“南京医科大学附属医院”外楼环境的虚拟交互漫游设计
“南京医科大学附属医院”外楼环境的虚拟交互漫游设计[20191214174102]
摘 要
虚拟现实技术在景观设计、建筑规划、仿真娱游行业的作用日益突显，尤其是在大型场景漫游方面的应用。本文简述了国内外有关虚拟现实领域的研究现状，以一个虚拟环境——南京医科大学附属医院，所建立的交互漫游为基础，总结了虚拟漫游积极的现实意义。
文章从前期调查、三维场景建模、交互漫游三方面进行论述。首先通过实例分析和现场调研了解现实医院和现有医院漫游的基本情况，为后续场景创建做好准备工作。其次利用三维建模软件3DS Max将项目方所供医院平面布局图转化为立体模型，并在此基础上添加合理元素完善场景。最后简单介绍了Unity3D引擎的相关信息与发展前景，构建出医院的虚拟漫游。本文详细探讨了用于交互漫游的大型户外场景建筑物的构建方法及其优化手段，研究了创建虚拟场景漫游的有效方式，旨在借助计算机图形绘制技术，立体呈现虚拟医院的外楼环境。
摘 要 Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:虚拟现实；交互仿真；户外漫游；虚拟医院；Unity3DABSTRACT
Key words: virtual reality，interactive simulation，outdoor roaming，virtual hospital，Unity3D目 录
ABSTRACT Ⅱ
目 录 Ⅲ
图 目 录 Ⅴ
表 目 录 Ⅵ
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及国内外研究现状 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 国内外研究现状 2
1.2 课题内容简介及意义 3
1.2.1 课题简介 3
1.2.2 课题研究意义 4
1.3 难点分析 5
第2章 前期调查分析 7
2.1 相关实例分析 7
2.2 实地调研 8
2.3 场景布局分析 9
第3章 虚拟现实三维场景建模 10
3.1 建筑模型制作 10
3.2 树木模型创建 13
3.3 贴图材质烘焙 14
3.4 模型文件输出 14
第4章 虚拟医院交互漫游设计 16
4.1 Unity3D简介 16
4.2 模型文件置入 16
4.3 漫游场景搭建 17
4.3.1 天空盒创建 17
4.3.2 远景创建 19
4.3.3 照明设置 19
4.3.4 特殊材质制作 21
4.3.5 地形元素添加 22
4.4 交互漫游制作 23
4.5 导航系统制作 24
4.5.1 导航菜单制作 25
4.5.2 导航小地图制作 27
4.5.3 交互发布 30
第5章 成果展示及总结 32
5.1 课题成果展示 32
5.2 总结 35
参考文献 36
致 谢 38
毕 业 设 计（英文翻译） 39
数字媒体艺术设计专业毕业设计任务书 52
图 目 录
图1.1 虚拟现实三角表示 2
图1.2 项目托付流程 5
图1.3 可见性裁减技术 6
图1.4 三维场景漫游制作流程 6
图2.1 江苏省中医院漫游系统 7
图2.2 漫游系统进入死圈 8
图2.3 南京医科大学第一附属医院 8
图2.4 南医大第一附院地理位置示意图 8
图2.5 漫游场景布局图 9
图3.1 透明贴图表现围栏 11
图3.2 模型密度分布图示 11
图3.3 模型塌陷操作 12
图3.4 地基线低于地面 12
图3.5 南医大附属院三维模型 12
图3.6 TreeStorm创建界面 13
图3.7 花坛模型展UVW 14
图3.8 归零变形量 15
图3.9 FBX导入Unity3D贴图紊乱、模型乱飞问题 15
图4.1 天空盒材质设置 17
图4.2 添加天空盒方式一 18
