摘 要

在船舶设计过程中，由于船舶体积庞大，1：1的实船研究不仅不方便而且耗资巨大。现在大多数的船舶运动研究都是通过水池试验法，将船舶按照实船比例适当缩小，在水池中进行试验，这种传统的试验方法依然存在耗资巨大的问题，同时还会产生一些不必要的问题。随着虚拟现实技术的发展，使用3D软件绘制模型导入3D引擎，可以更全方位地、更真实地展示一艘船舶，具有传统的试验方法所不能比拟的优势。本文将制作好的船舶工业模型导入到Unity 3D引擎参与漫游场景的搭建，添加虚拟角色以及脚本，最终实现飞行漫游功能。

关键词：船舶工业模型；虚拟现实；Unity 3D；脚本

Abstract

In the process of ship design, the 1:1 real ship research is not only inconvenient but also costly because of its large size. At present, most of the research on ship movement is carried out through the pond test method, which scales down the ship appropriately according to the proportion of the real ship and experiments in the pond. This traditional test method still has the problem of huge cost and some unnecessary problems. With the development of Virtual Reality Technology, 3D software rendering model introduction into 3D engine can exhibit a ship in a more comprehensive and realistic way, which has incomparable advantages over traditional test methods. In this paper, the completed industrial ship model was imported into the Unity 3D Engine to participate in the construction of roaming scenes, and virtual characters and scripts were added to realize the flight roaming function.

Keywords: industrial ship model; Virtual Reality; Unity 3D; scripts

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年 月 日

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作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题的背景和意义 1

1.1.1 什么是虚拟现实 1

1.1.2 虚拟现实系统的构成 1

1.1.3 虚拟现实技术存在的问题 2

1.2 国内外研究现状及发展前景 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.2.3 发展前景 5

第2章 Unity 3D引擎 6

2.1 为什么选择Unity 3D 6

2.2 虚拟现实的实现方法 6

2.3 脚本语言C# 7

第3章 船舶作业训练系统的设计与实现 9

3.1 船舶工业模型的制作 9

3.2 Unity 3D的场景搭建 9

3.2.1 游戏物体和组件 9

3.2.2 灯光 10

3.2.3 相机 13

3.2.4 第一阶段场景 13

3.3 Unity 3D的渲染路径问题 14

3.4 Unity 3D的烘焙 15

3.5 Unity 3D的虚拟角色 17

3.6 Unity 3D的脚本 19

3.6.1 C#的编程规则 20

3.6.2 脚本的生命周期 20

3.6.3 C#函数的选择 22

3.7 3D效果的实现 24

第4章 总结与展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.1.1 什么是虚拟现实

美国著名科技公司的领头人杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）于1989年首次提出虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）的概念^[1]，是近年来出现在计算机图形、游戏、视频领域的高新技术，积极地影响着人们的生活，广泛应用在船舶、汽车等工业领域的设计开发。虚拟现实是利用计算机模拟构建一个虚拟的三维世界，用户进入后可以听到环境中的声响，看到各种颜色的场景布置，触碰到搭建好的“实物”，甚至闻到环境中的气味，让用户如同身处其中一般，可以及时地、没有限制地操作虚拟空间内的事物。通俗地讲，就是能够让人感觉进入了一个并不存在的人工制造的环境之中，即“这是哪儿，我怎么到了这里？”。

因此虚拟现实技术具有以下四个基本特征：

多感知性（Multi-Sensory）：是指除通过耳机获得的听觉感知、摄像头获得的视觉感知之外，还可以通过各类传感器对感官系统的作用来获得触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想情况下，人们在虚拟世界中活动时对相同事物应该具有和在现实世界一样的感知。但由于传感技术和硬件设备的限制，现在只能实现其中的部分感知功能。

浸没感（Immersion）：是指用户在虚拟世界内可以获得和真实世界相同场景下一样的感受，难分真假。浸没感会让用户觉得虚拟世界与现实世界没什么两样，已经成为其中的一部分，一般不会察觉出异样。实现用户从被动观察虚拟世界的运行变成主动参与其中的活动^[2]。

