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虚拟现实技术实验指导书

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2020年4月19日
文档仅供参考

虚拟现实技术实验指导书

计算机科学与工程学院数字媒体教研室
9月

前言 虚拟现实技术实验简介
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR,又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术,也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,能够及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
虚拟现实旅游/虚拟城市漫游(观众融合模式)　运用三维动画/3Dmax、虚拟现实引擎U3D、大屏幕显示、人机互动等先进技术,观众能够经过操纵杆在城市、厂区、建筑小区等三维模型场景中进行主动自主式漫游,从而了解企业、建筑小区乃至城市未来规划及发展方向。
考虑到学时为24学时,让学生做大量涉及到艺术创作的实验显然也不太现实,因此,在实验设计时决定以单一内容,从简单练习到复杂场景过渡的培养方式为主,以培养学生最终能自己独立创作能力为主,力图培养学生举一反三的高素质能力。但至于如何变动更适合教学要求,这有待专家的指导和在实际实验过程中完善。也因此,以下实验内容仅为建议采用。
一、实验课程任务与要求
1. 实验目的

虚拟技术实验教学是为了将学生的计算机操作能力、艺术设计能力与应用实践结合起来,引导学生由浅入深地掌握虚拟现实场景的实现,让学生初步具备实际应用的虚拟现实技术场景制作的基础。
2. 实验基本要求(以作品为主要表现形式)

(1) 上机前应预习实验操作内容;
(2) 准备好作品操作步骤,上机调试、运行;
(3) 递交实验结果的作品并演示作品;
(4) 写出实验报告。
二、实验学时安排
(1) 3Dmax基本体及扩展基本体的使用(4学时)
(2) 3Dmax 二维转三维,布尔运算、修改图形(4学时)
(3) 3Dmax 多边形建模场景合并(2学时)
(4) 3Dmax 材质与贴图(2学时)
(5) U3D 导入模型、基本设置(2学时)
(6) U3D 烘焙光影贴图(2学时)
(7) U3D 植物、水面特效等(2学时)
(8) 连续加载场景漫游(2学时)
(9) 虚拟现实系统综合实例(2学时)
(10) 考试(2学时)
三、实验报告格式
实验报告

姓名:________________学号:_______________实验日期:_______________
实验题目:
实验目的:
实验内容:
实验结果:
四、实验考核
(1) 实验签到;
(2) 上机实际操作,验收;
(3) 实验设计报告。
五、实验仪器设备要求
(1) 设备数量能适应学生人数;
(2) 有3DMAX、U3D等实验环境;
六、教材及参考书
[1]. 刘光然,虚拟现实技术,清华大学出版社,
[2]. 网冠科技,3dmax 9.0中文版基础培训百例,机械工业出版社,
[3]. 3ds max8 立体造型触类旁通百例,机械工业出版社,
[4]. ,3dmax基础建模网络教程

实验一3Dmax基本体及扩展基本体的使用

一． 实验目的及要求
1. 熟悉并练习3dmax各种基本操作
2. 熟悉并练习3dmax标准基本体的使用
3. 熟悉并练习3dmax扩展基本体的使用
二． 实验内容
1. 认识3DS MAX 的工作界面。

2. 熟悉3DS max现成的三维物体
(1) 标准基本体:长方体、球体、圆柱体、圆环、茶壶、圆锥体、几何球体、管状体、四棱锥、平面。
(2) 扩展基本体:异面体、切角长方体、油罐,纺锤,油桶、球棱柱、环形波,软管,环形结、切角圆柱体、胶囊、L-Ext , C-Ext、棱柱。

2. 应用工具栏、命令面板、视图控制区。
(1) 工具栏

选择工具 移动工具 渲染

(2) 命令面板:
创立面板:用于创立对象。
修改面板:对已创立的对象进行修改。

(3) 视图控制区
缩放单个视图、缩放所有视图、显示全部、所有视图显示全部。

放大框选区域、平移视图、视图旋转、单屏显示。

3. 小技巧
(1) shift+移动————复制
(2) 视图的切换
1. P —————透视图(Perspective)
2. F —————前视图(Front)
3. T ————— 顶视图(Top)
4. L —————左视图(Left)
(3) F9 ————渲染上一个视图
(4) Shift+Q——渲染当前视图
(5) W——移动
(6) 单位设置:[自定义]→[单位设置]