图4.3 添加天空盒方式二 18
图4.4 天空盒添加效果 18
图4.5 柱内侧面贴图 19
图4.6 多层柱内侧贴图嵌套表现远景建筑群 19
图4.7 阴影调整前后效果对比 20
图4.8 灯光光晕效果 21
图4.9 简易透明材质表现 21
图4.10 材质效果 22
图4.11 实时镜面反射材质效果 22
图4.13 Tree Creator工具创建的树木 23
图4.14 控制器参数设置 24
图4.17 部分场景指引元素 24
图4.15 导航菜单草图 25
图4.16 交互结构图 26
图4.18 场景俯视图 27
图4.19 导航小地图、箭头图标 28
图4.20 导航小地图最终效果 30
图4.21 发布选项 31
图4.22 自定义属性 31
图 4.23 Icon的不同显示尺寸 31
表 目 录
表1.1 急诊楼科室分布 4
表5.1 课题成果展示 32
续表5.1 课题成果展示 33
续表5.1 课题成果展示 34
续表5.1 课题成果展示 35
第1章 绪论
1.1 课题背景及国内外研究现状
近几年来，基于早期虚拟现实建模语言（如VRML），大量虚拟现实引擎如雨后春笋般被开发出来，使得实时三维漫游大放异彩。这些引擎提供了强大的图形绘制途径，它们为脚本接口、物理引擎、动画、音效、人工智能、互联网服务，令复杂的三维虚拟景观实时性可视化，简化了开发流程，促成了交互性虚拟现实的飞速发展。在景观设计与建筑规划领域，实时三维虚拟场景漫游弥补了传统现场评测手段（如航拍图、平面地图）的不足。虚拟场景漫游为用户深入了解实地复杂性和与周边环境关系提供了可能，尤其是在实际应用中，其预评测效果越发受到肯定。
1.1.1 课题研究背景
虚拟现实技术（Virtual Reality，又称为幻真、灵境技术）是2O世纪90年代兴起的一个新的研究领域，但其起源可以追溯到被后人誉名为“计算机图形学之父”的伊万·萨瑟兰（1van Edward Sutherland）于1965年发表的一篇名为《The Ultimate Display》（终极的显示）的论文。他在论文中首次提出了具有视、闻、触交互反馈的计算机窗口概念，这一思想奠定了后世对虚拟现实研究的基础。此后，计算机科研者便开始探索研究虚拟现实信息技术。
虚拟现实技术连接信息数据与用户，核心为计算机演算而成的三维虚拟空间，能够对用户作出交互反馈。虚拟现实在如医学、教育、军事、工程、艺术等许多不同的领域都有应用，而虚拟漫游便是其中的一个重要分支。虚拟漫游指的是对三维虚拟空间的实时漫游，包括一个以用户的视感享受为第一目的，集合真实听觉感受和触觉感受于一身的虚拟空间，是一个现实或虚拟世界的实时仿真环境，在医疗、娱游、通讯、地产、教学等多种行业都有广泛涉及。
美国科学家伯第亚（G.Burdea）于1993年在《虚拟现实系统及其应用》一文提出了“虚拟现实的三角表示”，简洁明了地表达了虚拟现实技术的基本特性。他认为虚拟现实技术具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination）的3“I”特性，三者相辅相成，稳定支撑虚拟现实，如图1.1所示。用户能够凭借某些必要的设备以近乎真实世界的感觉在此虚拟环境中漫游，如身临其境般从自由的视角中观查虚拟环境对象，同时也能够根据个人意愿对其中的对象进行适当规划。
图1.1 虚拟现实三角表示
1.1.2 国内外研究现状
计算机作为一种进行计算分析的高效工具，从发明至今已革新换代无数次，其发展迅猛，众多难以攻克的问题也因此产生多种解决方法。虚拟现实技术的出现与发展亦是，国内外虚拟现实技术普遍设计三个研究领域：基于虚拟现实技术加强新兴科研技术的应用；借助计算机信息图形方式表现能够实时演算的三维沉浸视觉效果；创建用于观测虚拟世界的窗口。