交互性（Interactivity）：是指通过传感器的作用，用户可以很自然地移动、操纵虚拟世界中的物体，同时得到物体在视觉、听觉、触觉等方面的反馈。例如使用者可以用手去推动虚拟环境中的一个手推车，这时手上有握着车把的感觉，视野中手推车也能立刻随着手的移动而移动。

构想性（Imagination）：是指虚拟现实技术可以给那些具有丰富想象力的开发者提供广阔的平台，利用这一点不仅可以构建真实存在的环境，也可以构建客观不存在的环境。

1.1.2 虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统一般由专业图形处理计算机、应用软件系统、数据库和输入输出设备五部分组成。

专业图形处理计算机：是场景搭建、烘焙、渲染的硬件支持，是系统的基础也是心脏。主要负责获取输人设备通过接口中传来的数据、访问和管理与项目相关的数据库，执行项目中要求的实时运算，从而及时地对虚拟世界的实时状态进行更新，并把状态变化通过输出设备如显示屏等反馈出来。由于虚拟世界中存在与现实世界同样复杂的场景，在系统开发时很难预测所有用户的动作，也就很难在内存中存储所有相应的状态，因此需要对虚拟世界进行实时更新、绘制和渲染。这就导致计算量大幅度增加，所以对计算机的配置提出了极高的要求。

应用软件系统：是推动虚拟现实技术研究发展的关键，是进行仿真的平台。本次设计选择软件有3Ds Max、PiXYZ Studio和Unity 3D，它们提供了插件、工具包和场景布置图，主要完成虚拟世界中人物模型和船舶工业模型的绘制、优化和管理；三维场景的搭建与实时更新；虚拟角色移动脚本的编译；虚拟世界数据库的建立与管理等任务。

数据库：用于存储整个虚拟世界中所有游戏物体的相关属性，如坐标位置、旋转角度、质量轻重和尺寸大小等。前面提到过，由于场景的绘制和渲染需要实时运算，大量的系统数据需要随时保存、调用和更新，所以需要使用数据库的分类管理功能对游戏物体的数据进行处理。

输入设备：是虚拟现实系统的输入接口，给计算机提供用户在虚拟世界活动时的动作数据。与一般的计算机系统相同，其功能都是利用各种传感器检测用户的输入信号，并通过接口输入到计算机中。不同的输入设备具有不同的检测功能和目的，输入设备除了传统的操纵杆、鼠标、键盘外，还包括用于检测头部活动方向的红蓝眼镜、手姿输入的数据手套、语音输入的麦克风、身姿输入的数据衣等，以解决多个感觉通道同时传输以及传输后的交互问题。

输出设备：是虚拟现实系统的输出接口，是对输入信号的反馈，其功能是将输入信号交由计算机处理过后，通过传感器送至输出设备，输出设备从不同的感觉通道刺激用户的眼睛、耳朵、身体的肌肉等，达到与现实世界相同的感受。输出设备除了常用的显示屏外，还包括声音反馈的立体声耳机、触感反馈的数据手套以及大屏幕立体显示系统等。

1.1.3 虚拟现实技术存在的问题

最近几年，虚拟现实虽然呈现出来巨大的潜力和广阔的前景，但仅仅只是扩展了计算机的接口能力，初步接触到人的感知系统与计算机、传感器的交互问题，没有取得突破性进展。这清楚地告诉我们，无论软件还是硬件方面，虚拟现实技术还只是处于初始研究阶段，民用的产品有限，大众普及的程度还很低。虚拟现实技术主要存在以下几点问题：

一是交互能力不够出色。大部分VR产品仅能用于展示、观赏，虽然能够读取简单的走、跑、跳、坐，但对复杂的动作无法做出相应判断。一般只能跟随记录手部和头部的活动轨迹，对身体的其他部位的定位不是很精准。交互能力较为完善的VR产品应该具备以下两个方面的特点：一是整体性，用户进入虚拟世界后就与场景形成了一个整体，所以应该具有和其它物体或用户进行交互的能力；二是灵活性，产品不只是能够读取简单的肢体动作，应是人体的任何动作，这样才能达到沉浸其中的效果。

二是硬件设备价格昂贵并且比较笨重。市面上大多数VR产品，动辄上万甚至几十万的价格让很多潜在用户踌躇不前。它不仅需要搭载在一台高性能的计算机上运行，而且穿戴设备的体积大、质量重，各种外设和数据线的连接缠绕严重妨碍了用户与虚拟世界的交流，影响了用户的体验，使用户觉得没有真正无拘无束地进入虚拟世界。