三． 实验步骤
1. 使用标准基本体制作凉亭
(1) 在标准基本体中选择Box按钮,在界面上画出长方形立方体:
(2) 适当的调整 立方体的高度,并制作凉亭的的四根柱子:
(3) 用切角圆柱来制作柱子并利用复制来复制4根同样的柱子:
(4) 制作凉亭的屋顶:利用圆锥然后设置圆锥的边数即可:

2. 使用扩展基本体制作沙发:
(1) 利用切角长方体制作沙发的靠背

(2) 利用复制关系复制出其它切角长方体,并适当的调整的她们的长度和宽度的比例,还有切角:

3. 使用扩展基本体制作凉亭:
(1) 在样条曲线中选中线条并画出碗的边缘图形,注意调整轴心位置
(2) 选中需要调整的顶点集,调整位置,右键点击平滑

(3) 再选中车削命令:

实验二 3Dmax 二维转三维,布尔运算、放样

一． 实验目的及要求
1. 练习二维物体转化为三维物体的文字、轮廓、倒角、可渲染样条线等
2. 练习布尔运算
3. 练习样条线的修改
二． 实验内容
1. 二维图形
线、圆形、弧、多边形、文本、截面、
矩形、椭圆形、圆环、星形、螺旋线

2. 线的控制
(1) 修改面板: 可对线进行”移动”、”删除”等操作。
(2) 线条顶点的四种状态:Bezier角点、Bezier、角点、光滑。(如果控制杆不能动,按F8键)
(3) 编辑样条线:[修改器]—[面片/ 样条线编辑]—[编辑样条线],其作用是对除了”线”以外的其它二维图形进行修改。

3. 线的修改面板
(1) 步数 :控制线的分段数,即”圆滑度”。
(2) 轮廓:将当前曲线按偏移数值复制出另外一条曲线,形成双线轮廓,如果曲线不是闭合的,则在加轮廓的同时进行封闭。(负数为外偏移,正数为内偏移)。
(3) 优化:用于在曲线上加入节点。
(4) 附加:将两条曲线结合在一起。
(5) 圆角:把线的尖角倒成圆角。

4. 二维转三维的命令
(1) 挤出:使二维图形产生厚度。 例子:桌子
(2) 车削:可使二维图形沿着一轴向旋转生成三维图形。 例子:碗、杯子、
(3) 倒角:跟拉伸相似,但能产生倒角效果。 例子:舒服椅
(4) 可渲染线条:使线条产生厚度,变成三维线条。 例子:餐桌
(5) 倒角剖面:例子: 马桶

5. 布尔运算:
定义:先使两个模型重叠一部分,就能够求出这两个模型的差集、交集与并集
这种方式叫做布尔运算。
(1) 三维物体:(创立面板—复合对象—布尔)
并集、交集、差集A-B、
例子: 浴缸

(2) 多次布尔运算:同一如果进行多次布尔运算,很容易出错,因此需要把多个物体连接在一起,再进行一次布尔运算。
例子:墙壁

6. 放样:
定义:先绘出一个物体的横截面图形,再绘绘制这个横截面图形所穿越的路径曲线,就能够计算出这个物体的形状,这种建模方法叫做放样建模。
创立面板—几何体—复合物体—放样
(1) 放样的一般操作:①获取图形、② 获取路径 杯子
(2) 放样的修改:①修改图形　②修改路径 例子:餐布
(3) 放样的变形:①缩放②扭转③倾斜 例子:牙膏、
(4) 放样的图形的”居左、居中、居右”。例子:窗帘
(5) 多截面放样的操作及修改: 筷子

7. 小技巧
1、按shift键,可画直线。
2、按ctrl键,可多选。
4、镜像:将被选择的对象沿着指定的坐标轴镜像到另一个方向。
5、角度捕抓按钮:用于控制对象的角度操作。
三． 实验步骤
1、 倒角命令制作立体字
a) 选择文本,在文本窗口中输入姓名。选择以一种字体,在前视图中点左键,生成文字。

b) 在修改器列表中选择倒角命令。在三个级别上分别设置参数,就能够得到了!