美国作为虚拟现实技术研究的发祥地，其最初研究应用集中在航天航空领域对飞行员和宇航员的模拟训练，后逐渐转为民用。二十世纪80年代，美国宇航局（NASA）与美国国防部组织的一个名为“虚拟形象探索”（VPE）的研究计划取得了举世瞩目的成果，NASA如今已经建立了用于航空、卫星、空间站维护的虚拟现实训练系统。目前美国在此技术的的研究领域主要集中在用户界面、感知、后台软件与硬件几个方面。
英国SUPERSCAPE公司将世界第一个虚拟现实环球网投入运行。互联网用户能够在由一个个三维虚拟现实世界构建而成的网络环境中邀游，身临其境地游览各名胜景区、参观博览会、到大学课堂听演讲等。
日本在建立大型虚拟现实知识库和VR产品的开发方面有着巨大的成就。日本电气股份有限公司开发了一个能够借助数据手套处理CAD的三维形体模型的虚拟现实系统，通过手势将用户命令传输给计算机并作出相应数据处理。东京大学广濑?谷川研究室致力开发一种用于克服当下呈现和交互技术局限性的虚拟全息系统。日前，广濑?谷川研究室又发明了一款“减肥眼镜”，它能够单独放大用户手中的食物而不放大拿着食物的手，借用视觉错觉来降低佩戴者的食量，以此达到减肥的目的。
我国虚拟现实技术研究在其兴起之时起步，虽然晚于一些发达国家，与之还有一段相当大的差距，但随着计算机信息技术、计算机图形学等技术的飞速发展，虚拟现实技术的开发研究已经得到了国家各部门的高度重视。国家科学技术部、国防科学技术工业委员会将其列为重点攻关项目，在北京航空航天大学、浙江大学、西南交通大学、中国科学院等重点科研机构设立了十个虚拟现实研究实验室。国内的众多其他研究机构和高等院校也都在进行虚拟现实技术领域的探索与挖掘，并取得了一系列研究成果：
清华大学国家光盘工程研究中心采用QTVR（QuickTime Virtual Reality）技术建立了“布达拉宫”，实现了大全景的虚拟化；浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室开发了一套桌面型的虚拟建筑环境实时漫游系统，专注于图形学、几何学和可视化分析、VR、视觉计算理论与算法、基础平台软件及应用系统等方面的研究。
虚拟现实技术是众多相关学科领域交错、融合的产物，其领域需要研究者绕开计算机接口能力的局限进行挖深探索。只有当人们对人类感知系统与计算机之间的集合作用问题真正着手探讨了，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服。
1.2 课题内容简介及意义
1.2.1 课题简介
本课题为“南京医科大学附属医院”外楼环境虚拟交互漫游的概念设计，本虚拟漫游场景是根据现有资源创建规划的虚拟医院，课题呈现效果仅供后期项目制作作参考。院区由门诊、急诊、医技楼、科教楼、行政楼等十个楼区组成。以急诊楼为例介绍楼层分布。
依照急诊科室主次、缓急情况，将急诊楼合理分为七层：一楼主设挂号处、收费处、登记处、抢救室等部门；二楼为成人、幼儿输液室；三楼为门急诊手术室。其余楼层科室分布具体如表1.1所示：
表1.1 急诊楼科室分布
楼层 科室分布
1 急诊挂号室、收费处、急诊抢救室、入院登记处、急诊各科诊室、急诊药房、急诊化验室、急诊注射室、心电图室
2 输液室（成人输液、小儿输液）
3 门急诊手术室
4 急诊外科观察病区
5 急诊内科观察病区
6 急诊ICU、特需输液室
7 院总值班室、护士长夜间值班室
患者病情根据其严重程度可分为四个级别：最轻的第四级别为非急症病人（目前尚无急性发病症状，仅需少量急诊医护资源），第三为急症病人（患者病情尚算稳定，短期内不会恶化，但需要院方缓解其症状），再上一级为危重病人（病情严重程度短时间内不定时会升级，需要医院尽快安排其就诊），最严重的为濒危病人（病情严重程度随时可能危及患者生命，需要急诊处采取紧急医疗措施）。特需输液室与急诊ICU（重症加强护理病房）所需医护人员、治疗器材多数相同，而又因特需输液室患者多为第一、二级，故将其与二层的成人幼儿输液室分离设置。
