白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究.docx
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白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究
JIUJIANGUNIVERSITY
毕业论文
题目白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究
英文题目VirtualTouroftheBaidudongAcademy
ResourcesPlatformforBuildingandResearch
院系信息科学与技术学院
专业计算机科学与技术
姓名冯爱玲
班级学号A081136
指导教师代君
二○一二年五月
摘要
随着数字技术的快速发展,虚拟现实技术不断将现实对象和现实场景进行虚拟整合和开发,并广泛运用到了现实生活当中去,使人们足不出户,就可以享受到旅游所带来的乐趣。
对白鹿洞书院进行虚拟游览资源平台建设与研究,不仅可以让人们对书院有一个全方位的了解,从而避免有的游客因时间、经济状况等原因不能实地游览而造成遗憾和避免有的游客进入景区实地游览时迷失方向;而且还可以缓解景区经济效益与遗产保护之间的矛盾,同时也是对书院文化的一种间接性传播、传承和保护。
本虚拟平台使用3dsMax、Unity3D和Photoshop进行开发设计。
论文主要描述了白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究过程,通过功能的概述和效果的探讨,掌握整个白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究过程中的环节和步骤,并从实践经验出发对虚拟平台设计作了详细的分析和研究。
关键词:
虚拟现实,虚拟游览,白鹿洞书院
Abstract
Withthedevelopmentofdigitaltechnology,virtualrealitytechnologywillcontinuetotheactualobjectsandrealisticscenesofvirtualintegrationanddevelopment,andextensiveuseofreallife,sothatpeoplestayathome,youcanenjoythefunbroughtbythetourism.Virtualtourplatformresearchanddevelopment,notonlyallowspeopletohaveafullunderstandoftheAcademy,thusavoidingsometouristscannotvisitthesiteduetoentertheBailudongAcademydisorientedscenicsitevisit;Butcanalsoeasethecontradictionbetweenthesceniceconomicandheritageprotection,butalsoforanindirectdisseminationofAcademyculture,heritageandprotection.
TheBailudongAcademyuse3dsMax,Unity3D,andPhotoshopfordevelopmentanddesign.ThispaperdescribestheresearchanddevelopmentprocessoftheAcademyVirtualTourplatform,throughanoverviewoffunctionandeffectof,masterlinksandstepsintheresearchanddevelopmentprocessoftheentireAcademy,andmadeadeparturefromthepracticalexperienceofAcademydesigndetailedanalysisandresearch.
Keywords:
VirtualRealitygible,VirtualTour,BailudongAcademy
目录
摘要I
AbstractII
1绪论
1.1课题背景
(1)
1.2课题研究的意义
(2)
1.3课题研究的基本内容和目标
(2)
2概要设计
2.1课题分析(3)
2.2课题策划(3)
2.3书院的规划(4)
2.4书院的框架功能(4)
2.5书院的总体结构分析(6)
2.6书院的总体制作流程(7)
3开发工具的选用与介绍
3.13dsMax的介绍(9)
3.2Unity3D的介绍(10)
3.3Photoshop的介绍(11)
4详细设计
4.1信息的收集阶段(13)
4.23dsMax建模阶段(13)
4.3Photoshop贴图制作阶段(18)
5Unity3D虚拟导航
5.1模型的导入(22)
5.2模型的贴图(22)
5.3书院全景的虚拟(24)
5.4景观漫游的虚拟(33)
6测试与维护
6.1细节的完善(36)
6.2性能测试(36)
6.3扩展及发展方向(37)
致谢(38)
参考文献(39)