三是用户极易产生眩晕感。目前的VR产品还无法做到高度还原真实场景，实际运动与大脑运动不能正常匹配，是产生眩晕的一个原因。另外产品显示屏上的图像存在帧间延迟，所谓帧间延迟就是用户已经对虚拟世界的物体进行了操作，但是画面还没有及时刷新出来，这是产生眩晕的另一个原因^[3]。虽然一些处于技术前沿的VR公司利用不同方法解决了部分与眩晕感相关的问题，但因用户各自身体素质的不同，还是无法完全避免眩晕的产生。

1.2 国内外研究现状及发展前景

1.2.1 国外研究现状

美国是虚拟现实技术的发展源头，对虚拟现实技术的研究开始于20世纪中叶，是世界上第一个将该技术应用于军事领域的国家。1950年成立的国家科学基金会大力支持与VR密切相关的人机互动计划和以人为中心的计算计划，并且在这一方向的研发经费逐年提高，极大地推动着虚拟现实技术的发展。另外美国国防部建设了多个研究院和实验室进行大规模虚拟环境的开发与应用研究，搭建出战斗训练的仿真电子战场。美国的高校也积极参与虚拟现实技术的研究，如麻省理工学院的媒体实验室和加州大学伯克利分校的远程沉浸实验室^[4]。目前美国在虚拟现实的基础研究主要集中在感知通道、人机交互、专用系统和硬件设备四个方面。

在欧洲，英国在分布并行处理、辅助设备设计和应用研究方面是领先的。WIndustries（工业集团公司）的许多产品已进入商店和模拟游戏中心，同时还推出专为VR设备开发的操作系统，供个人或其他公司租用。British Airways（英国航空公司）的Roy Kalawsky教授设计出高级战斗机座舱，用于飞行员的模拟训练。由遥感操作控制的机器人通常在危险环境中进行作业，如核反应堆和水下救援等，UK Advanced Robotics Research Center（英国高级机器人研究中心）通过对比测试机器人与人的在虚拟环境中的表现差异，从而修正机器人在实际作业中的问题。

日本在建立大规模VR知识库方向上的发展在世界上是遥遥领先的，同时作为邻国的韩国也逐渐开始在虚拟现实技术方面的研究工作。前不久的国际消费类电子产品展览会上, 日本厂商Gerevo发布一款名为Cerevo Taclim的VR鞋子。比如在一款VR游戏中，用户踩到的地雷爆炸了，那么鞋子的传感器会将一系列反应反馈给身体，真实世界中用户的脚部将因此而感觉到疼痛。又比如在VR的情景中走过山地、雪地等不同的环境时，穿着VR鞋子的用户的脚部也将体验到与之对应的颇为真实的感受。位于韩国首尔的塞弗伦斯医院采用虚拟现实技术与传统医疗相结合的方法应用到心理疾病诊治中，通过构建虚拟世界帮助患者更好地克服心理或精神障碍。

1.2.2 国内研究现状

在我国，VR产业发展正处于萌芽阶段，现有的虚拟现实资源稀缺，硬件和软件都与国外还存在较大的差距。在硬件设备方面，有近百家科技公司只能进行头盔和3D眼镜等简单硬件的研发及生产，在大屏幕立体显示系统的研发上遇到了瓶颈;在操作系统方面，VR技术依赖Windows、Android等原有系统，并且两者的兼容性比较差，容易崩溃的问题影响用户体验;在软件开发方面，科技公司的主要开发的产品以3D游戏、3D电影为主，模式死板，无创新点，不能吸引投资者和消费者的青睐；在实际应用方面，只有少量VR成品，大众普及度不高，导致市场供求关系不均衡，不能构建完整的产业链。

但现在这种低效不健康的科技生态已引起中国科学院和各大高校实验室的极度重视，并依据我国的国情，与国内的大型通信公司进行合作，制定了一系列有关虚拟现实技术研究的计划。