摘 要
虚拟现实技术在景观设计、建筑规划、仿真娱游行业的作用日益突显，尤其是在大型场景漫游方面的应用。本文简述了国内外有关虚拟现实领域的研究现状，以一个虚拟环境——南京医科大学附属医院，所建立的交互漫游为基础，总结了虚拟漫游积极的现实意义。
文章从前期调查、三维场景建模、交互漫游三方面进行论述。首先通过实例分析和现场调研了解现实医院和现有医院漫游的基本情况，为后续场景创建做好准备工作。其次利用三维建模软件3DS Max将项目方所供医院平面布局图转化为立体模型，并在此基础上添加合理元素完善场景。最后简单介绍了Unity3D引擎的相关信息与发展前景，构建出医院的虚拟漫游。本文详细探讨了用于交互漫游的大型户外场景建筑物的构建方法及其优化手段，研究了创建虚拟场景漫游的有效方式，旨在借助计算机图形绘制技术，立体呈现虚拟医院的外楼环境。
摘 要 Ⅰ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:虚拟现实；交互仿真；户外漫游；虚拟医院；Unity3DABSTRACT
Key words: virtual reality，interactive simulation，outdoor roaming，virtual hospital，Unity3D目 录
ABSTRACT Ⅱ
目 录 Ⅲ
图 目 录 Ⅴ
表 目 录 Ⅵ
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及国内外研究现状 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 国内外研究现状 2
1.2 课题内容简介及意义 3
1.2.1 课题简介 3
1.2.2 课题研究意义 4
1.3 难点分析 5
第2章 前期调查分析 7
2.1 相关实例分析 7
2.2 实地调研 8
2.3 场景布局分析 9
第3章 虚拟现实三维场景建模 10
3.1 建筑模型制作 10
3.2 树木模型创建 13
3.3 贴图材质烘焙 14
3.4 模型文件输出 14
第4章 虚拟医院交互漫游设计 16
4.1 Unity3D简介 16
4.2 模型文件置入 16
4.3 漫游场景搭建 17
4.3.1 天空盒创建 17
4.3.2 远景创建 19
4.3.3 照明设置 19
4.3.4 特殊材质制作 21
4.3.5 地形元素添加 22
4.4 交互漫游制作 23
4.5 导航系统制作 24
4.5.1 导航菜单制作 25
4.5.2 导航小地图制作 27
4.5.3 交互发布 30
第5章 成果展示及总结 32
5.1 课题成果展示 32
5.2 总结 35
参考文献 36
致 谢 38
毕 业 设 计（英文翻译） 39
数字媒体艺术设计专业毕业设计任务书 52
图 目 录
图1.1 虚拟现实三角表示 2
图1.2 项目托付流程 5
图1.3 可见性裁减技术 6
图1.4 三维场景漫游制作流程 6
图2.1 江苏省中医院漫游系统 7
图2.2 漫游系统进入死圈 8
图2.3 南京医科大学第一附属医院 8
图2.4 南医大第一附院地理位置示意图 8
图2.5 漫游场景布局图 9
图3.1 透明贴图表现围栏 11
图3.2 模型密度分布图示 11
图3.3 模型塌陷操作 12
图3.4 地基线低于地面 12
图3.5 南医大附属院三维模型 12
图3.6 TreeStorm创建界面 13
图3.7 花坛模型展UVW 14
图3.8 归零变形量 15
图3.9 FBX导入Unity3D贴图紊乱、模型乱飞问题 15
图4.1 天空盒材质设置 17
图4.2 添加天空盒方式一 18