1绪论
随着计算机技术的飞速发展,计算机技术的应用领域也越来越广,三维技术也在各个方面得到广泛的应用,给计算机仿真系统提供了高质量、实时、交互作用的三维图形奠定了理论基础。
同时,人类对于越来越复杂的虚拟场景的需求的增长,以及对图形绘制真实感要求的不断提高,计算机图形学正面临着来自于虚拟现实领域的严峻挑战。
虚拟现实是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。
虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映,包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术[1]。
1.1课题背景
古代书院曾在我国教育发展史上占有重要的地位,江西,素有人文之乡的美誉,在书院建设方面因起步早、数量多、影响大等特点而颇负盛名。
在江西书院的发展历史上最著名的首推白鹿洞书院。
白鹿洞书院在庐山五老峰下,唐贞元年间洛阳人李渤与其兄李涉曾在此地隐居读书。
李渤养一白鹿自娱,于是人称白鹿先生,其所居为白鹿洞。
后来李渤当了江州刺史,在这里建筑台榭。
到南唐升元中,又办起学馆,称“庐山国学”,到了宋代扩建为书院。
白鹿洞书院的鼎盛时期在南宋。
宋孝宗淳熙六年(1179),朱熹知南康军,访白鹿洞,奏请重建。
他凭知军之力,为书院筹措田产,制订学规。
朱熹自兼洞主,给诸生讲学。
历史上有名的书院,大多数既是当时一方教育活动的中心,又是著名的学者探讨学术的胜地。
白鹿洞书院是朱熹传播其理学思想的著名阵地。
随着数字技术的快速发展,虚拟现实技术不断将现实对象和现实场景进行虚拟整合和开发,并广泛运用到了现实生活当中去,使人们足不出户,就可以享受到旅游所带来的乐趣。
在这样一个大背景下,建设与研究白鹿洞书院虚拟游览资源平台成为可能,并且可以推动旅游资源的信息化建设和发展。
1.2课题研究的意义
众所周知,书院是我国古代传播文化、交流学术、培养人才的地方。
有着“海内书院第一”美誉的白鹿洞书院,是我国历史上第一所完备的书院。
现在,白鹿洞书院已形成了集文物管理、教学、学术研究、旅游接待、园林建设五位一体的综合管理体制。
对白鹿洞书院进行虚拟游览资源平台建设与研究,不仅可以让人们对书院有一个全方位的了解,从而避免有的游客因时间、经济状况等原因不能实地游览而造成遗憾和避免有的游客进入景区实地游览时迷失方向;而且还可以缓解景区经济效益与遗产保护之间的矛盾,同时也是对书院文化的一种间接性传播、传承和保护。
1.3课题研究的基本内容和目标
本课题主要实现的是一个虚拟的白鹿洞书院游览馆,用户可以以第一视角游览整个书院,或者手动控制线路游览整个书院。
首先使用3dsMax软件制作书院各个厅堂建筑及周围建筑的三维模型,并使用Photoshop软件对虚拟平台的相关图片进行处理和优化,然后到3dsMax中对已经创建好的先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂等模型赋予材质,设置材质贴图。
最后将做好的模型导入Unity3D中制作书院全景自动导航游览和景观漫游手动控制游览功能。
利用3dsMax制作出来的逼真的场景、道具及互动部分,在尽量优化模型面数的基础上,降低作品对用户电脑的硬件要求,并最终实现白鹿洞书院虚拟游览资源平台人性化、多元化、简单化的操作界面、合理完善的操作功能以及赋予虚拟游览资源平台丰富详实的知识内容。
2概要设计
课题的概要设计主要是对课题进行分析、策划、规划和对书院框架做一个设计。
就像建一座大楼,在做前进行好的设计才能做出美观的大楼。
所以,这一部分的设计在做白鹿洞书院虚拟游览资源平台的过程中也是很重要的。
2.1课题分析
首先,需要对课题进行分析。
我的课题是“白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究”,所以需要知道书院要做成什么样的,需要用到哪些软件,实现什么样的基本功能,达到什么样的效果,用怎么样的虚拟资源平台,它的运行速度如何等等。
通过我的老师的指导以及在互联网上收集和查找了一些相关信息,通过对其大量的三维模型和场景的分析,找出他们各自的特点并与自己的毕业设计的实际情况进行分析比较,基本初步明确了开发步骤,然后到3dsMax进行制作和创建大致的场景,接着制作书院相关的一些小道具,将其嵌入场景中,使其看上去达到一个真实的效果,最后将做好的场景导入到虚拟资源平台中进行导航的制作,接下来就是一些小细节和仿真效果方面的修改和补充。
2.2课题策划
白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究就是白鹿洞书院的虚拟再现,让用户身临其境的感受书院文化的气息。
本书院设计步骤和方案基本如下:
(1)收集关于书院信息及资料。
包括书院的介绍、历史、以及所用到的相关文字等。
(2)使用3dsMax软件制作书院的三维模型,以及书院周围的花草树木等。
(3)使用Photoshop对图片进行处理和优化。
对已经创建好的模型赋予材质,设置材质贴图。
(4)将制作好的模型导入Unity3D中完成互动和导航功能。
(5)后期的一些细节调整和效果的提升,完成开发。
2.3书院的规划
规划是预先决定要做何事?
