)現(xiàn)多次前向散射過程如所示。給定初始渲染參數(shù)，首先通過預(yù)計(jì)算得到逐網(wǎng)格的散射強(qiáng)度計(jì)算量，然后利用光線行進(jìn)法進(jìn)行逐像素的強(qiáng)度計(jì)算，最終得到渲染圖像。①積云的正向渲染算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算單次散射項(xiàng)。單次散射模擬光源經(jīng)過介質(zhì)在單一方向上的散射①積云的正向渲染算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算多次散射項(xiàng)。利用輻射傳輸?shù)臄U(kuò)散理論，可將光線的多次前向散射強(qiáng)度表示為泰勒展開式的前兩項(xiàng)：①積云的正向渲染算法實(shí)現(xiàn)光線行進(jìn)法。對積云渲染任務(wù)，首先定義了一個(gè)固定體積的積云密度場，然后利用從視點(diǎn)出的光線Ray與包圍盒求交點(diǎn)，前交點(diǎn)和后交點(diǎn)分別相交于體積的前后兩側(cè)，路徑為兩個(gè)交點(diǎn)之間的距離，按照固定步長一步一步往前計(jì)算亮度，并將亮度進(jìn)行累加。①積云的正向渲染算法實(shí)現(xiàn)逆向渲染的目標(biāo)是通過渲染得到的圖像推斷原始三維場景的幾何、光照、紋理、材質(zhì)、運(yùn)動(dòng)等信息。對積云這種參與介質(zhì)的渲染，主要需要推斷的參數(shù)包括光源強(qiáng)度、光源顏色、介質(zhì)密度、吸收項(xiàng)系數(shù)、散射項(xiàng)系數(shù)等5個(gè)。這也是正向過程渲染中需要的初始參數(shù)?？蓪?dǎo)性、連續(xù)性是可微渲染的必要條件，算法的關(guān)鍵就在于如何解決體渲染的不可導(dǎo)問題。②積云的逆向渲染算法實(shí)現(xiàn)

②積云的逆向渲染算法實(shí)現(xiàn)單次散射項(xiàng)的導(dǎo)數(shù)求解多次散射項(xiàng)的導(dǎo)數(shù)求解②積云的逆向渲染算法實(shí)現(xiàn)下式表示了渲染參數(shù)的優(yōu)化過程：③優(yōu)化目標(biāo)

算法實(shí)現(xiàn)算法渲染的三維體數(shù)據(jù)規(guī)模為64×64×96，渲染出的二維圖像的分辨率為512×512，每個(gè)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化迭代次數(shù)為100次。本文使用的煙霧數(shù)據(jù)是基于物理的模擬生成的，其余模型來自斯坦福掃描模型，并使用Binvox工具轉(zhuǎn)換為體素，并生成三維密度場數(shù)據(jù)。④實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)結(jié)果①正向渲染可以看出，所設(shè)計(jì)的正向渲染模塊能夠較好地保留細(xì)節(jié)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果①正向渲染可以看出，除第一次求解需要5.3s外，平均求解速度為1.83s。相比基于蒙特卡洛估計(jì)的體渲染，渲染效率得到顯著提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果②逆向渲染給定目標(biāo)圖像后，所設(shè)計(jì)的逆向渲染經(jīng)過100輪次的迭代，已經(jīng)可以很好地逼近真實(shí)的圖像。逆向渲染對于場景參數(shù)優(yōu)化的效率也較高，平均100輪次迭代之后基本可以得到最終優(yōu)化結(jié)果，總優(yōu)化時(shí)間在100秒以內(nèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)論第6章Unity開發(fā)實(shí)例——VR電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)本講大綱6.1Unity簡介6.2