图4.3 添加天空盒方式二 18
图4.4 天空盒添加效果 18
图4.5 柱内侧面贴图 19
图4.6 多层柱内侧贴图嵌套表现远景建筑群 19
图4.7 阴影调整前后效果对比 20
图4.8 灯光光晕效果 21
图4.9 简易透明材质表现 21
图4.10 材质效果 22
图4.11 实时镜面反射材质效果 22
图4.13 Tree Creator工具创建的树木 23
图4.14 控制器参数设置 24
图4.17 部分场景指引元素 24
图4.15 导航菜单草图 25
图4.16 交互结构图 26
图4.18 场景俯视图 27
图4.19 导航小地图、箭头图标 28
图4.20 导航小地图最终效果 30
图4.21 发布选项 31
图4.22 自定义属性 31
图 4.23 Icon的不同显示尺寸 31
表 目 录
表1.1 急诊楼科室分布 4
表5.1 课题成果展示 32
续表5.1 课题成果展示 33
续表5.1 课题成果展示 34
续表5.1 课题成果展示 35
第1章 绪论
1.1 课题背景及国内外研究现状
近几年来，基于早期虚拟现实建模语言（如VRML），大量虚拟现实引擎如雨后春笋般被开发出来，使得实时三维漫游大放异彩。这些引擎提供了强大的图形绘制途径，它们为脚本接口、物理引擎、动画、音效、人工智能、互联网服务，令复杂的三维虚拟景观实时性可视化，简化了开发流程，促成了交互性虚拟现实的飞速发展。在景观设计与建筑规划领域，实时三维虚拟场景漫游弥补了传统现场评测手段（如航拍图、平面地图）的不足。虚拟场景漫游为用户深入了解实地复杂性和与周边环境关系提供了可能，尤其是在实际应用中，其预评测效果越发受到肯定。
1.1.1 课题研究背景
虚拟现实技术（Virtual Reality，又称为幻真、灵境技术）是2O世纪90年代兴起的一个新的研究领域，但其起源可以追溯到被后人誉名为“计算机图形学之父”的伊万·萨瑟兰（1van Edward Sutherland）于1965年发表的一篇名为《The Ultimate Display》（终极的显示）的论文。他在论文中首次提出了具有视、闻、触交互反馈的计算机窗口概念，这一思想奠定了后世对虚拟现实研究的基础。此后，计算机科研者便开始探索研究虚拟现实信息技术。
虚拟现实技术连接信息数据与用户，核心为计算机演算而成的三维虚拟空间，能够对用户作出交互反馈。虚拟现实在如医学、教育、军事、工程、艺术等许多不同的领域都有应用，而虚拟漫游便是其中的一个重要分支。虚拟漫游指的是对三维虚拟空间的实时漫游，包括一个以用户的视感享受为第一目的，集合真实听觉感受和触觉感受于一身的虚拟空间，是一个现实或虚拟世界的实时仿真环境，在医疗、娱游、通讯、地产、教学等多种行业都有广泛涉及。
美国科学家伯第亚（G.Burdea）于1993年在《虚拟现实系统及其应用》一文提出了“虚拟现实的三角表示”，简洁明了地表达了虚拟现实技术的基本特性。他认为虚拟现实技术具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination）的3“I”特性，三者相辅相成，稳定支撑虚拟现实，如图1.1所示。用户能够凭借某些必要的设备以近乎真实世界的感觉在此虚拟环境中漫游，如身临其境般从自由的视角中观查虚拟环境对象，同时也能够根据个人意愿对其中的对象进行适当规划。
图1.1 虚拟现实三角表示
1.1.2 国内外研究现状
计算机作为一种进行计算分析的高效工具，从发明至今已革新换代无数次，其发展迅猛，众多难以攻克的问题也因此产生多种解决方法。虚拟现实技术的出现与发展亦是，国内外虚拟现实技术普遍设计三个研究领域：基于虚拟现实技术加强新兴科研技术的应用；借助计算机信息图形方式表现能够实时演算的三维沉浸视觉效果；创建用于观测虚拟世界的窗口。