要把书院做成一个什么样的虚拟游览?
如何去做?
为何这样做?
何时去做?
由何人来做?
以及在何处做等一系列的安排,它是经由合理的程序,对于各种行动方案作有意识的决定,并根据目标、事实和经过思考的估计,作为制定决策的基础。
规划的特性有:
未来性、程序性、领先性、结构性、普遍性、业务机能性和持续性。
书院规划设计主要考虑几个问题:
(1)空间布局。
根据书院的建筑特征可以将书院分为5个区,每个区要建多大,根据真实的书院来看用什么方式连接。
书院面向多元化的观众,展品与展场相互介入,注重书院的游戏性与教育性、互动性与参与性、临时性与固定性的结合。
(2)人性化设计。
书院的设计需要体现出人性化,包括无障碍设计、多提示、多选择、多路线,要站在用户的角度来设计书院。
(3)系统设计的紧凑型。
一个良好的系统不仅需要界面的友好,还需要虚拟平台内部各个模块之间的衔接和紧凑性,只有这样,设计出来的系统才会运行良好,收到系统设计和实现的预期效果。
通过对书院的真实场景的分析,结合它的设计的特点,设计出书院占地面积约为190m*100m=19000m2的平面上。
书院分为5个区,分别是:
先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂。
2.4书院的框架功能
根据白鹿洞书院的建筑特点、以及综合参考了各种虚拟游览平台的实现,我决定把书院的功能分为两个功能模块来做:
一个是让系统来控制游览书院,即“书院全景”的浏览;二是用户自己手动控制游览线路,即“景观漫游”。
首先,进入系统游览后,出现一张白鹿洞书院大门的图片,在图片上制作两个按钮:
“书院全景”和“景观漫游”。
首页展出方式如图2-1所示。
景观漫游
书院全景
图2-1首页展出方式
其次,点击“书院全景”后,画面中出现五副图片,分别为:
先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂大门的图片。
并在各自的图片上加上各自的按钮。
然后,如果游客想游览先贤书院的话,就点击“先贤书院”按钮,然后系统就按照设置好的线路进行游览。
点击“书院全景”后的展出方式,如图2-2所示。
先贤书院
棂星门
林业学堂
紫阳书院
白鹿洞书院
图2-2点击“书院全景”后的展出方式
最后,点击“景观漫游”按钮后,游客可以自己手动控制游览的线路,用上下左右四个方向键来控制选择你想要看哪个书院。
2.5书院的总体结构分析
由上面的框架功能,我们可以设计出本虚拟平台的总体结构包括两个子平台:
书院全景平台和景观漫游平台。
在书院总体结构分析中,主要包含三部分内容:
(1)经过前期实地调查研究和总体分析,可知白鹿洞书院主要由五部分组成,分别是:
先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂。
平台建设与研究的主要目的是实现对白鹿洞书院各个组成部分的书院全景自动控制游览和景观漫游手动控制游览。
(2)白鹿洞书院全景自动控制游览主要是由系统根据设置好的游览线路来实现对书院景观中先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂的自动游览。
(3)白鹿洞书院的景观漫游手动控制游览可以通过手动操作鼠标和键盘实现灵活的选择游览书院景观中先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂等景观,其中鼠标控制方向,键盘控制游览线路,由它们共同控制才可以实现对白鹿洞书院的整体游览。
上述分析表明,白鹿洞书院的总体景观由先贤书院、棂星门、白鹿洞书院、紫阳书院和林业学堂构成,平台建设与研究主要实现书院全景自动游览和景观漫游手动游览。
由此得出白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究总体结构图如图2-3所示。
图2-3白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究总体结构图
2.6书院的总体制作流程
通过上述课题分析、策划和对书院的框架和总体结构的分析,理清了整个平台建设与研究的总体思路,得出白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究的总体制作流程图如图2-4所示。
图2-4白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究总体制作流程图