体视图像算法的回显一直是虚拟现实中视觉接口技术中的核心问题，中国科技开发院在该方向上取得了突破性的进展，同时还完成了软件接口的开发。北京航空航天大学是国内第一批进行虚拟现实技术研究、拥有顶尖科研团队的单位之一，其虚拟现实与可视化新技术研究室提供的虚拟现实应用系统开发平台可租用给个人或公司进行软件开发；虚拟现实演示环境可对开发好的VR产品进行参数调试、性能测试，也可用于产品发布的展示平台；飞行训练的虚拟现实系统可供新招的飞行员在入伍前进行模拟训练。除此之外，清华大学国家光盘工程研究中心、浙江大学CADamp;CG国家重点实验室和上海交通大学的船舶制造仿真研究室等多所高校实验室也都在进行虚拟现实技术的研究并且取得了一些令人振奋的研究成果^[5-6]。

中视典数字科技有限公司是专注于虚拟现实、增强现实与3D互联网领域的软硬件研发与推广的专业机构，旗下的VRP系列产品问世以来，已有超过270所理工类和建筑类院校采购了该产品，在教学和科研中发挥着重要作用。同时VRP系列产品在城市规划、油田矿井、地产漫游、汽车仿真、水利电力、道路桥梁等众多领域的应用，填补了该领域国内市场本土软件的空缺，打破了一直以来国外软件垄断的局面。

1.2.3 发展前景

目前关于VR产品的宣传基本上是在北京、上海等大型城市进行线下体验的模式开展着，但是随着商业模式多样性的不断增加，虚拟现实内容的不断更新，虚拟现实也将会变得更加主流。从目前来看，虚拟现实行业拥有三大发展趋势，很多体验过虚拟现实产品的用户都会觉得虚拟现实是非常值得投资和深入研究的。更多的360度全景内容出现，可以带给人身临其境的感受，在住房、服装、装修设计上可能会大面积应用；更多的广告营销会采用VR的形式，而这些广告将会推动虚拟现实的发展；更强的普及性和多样性，降低成本使得VR产品可以人人用的起，而且产品不再局限于头盔、眼镜这样单一的类型^[7]。

第2章 Unity 3D引擎

2.1 为什么选择Unity 3D

Unity 3D是一款由Unity Technologies公司开发用于游戏、动画、电影、汽车和其他制造业模型可视化的功能强大的3D引擎。支持JavaScript和C#两类脚本语言。支持IOS、Android、Windows、Mac OS、Linux等一系列常用的操作系统，具备功能强大的开发者工具套件，可用于实现复杂的游戏逻辑。目前游戏市场上火爆的《王者荣耀》、《炉石传说》就是利用Unity 3D引擎开发的。而虚幻4的最大优势在于华丽的模拟粒子效果与先进的动态照明技术，对于追求画质的开发者再合适不过了，《绝地求生：刺激战场》便出自虚幻4。

选择Unity3D而不是虚幻4作为本文的开发平台，基于以下几点原因：

Unity 3D同时支持2D和3D开发，是移动端游戏最好的选择，具有可满足各种游戏类型特定需求的功能；而虚幻4在2D上的表现很差，不适用2D项目的开发，但在PC端3D游戏上的表现较好。

Unity 3D为超过三分之二的VR和AR体验提供支持，包括Ubisoft游戏工作室、NASA的太空先锋、尼尔·布洛姆坎普（《第九区》）好莱坞导演，由此更能证明它的可靠性。

Unity 3D的资源商店有大量免费及付费内容和社区中种类繁多的插件，提供可直接用于项目的现成内容，如：美术资源、模型、脚本、开发工具等等，加速开发进度，降低开发难度。

Unity 3D与PiXYZ Software、3Ds Max等CAD软件有极高的兼容性，PiXYZ Software免去了CAD数据准备方程中的猜测和其他繁重工作，同时可以确保所有CAD文件都针对Unity进行了优化，可以在实现快速导入Unity、管理和优化大型CAD组件，使项目信息实时可见。虚幻4必须使用Visual Studio 2013作为插件进入脚本编译器。

最重要的一点就是Unity 3D入门简单，对初学者友好，并且在国内的文章丰富、社区成熟，有利于用户之间交流，共同协作解决问题。从经济性方面考虑，Unity 3D有Personal免费版本。

2.2 虚拟现实的实现方法

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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