VR電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3

VR電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6.1Unity簡介Unity3D優(yōu)勢及特點(diǎn)Unity一次開發(fā)即可針對iPhone、Android、Web、Windows、MacOSX、Wii、PS3、XBox360的平臺(tái)直接輸出產(chǎn)品，而無需進(jìn)行二次開發(fā)和移植。Unity系統(tǒng)概述Unity系統(tǒng)組成系統(tǒng)由應(yīng)用層、展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)層以及基礎(chǔ)層6部分組成。Unity開發(fā)流程Unity開發(fā)特點(diǎn)高逼真感渲染引擎延遲渲染內(nèi)置shader統(tǒng)一的著色系統(tǒng)全屏后處理效果表面著色渲染底層接管控制動(dòng)態(tài)貼圖融合高效的光影圖、創(chuàng)建和控制全局照明、天空燈、以及自定義的發(fā)光材質(zhì)逼真的自然景觀。地形、樹木、灌木、巖石物理引擎NVIDIA?PhysX?次世代物理引擎，生動(dòng)真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象布料模擬互動(dòng)性質(zhì)的布皮膚性質(zhì)的布柔體物理體剛體物理體關(guān)節(jié)模擬車輪運(yùn)動(dòng)模擬開發(fā)方式Unity3D操作極為簡單、直觀，操作基本上和主流的3D軟件一致。在程序方面使用自帶的MoNoDevelop編輯器，使用C#或者JavaScript等高級語言實(shí)現(xiàn)腳本功能，使作為開發(fā)者來說無需掌握底層復(fù)雜的腳本語言。即使不使用腳本開發(fā)也能快速的開發(fā)出具有高性能、高品質(zhì)的游戲以及虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品。工程向?qū)姘骞こ涛募篣nity工程文件中存儲(chǔ)了我們開發(fā)游戲所需要的資源、場景等相關(guān)資源。當(dāng)我們打開Unity的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)ProjectWizad面板。這里是要求我們創(chuàng)建一個(gè)工程文件。工程文件存儲(chǔ)地址需要導(dǎo)入的資源包Unity編輯器結(jié)構(gòu)編輯器中的5大視圖：Project視圖、Hierarchy視圖、Inspector視圖、Sence視圖Game視圖以及標(biāo)題欄、菜單欄和工具欄。Sence視圖Game視圖Hierarchy視圖Project視圖Inspector視圖標(biāo)題欄菜單欄工具欄Unity腳本Unity支持：JavaScript，C＃和PythonBOO。這三種語言的運(yùn)行效率一樣的快速。并且都支持?jǐn)?shù)據(jù)庫，正則表達(dá)式，XML，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫的開發(fā)。腳本與Unity中其他組件相同，都必須綁定在游戲?qū)ο笾胁拍軋?zhí)行它的生命周期。Unity中默認(rèn)使用的是MonoDevelop腳本編輯器，同時(shí)我們也可以選擇其他常用的腳本編輯器進(jìn)行腳本編寫。例如：MicrosoftVisualStudio系列等。選擇Edit-Preferences-ExternalTools，點(diǎn)擊Browes即可選擇其他腳本編輯器。C#面向?qū)ο缶幊痰乃枷敫臃蟯nity引擎原理并且與大多流行插件、硬件可以進(jìn)行完美對接。所以在日常開發(fā)過程中大多使用C#語言進(jìn)行開發(fā)。接下來我們將以C#語言對unity腳本進(jìn)行講解。基于繪制引擎的VR應(yīng)用程序(漫游)構(gòu)造過程場景數(shù)據(jù)庫模型加載模型控制面及控制參數(shù)非碰撞實(shí)體表面定義場景調(diào)度

碰撞檢測地形匹配實(shí)體操縱輸入映射與解釋

狀態(tài)設(shè)置

視點(diǎn)控制

交互設(shè)計(jì)

二維地圖

特殊效果外部輸入DOF實(shí)體約束

系統(tǒng)狀態(tài)控制機(jī)制外部輸入（包括各種傳感器輸入及可能的網(wǎng)絡(luò)命令等）狀態(tài)設(shè)置：用于定制漫游系統(tǒng)，在漫游過程中打開/關(guān)閉漫游引擎提供的某些功能，包括設(shè)置特殊效果以及是否使用二維地圖向?qū)?。視點(diǎn)控制：控制漫游系統(tǒng)中觀察相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，在相機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，完成場景調(diào)度控制、碰撞檢測與響應(yīng)、地形匹配等功能。交互設(shè)計(jì)：在漫游過程中進(jìn)行簡單的虛擬場景動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)。實(shí)體操縱：對虛擬環(huán)境中的實(shí)體實(shí)施選擇、操縱。如開/關(guān)門窗等。漫游引擎的狀態(tài)機(jī)制通用漫游框架中定義的絕大多數(shù)功能都被定義為可選擇項(xiàng)，也就是說，漫游者可以根據(jù)自己的需要打開或關(guān)閉某些功能，如開/關(guān)霧化效果、開/關(guān)二維地圖、決定是否進(jìn)行碰撞檢測、選擇透明處理方式等。另一方面，漫游者還可以對漫游系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，比如觀察相機(jī)的初始位置、相機(jī)行進(jìn)的速度步長、轉(zhuǎn)角的步長、系統(tǒng)模擬的氣候條件（晴、多云、陰）、時(shí)段（早晨、中午、傍晚）等。輸入設(shè)備映射鍵盤鼠標(biāo)游戲桿步行器傳感器用戶控制指令視點(diǎn)控制相機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)映射解釋視點(diǎn)控制模型walker_heighteye_height行走相機(jī)觀察相機(jī)v_p1v_p0v_p2w_p1w_p0w_p2step-step