从上述总体制作流程图可知,白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究设计工作首先是对整个平台的前期总体架构设计,接着进行信息的收集和照片的采集,然后手动绘制白鹿洞书院总体平面图,完成3dsMax场景和建筑的创建的同时利用Photoshop软件对图片进行处理,把绘制好的贴图材质在3dsMax中赋予给调整好的模型,之后对细节和效果进行完善和优化,最后将贴好材质的模型导入到Unity3D中进行虚拟导航的设置和互动,并完成平台的最终测试和维护。
在平台总体制作流程中,3dsMax的建模工作是整个平台设计工作的基础,Photoshop对图片材质的处理可以极大地提高书院景观游览的整体效果,而Unity3D对整个书院虚拟导航游览的书院全景自动游览和景观漫游手动游览的设置是整个平台建设与研究的关键所在。
3开发工具的选用与介绍
要进行书院的开发,软件工具是必不可少的,合理的使用软件以及软件之间的配合可以达到事半功倍的效果。
本课题主要用到的软件如下:
3dsMax、Unity3D、Photoshop。
3.13dsMax的介绍
3DStudioMax,简称3dsMax或Max,是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画的制作软件。
3dsMax是Autodesk公司的一个重要产品,是世界上最流行的建模、动画和渲染软件,包括了创造高品质动画、游戏的全面必要工具。
3dsMax的高效率操作界面为制作复杂的场景提供了方便条件,精细的渲染方式使作品更加完美,囊括了所有当前最流行的建模方式[2]。
其前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列软件。
在WindowsNT出现以前,工业界的CG制作被SGI图形工作站所垄断。
3DStudioMax+WindowsNT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛,首选开始运用在电脑游戏中的动画制作,后更进一步开始参与影视片的特效制作。
在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中,3dsMax的使用率更是占据了绝对的优势。
3dsMax因其强大的功能在3D动画界造成巨大的影响,已经渗入到电影、广播电视、公司演示、游戏可视化等各个领域,且成为三维动画软件中的佼佼者。
《阿凡达》、《诸神之战》、《2012》、《X战警II》、《最后的战士》等到很多大片中的电脑特技镜头都是应用3dsMax完成的。
逼真的角色动画、丰富的画笔不仅是影视广告公司对3dsMax情有独钟,许多喜爱三维动画制作,并有志向影视电脑特技方向发展的朋友也为3dsMax的强大功能所吸引[3]。
3dsMax有着它独特的软件特点即:
功能强大、扩展性好、操作简单、容易上手、和其它相关软件配合流畅、做出的效果非常的逼真。
所以,自从它出现的那一天开始,即受到了全世界无数三维动画制作爱好者的热情赞誉,Max也不负众望,屡屡在国际上获得大奖。
当前,它已经逐步成为个人PC机上最优秀的三维动画制作软件。
3dsMax补丁全集很多,3D效果图制作人员会经常遇到3dsMax不稳定,比如3dsMax不认识中文路径、3dsMax经常死机、3dsMax卡死的一些情况。
这些情况都是由于3dsMax没有打Autodesk官方的3dsMax升级补丁。
为了让3D从业人员,更方便的打上3dsMax补丁。
3dsMax补丁全集,帮助3D从业人员,一次性升级所以的3dsMax补丁到官方最新。
彻底解决3dsMax中文路径、3dsMax死机、3dsMax掉贴图等一系列问题[4]。
模块技术特征:
一、建模。
二、三维动画。
三、材质灯光。
四、贴图。
五、粒子特效。
六、渲染。
七、视频后期合成。
八、复合建模。
九、高级建模。
十、典型环境特效[5]。
3.2Unity3D的介绍
Unity3D是由UnityTechnologies开发的一个让人轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合游戏开发工具,是一个全面的综合的专业游戏引擎。
Unity3D是开创先河的3D开发平台,2.5以上的版本完全支持WindowsVista和XP的全部功能平等和互操作性。
Unity类似于Direct、Blendergameengine、Virtools或TorqueGameBuilder等利用交互的图形化开发环境为首要方式的软件。
其编辑器运行在Windows和MacOSX下,可发布游戏至Windows、Mac、Will、iPhone和Android平台。
也可以利用Unitywebplayer插件发布网页游戏,支持Mac和Windows的网页浏览。
Unity3D可以建立任一平台的作品。
同样,作品可以通过网页直接运行,是3D作品的一站式解决方案!