2、 沙发躺椅
i. 在自定义菜单中修改单位比例。在顶视图中创立一个常为1500mm的矩形。
ii. 然后画易弯曲的线,转为可编辑样条线,拉出轮廓。在修改面板中调整垫的位置,用圆角命令改轮廓的两端,使之平滑。
iii. 下面,选用轮廓,点选倒角命令,设置倒角值。第一步设置级别2,拉伸出中间部分,第二步,才是级别1和级别3。
iv. 最后做沙发的脚。选矩形工具。可编辑样条,倒角命令。复制一个,移动到合适位置,用镜像命令。经过调整,得到沙发。

3、 轮廓倒角制作马桶
i. 在顶视图建一个矩形,调整圆角。在前视图建一个剖面,选中矩形在修改器列表中,将其转为可编辑样条并选中。选倒角剖面命令点击选择剖面,点画好的马桶轮廓。在调整轮廓线上的点,得到马桶形。
ii. 马桶盖制作。复制马桶,把上面一个倒角删除,再用挤出命令,得到盖子。
iii. 接下来做水箱。在顶视图建一个矩形,并用圆角命令,在复制一个,将其中一个倒角删除,和做马桶盖一样,得到水箱盖。

4、 使用布尔运算制作浴缸
i. 分别用倒角长方体和胶囊制作浴缸外部和浴缸内部凹陷部分
ii. 选取复合对象,操作为差集,再选取需要减去的拾取操作对象B

5、 使用样条制作拉手

实验三 3DMAX多边形建模
一． 实验目的及要求
使用前述挤出、变形、倒角等多种建模方法,进行复杂多边形建模
二． 实验内容
1、电视机建模

2、使用挤出和涡轮平滑制作飞机

实验四 3DMAX合并场景、材质与贴图
一． 实验目的及要求
1、 练习3dmax中的复杂场景的对象合并
2、 练习复杂墙体的建立
3、 练习材质与贴图,UVW贴图
4、 赋给建筑材质
二． 实验内容
1、 场景合并

2、复杂墙体的建立

3、UVW贴图

、
4、赋给建筑材质

实验五 U3D基本设置、简单漫游
一． 实验目的及要求
1、 练习U3D简单漫游所需的基本设置
2、 导入模型
3、 烘焙光影设置
4、 简单植物设置
二． 实验注意事项
1、 建模中使用的图片、文件、文件夹等以及模型中物体、材质等的名称都不能使用中文或者特殊符号,能够使用英文字母、数字、下划线等
2、 调整Max的单位为米
3、 模型的中的植物效果,第一种是单面片植物,需要设置其轴心为其物体的对称中心;第二种是十字交叉的植物效果;第三种则是到Unity3D编辑器中经过地形编辑器系统添加
三． 实验步骤
a) Fbx导出插件下载地址:

b) 将Max文件中用到的图片都拷贝到Textures目录下,如

c) 再打开Max文件,导出为FBX文件,使用默认设置,FBX文件也放置在和Max文件相同的目录下,如

导出的时候,能够将模型简单的分类,如地面、植被、楼房等,也能够将模型分为几个区域,如小区1,小区2,学校等等分开导出
d) 将包含Max文件、Fbx文件和Textures文件夹的文件夹拷贝到Unity3D项目的Assets目录下,如下图中红圈

在下一次用Unity3D编辑器开启本项目的时候,编辑器将自动导入/更新该文件夹中的信息,并生成Materials文件夹,如

e) 启动Unity3D编辑器
f) 选择刚才拷贝进来的文件中的Fbx文件,如

修改其中的Meshes下的Scale Factor和Generate Colliders,如

点击其它Fbx文件或者单击其它区域将弹出如下的对话框

点击Apply即可,类似的方式设置其它Fbx文件
注意,其中植物/植被类的Fbx文件不需要设置Generate Colliders项
g) 将Fbx文件直接拖放到Hierarchy区域,如

h) 点击Hierarchy区域中的对象,同时将鼠标移动三维显示区域,同时点击键f,则该对象自动适配显示到三维区域中心,如

i) 将全部fbx添加完成后,提高场景亮度如下

单击Ambient Light,如下

调整为

即可设置完成
j) 设置第一人称浏览
删除场景中Main Camera

将Project区域的Standard Assets下的Prefabs下的First Person Controller拖到Hierarchy区域中

点选First Person Controller,调整First Person Controller的位置到场景中合适的位置,并设置其高度为1.37到2.1左右