漫游引擎的狀態(tài)機(jī)制場景調(diào)度控制碰撞檢測與響應(yīng)地形匹配技術(shù)二維地圖漫游向?qū)б勒沼?jì)算機(jī)圖形學(xué)正投影的原理，將三維場景模型“壓縮”到一個(gè)平面上，然后運(yùn)用相機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)地圖的顯示、縮放以及二維與三維視點(diǎn)的同步運(yùn)動(dòng)基于霧化效果的恒定幀頻技術(shù)6.2VR電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用層及展示層應(yīng)用層采用主流PC主機(jī)和HTC或HP主流VR頭顯產(chǎn)品。主要完成以下功能：培訓(xùn)人員通過學(xué)習(xí)模式觀看視頻、文檔資料學(xué)習(xí)電力知識(shí)，通過訓(xùn)練模式在VR虛擬場景中進(jìn)行電力操作培訓(xùn)，同時(shí)具有對培訓(xùn)人員進(jìn)行電力知識(shí)及操作考核的功能，所有信息均載入數(shù)據(jù)庫，以方便管理員及教練實(shí)時(shí)查詢信息并管理。展示層采用Unity渲染管線技術(shù)和PBR（PhysicallyBasedRendering）物理渲染流程，構(gòu)建一種高度沉浸式的體驗(yàn)，使培訓(xùn)人員置身于虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬訓(xùn)練。業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)表單設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)層由以下6個(gè)模塊構(gòu)成。教員端。供教練或培訓(xùn)導(dǎo)師使用，用于創(chuàng)建、管理和監(jiān)控培訓(xùn)課程；學(xué)員端。供學(xué)員學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、考試使用；VR培訓(xùn)端。VR培訓(xùn)的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)體驗(yàn)；VR考試端。通過VR考試評估學(xué)員的知識(shí)和技能；系統(tǒng)后臺(tái)。用于管理整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行和配置；系統(tǒng)日志。用于記錄系統(tǒng)操作、用戶活動(dòng)和錯(cuò)誤日志。數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)層采用MySQL數(shù)據(jù)庫以及UnityRPC（RemoteProcedureCall）技術(shù)。MySQL是一種流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，適用于中小規(guī)模應(yīng)用程序和項(xiàng)目。Unity中，RPC允許不同的游戲?qū)ο笤诰W(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信和交互。通過使用Unity的網(wǎng)絡(luò)功能，可以在多個(gè)客戶端之間發(fā)送RPC消息?；A(chǔ)層采用SteamVR和VRTK（VirtualRealityToolkit）工具包。SteamVR是由ValveCorporation開發(fā)，支持多種虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯和控制器。VRTK是使用Unity進(jìn)行VR交互開發(fā)的工具，它包含交互組件、導(dǎo)航工具、事件系統(tǒng)和多平臺(tái)支持。Unity資源主要包括UI、場景、模型、貼圖、材質(zhì)、動(dòng)畫、特效、字體等。場景與模型首先，使用3D建模工具（如Blender、Maya、3dsMax等）創(chuàng)建場景，在建模前應(yīng)設(shè)置好單位，確定模型比例，同時(shí)場景搭建還應(yīng)考慮燈光、陰影效果、渲染管線等因素，使場景更真實(shí)。其次，創(chuàng)建斗臂車、檢測儀、絕緣手套等需要進(jìn)行交互的3D模型，模型應(yīng)包括所有必要的部件和細(xì)節(jié)，模型的紋理、貼圖和材質(zhì)需符合制作規(guī)范，參考現(xiàn)實(shí)模型，以便在虛擬現(xiàn)實(shí)中逼真地展示。動(dòng)畫創(chuàng)建斗臂車控制動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)和操作。使用3D動(dòng)畫