Unity给予了开发者看似简单的专业创作组合,采用最先进的3D游戏引擎,您可以短时间内创造出令人惊叹的3D作品。
需要做的仅仅是将模型连同动画导入开发环境,加一些预设贴图和沉浸技术及动画设定,然后点几下鼠标,作品就完成了,能将工作放在更重要的引擎程序脚本的编写,以及shader编写的上面。
Unity3D的强大游戏制作功能已经达到了让人瞠目结舌的地步,尤其的利用Unity3d制作的第一人称战争游戏,画质效果丝毫不逊色于当下十分流行的《穿越火线》、《战地之王》等的游戏。
Unity3D包含以下特色:
(1)综合编辑:
通过Unity3D简单的用户操作界面,你可以完成任何工作。
这些为你节省了大量的诗句;
(2)图形动力:
Unity3D对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道;
(3)资源导入:
Unity3D支持所有主要文件格式,并能和大部分相关应用程序协同工作;
(4)一键部署:
Unity3D可以让你的作品在多平台呈现;
(5)Will的发布:
Unity3D让业界最流行的游戏平台软件更容易开发;
(6)iPhone发布:
Unity3D让革命性的游戏开发降临革命性的设备;
(7)着色器:
Unity3D的着色器系统整合了易用性、灵活性和高性能;
(8)地形:
低端硬件亦可流畅的运行广阔茂盛的植被景观;
(9)联网:
从单人游戏到全实时多人游戏;
(10)物理特效:
Unity3D内置的NVIDA®;PhysX®;物理引擎带给你生活的互动;
(11)音频和视频:
实时三维图形合音频流、视频流;
(12)脚本:
Unity3D支持3中脚本语言:
Javascript、C#和Boo;
(13)Unity3D资源服务器:
Unity3D资源服务器是一个附加的包括版本控制的产品;
(14)光影:
Unity3D提供了具有柔和阴影与烘托lightmaps的高度完善的光影渲染系统;
(15)文档:
Unity3D为你提供了逐步完善的指导、文档和实例方案[6]。
3.3Photoshop的介绍
Photoshop是adobe公司旗下最为出名的图像处理软件之一,集图像扫描、编辑修改、图像制作、广告创意,图像输入与输出于一体的图形图像处理软件,深受广大平面设计人员和电脑美术爱好者的喜爱。
Photoshop的功能特色[7]:
从功能上看,Photoshop可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分。
图像编辑是图像处理的基础,可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等。
也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。
这在婚纱摄影、人像处理制作中有非常大的用场,去除人像上不满意的部分,进行美化加工,得到让人非常满意的效果。
图像合成则是将几幅图像通过图层操作、工具应用合成完整的、传达明确意义的图像,这是美术设计的必经之路。
photoshop提供的绘图工具让外来图像与创意很好地融合,成为可能使图像的合成天衣无缝[8]。
校色调色是photoshop中深具威力的功能之一,可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色编的调整和校正,也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。
特效制作在photoshop中主要由滤镜、通道及工具综合应用完成。
包括图像的特效创意和特效字的制作,如油画、浮雕、石膏画、素描等常用的传统美术技巧都可借由photoshop特效完成。
而各种特效字的制作更是很多美术设计师热衷于photoshop的研究的原因[9]。
4详细设计
详细设计就是对概要设计的具体操作,是概要设计的一个细化过程。
白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究的详细设计工作主要包括前期的信息的收集阶、3dsMax建模阶段和Photoshop贴图制作处理阶段以及后续的Unity3D虚拟导航设置阶段。
4.1信息的收集阶段
白鹿洞书院虚拟游览资源平台建设与研究的制作,需要准备很多资料,比如,书院大量的图片和一些文字资料等,需要为后面贴图的制作做好准备。
我也通过互联网和实地参观白鹿洞书院找了一些比较前沿的资料,比如,关于各个厅堂的文字介绍。
还有一些用的比较少的资料是在视频资源中的图像截取,截取的时候要注意图像的像素大小以及图像保存后的格式,如果图像中有logo必须经过PS的处理得到最理想的效果。
4.23dsMax建模阶段
3dsMax建模阶
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