美国作为虚拟现实技术研究的发祥地，其最初研究应用集中在航天航空领域对飞行员和宇航员的模拟训练，后逐渐转为民用。二十世纪80年代，美国宇航局（NASA）与美国国防部组织的一个名为“虚拟形象探索”（VPE）的研究计划取得了举世瞩目的成果，NASA如今已经建立了用于航空、卫星、空间站维护的虚拟现实训练系统。目前美国在此技术的的研究领域主要集中在用户界面、感知、后台软件与硬件几个方面。
英国SUPERSCAPE公司将世界第一个虚拟现实环球网投入运行。互联网用户能够在由一个个三维虚拟现实世界构建而成的网络环境中邀游，身临其境地游览各名胜景区、参观博览会、到大学课堂听演讲等。
日本在建立大型虚拟现实知识库和VR产品的开发方面有着巨大的成就。日本电气股份有限公司开发了一个能够借助数据手套处理CAD的三维形体模型的虚拟现实系统，通过手势将用户命令传输给计算机并作出相应数据处理。东京大学广濑?谷川研究室致力开发一种用于克服当下呈现和交互技术局限性的虚拟全息系统。日前，广濑?谷川研究室又发明了一款“减肥眼镜”，它能够单独放大用户手中的食物而不放大拿着食物的手，借用视觉错觉来降低佩戴者的食量，以此达到减肥的目的。
我国虚拟现实技术研究在其兴起之时起步，虽然晚于一些发达国家，与之还有一段相当大的差距，但随着计算机信息技术、计算机图形学等技术的飞速发展，虚拟现实技术的开发研究已经得到了国家各部门的高度重视。国家科学技术部、国防科学技术工业委员会
清华大学国家光盘工程研究中心采用QTVR（QuickTime Virtual Reality）技术建立了“布达拉宫”，实现了大全景的虚拟化；浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室开发了一套桌面型的虚拟建筑环境实时漫游系统，专注于图形学、几何学和可视化分析、VR、视觉计算理论与算法、基础平台软件及应用系统等方面的研究。
虚拟现实技术是众多相关学科领域交错、融合的产物，其领域需要研究者绕开计算机接口能力的局限进行挖深探索。只有当人们对人类感知系统与计算机之间的集合作用问题真正着手探讨了，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底地克服。
1.2 课题内容简介及意义
1.2.1 课题简介
本课题为“南京医科大学附属医院”外楼环境虚拟交互漫游的概念设计，本虚拟漫游场景是根据现有资源创建规划的虚拟医院，课题呈现效果仅供后期项目制作作参考。院区由门诊、急诊、医技楼、科教楼、行政楼等十个楼区组成。以急诊楼为例介绍楼层分布。
依照急诊科室主次、缓急情况，将急诊楼合理分为七层：一楼主设挂号处、收费处、登记处、抢救室等部门；二楼为成人、幼儿输液室；三楼为门急诊手术室。其余楼层科室分布具体如表1.1所示：
表1.1 急诊楼科室分布
楼层 科室分布
1 急诊挂号室、收费处、急诊抢救室、入院登记处、急诊各科诊室、急诊药房、急诊化验室、急诊注射室、心电图室
2 输液室（成人输液、小儿输液）
3 门急诊手术室
4 急诊外科观察病区
5 急诊内科观察病区
6 急诊ICU、特需输液室
7 院总值班室、护士长夜间值班室
患者病情根据其严重程度可分为四个级别：最轻的第四级别为非急症病人（目前尚无急性发病症状，仅需少量急诊医护资源），第三为急症病人（患者病情尚算稳定，短期内不会恶化，但需要院方缓解其症状），再上一级为危重病人（病情严重程度短时间内不定时会升级，需要医院尽快安排其就诊），最严重的为濒危病人（病情严重程度随时可能危及患者生命，需要急诊处采取紧急医疗措施）。特需输液室与急诊ICU（重症加强护理病房）所需医护人员、治疗器材多数相同，而又因特需输液室患者多为第一、二级，故将其与二层的成人幼儿输液室分离设置。
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