设置First Person Controller的高度在场景中地面之上

k) 点击运行,即可测试

实验六 烘培光影贴图
一． 实验目的及要求
1、 学习U3D烘焙光影贴图方法
2、 UVW贴图
3、 标准材质贴图
4、 多重子材质贴图
二． 实验步骤
1. Unity3D光影烘培的要求
U3D的光影贴图使用的是3Dmax中的标准材质的自发光贴图通道来存储光影贴图相关参数,如

2. 给每个物体都附上贴图,如果是纯色物体,也付给纯色贴图
3. 打光后,选择要烘培的物体

设置输出路径

添加烘培输出的贴图类型

添加”LightingMap”类型

设置烘培贴图大小和目标贴图位置为”自发光”

设置烘培材质,选择”输出到源”

点击”渲染”即可
4. 标准材质贴图的烘培光影处理
a) 物体据有标准材质

b) 烘培渲染后,物体具有两个贴图

c) 导出Fbx即可
5. 多重子材质贴图的烘培光影处理
a) 物体据有多重子材质贴图

b) 渲染烘培后每个子材质都据有两个贴图

c) 选择该物体,执行”多维材质2标准材质.ms”脚本,将该多维材质物体按其材质数量分解为标准材质的多个物体,新物体的名字以”原多维材质物体名字~其材质名称”命名,如

点击”开始转换”,则将该物体从多维材质物体按期子材质分解为多个具有标准材质的物体

d) 将全部的具有多维材质类型的物体分解完成后,即可导出
6. 多个物体使用同一贴图的烘培光影处理
因为我们在导入fbx文件到Unity3D编辑器中的时候,使用的都是按贴图来生成材质文件,因此多个物体使用同一贴图时会发生错误,修改其中任何一个的材质设置时,其它的使用该贴图的物体都会受到影响,解决的方法便是在Unity3D编辑器中生成一个具有该贴图的新材质,然后重新付给当前物体。
7. 在U3D编辑器中修改物体的材质类型为光影贴图
设置物体的材质类型为Lightmapped/Diffuse

根据物体的名称将对应的光影贴图拖动到Lightmapp域,其中标准材质物体的光影贴图名称是”其物体名称LightingMap.tga”;从多维材质类型转换过来的物体的光影贴图名称是”其物体名称中~符合前的部分LightingMap.tga”

实验五 U3D植物、水面特效
一． 实验目的及要求
1、 练习U3D植物效果
2、 练习U3D水面效果
二． 实验步骤
a) 植物效果,对于单面片的植物效果,需要设定其材质为Transparent/VertexLit类型,并为其添加公告板脚本,设定前

设置材质类型为Transparent/VertexLit类型,如下

给单面片植物添加公告板脚本的方法是先选择该植物,然后点击菜单component下的scripts下的camera Facing Billboard即可,如下

设置材质类型和添加公告板脚本后,如下

如果没有该脚本组件,能够打开脚本编辑器,拷贝如下代码到脚本中,保存到Assets\Scripts下,命名为CameraFacingBillboard.cs即可
using UnityEngine;
using System.Collections;

public class CameraFacingBillboard : MonoBehaviour
{
public Camera cameraToLookAt;

void Start()
{
cameraToLookAt = Camera.main;
}

void Update()
{
Vector3 v = cameraToLookAt.transform.position - transform.position;
v.x = v.z = 0.0f;
transform.LookAt(cameraToLookAt.transform.position - v);
}
}
b) 对于十字交叉的植物,需要将其材质设定为Nature/Vegetation Two Pass unlit类型
设置前的效果

设置后的效果

2、水面效果的设置
c) 创立一个网格面片

d) 给该水面面片设置水材质和水脚本,如下图:
经过视图左上角的名称你能够迅速的分辨这些视图。这些视图是:场景视图(Scene View)-用于放置物体游戏视图(Game View)-表示游戏在运行时的外观层次视图(Hierarchy)-当前场景中的游戏物体的列表工程视图(Project)-显示当前打开工程中所有可用的物体和资源检视视图(Instpector)-显示当前选中物体的细节和属性时间线(Timeline)-用于为当前选中物体创立基本的时间线动画