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摘 要

虚拟现实交互技术是近年来发展较快的一门综合性信息技术，利用开发引擎生成虚拟场景,配合体感交互设备实现人机交互，使得虚拟现实交互技术在众多方面得到了应用。本文围绕课题通过研究国内外现状,把握虚拟现实交互技术的应用现状和发展态势,基于UnrealEngine4开发一套完整的虚拟交互系统，以南京明城墙中华门场景再现为例，一方面研究虚拟现实交互技术,另一方面探讨南京明城墙中华门的交互设计与实现。

关键词：虚拟现实交互技术；UnrealEngine4；南京明城墙中华门

目录

摘 要 I

第一章 引言 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.3 课题主要研究内容和工作 2

第二章 基于UnrealEngine4的虚拟现实交互技术 3

2.1 虚拟现实交互技术 3

2.1.1 虚拟现实交互技术的概述 3

2.1.2 虚拟现实开发引擎 3

2.2 基于UnrealEngine4的案例对比分析 3

2.2.1 优秀案例分析 3

2.2.2 问题案例分析 5

2.3 基于UnrealEngine4的关键技术研究 5

2.3.1 艺术化气氛渲染技术分析 5

2.3.2 交互体验技术分析 6

第三章 南京明城墙中华门在UE4虚拟现实交互技术中的应用 6

3.1 南京明城墙的数字化展示 6

3.1.1中华门的虚拟现实交互展示 6

3.2 虚拟现实交互技术制作分析 6

3.2.1前期3DMAX中模型及UV的制作 7

3.2.2中期UnrealEngine4中模型、材质测试及灯光的制作 7

3.2.3后期UnrealEngine4中特效及交互设计 7

3.3 中华门虚拟交互的实现 7

3.3.1场景模块的实现 7

3.3.2交互模块的实现 8

第四章 总结与展望 9

4.1 设计难点及解决方法分析 9

4.1.1设计难点分析 9

4.1.2解决方案 9

4.2 虚拟现实交互技术的展望 9

致 谢 10

参考文献 11

第一章 引言

1.1 课题背景及意义

随着科学技术的不断进步，特别是计算机的出现，使得虚拟现实交互技术的实现具备了基本条件。然而在其发展之路上，这项技术已经被越来越多的行业所认可，它们和虚拟现实交互技术紧密联系，相互促进，也促使社会发生巨大变化。同时，人们在参观历史遗迹，重温曾经的荣光和悲壮豪迈的故事，只能看到的是风吹日晒后留下的痕迹以及想象在脑海中的模样时，虚拟现实交互技术发挥了它的作用。

南京明城墙有着600多年的南京文化，是世界最长、保存原真性最好的古代城垣。其中中华门作为中国现存规模最大的城门，可谓是古代防御性建筑的杰出代表。在南京明城墙申报世界文化遗产的关键时期,为了能够将历史文化延续下去，我们使用本专业知识对南京明城墙采取了一些措施。采用三维动画和虚拟现实交互技术的结合展现南京明城墙的历史风貌，其中虚拟现实交互技术以南京明城墙的中华门为例进行展示，游客可以带上VR眼镜看见中华门的过去。

对于虚拟现实交互技术修复中华门，不仅可以让游客来到残垣断壁前，体验曾经布局严整、构造独特的城堡如何历经尘世的变迁，成为眼前沧桑的景象。还可以丰富旅游景区内容，让游客得以用新的方式探索中华门的过去，增加一些原本枯燥的景区的吸引力。使得南京明城墙中华门能够被更多的了解和珍惜。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

2016年虚拟现实交互技术开始在市面上火热起来，直到现在依旧盛行。在我国，虽说这项技术处于初步发展阶段，也较为依赖国外的技术，但是已经引起了各行各业以及国家的高度重视。在社会各界专业人士的关注下，虚拟现实实验室和相关技术科技科技公司开始出现。例如北京航空航天大学虚拟现实新技术国家重点实验室，（如图1）他们主要研究的内容包括可视化技术、虚拟现实技术、人工智能等领域的科学研究和技术开发。高校是推动虚拟现实交互技术研究的重要力量，其中北京航天航空大学计算机系是国内最早一批开始进行虚拟现实技术研究的单位。这些团体为我国虚拟现实交互技术的发展起到了重要的带头作用。

图1

虚拟现实技术的发明来源于美国，所以美国在技术发展上是远远超于其他国家。同样，美国对于本土的虚拟现实交互技术极为重视，政府、学校和企业都在发挥着他们自己的作用，走在虚拟显示技术的前端。作为人工智能先驱者的IBM（国际商业机器公司）在2006年与中国北京故宫合作项目“超越时空的紫禁城”（如图2图3），利用三维建模虚拟技术建立出宫殿建筑和历史人物，参观者可以通过完全互动的方式，深入了解紫禁城及馆藏文物更丰富的背景知识。这次的中美合作，是技术与历史文化的完美碰撞，通过虚拟化的技术与紫禁城的现实展览整合则是前所未有的创意。IBM致力于世界历史文化遗产的保护，在此之后也是成功帮助俄罗斯、埃及等国家实施文化保护项目，最终取得很棒的成果。

图2 图3

如今在5G通信的推动下，虚拟现实交互技术的应用也在不断的扩大，软件和硬件的问题决定着虚拟现实技术的发展。为了给用户带来强大的体验感，虚拟环境系统需要达到高度的仿真效果。目前在效果图方面的现实技术已经相当成熟，但是大部分动态实时所呈现最终效果差强人意，所以在于软件技术方面的研究，国内外都有在不断的进行探索。相关于硬件是最贴近普通群众，用户体验感的第一来源的反馈就来自于硬件。例如：VR一体机，用户通过VR头盔看到虚拟现实画面，在使用头盔的过程中没有连线束缚，自由度较高。同时为了增加沉浸感，需要更高的分辨率和强大的计算机运算能力，也需要配置独立处理器和其他硬件，所以VR头盔的重量也会增加。当用户运动发生较大变化时，虚拟现实显示设备的输出和显示图像的帧速率会更快，用户会感到头晕恶心，大大削弱了体验的娱乐性。这些问题都是暂时的，虽然距离人们理想中的效果还有一段距离，但是虚拟现实的价值会逐渐被大众接受。未来，虚拟现实交互技术将更紧密地融入众多产业，更全面的整合规划和行业标准将给各相关领域带来进一步发展。

1.3 课题主要研究内容和工作

本课题的研究主要围绕虚拟现实交互技术的应用，以南京明城墙中华门为例运用UnrealEngine4引擎与虚拟场景的交互实时运行，用户为第一人称视角可在中华门进行漫游，还可通过鼠标点击了解中华门的场景概况和相关历史等，使得用户对南京明城墙中华门有着进一步的认知了解。

本课题的研究工作主要有以下几个方面：首先，研究调查国内外虚拟现实交互技术的现状和发展趋势；其次，UnrealEngine4的案例对比分析，对其关键技术进行研究；最后，UnrealEngine4引擎的关键技术在南京明城墙中华门中的具体应用。

第二章 基于UnrealEngine4的虚拟现实交互技术

2.1 虚拟现实交互技术

近年来，随着信息技术的高速发展，虚拟现实交互技术作为热门新技术，有着巨大的发展潜力，这项技术已经从小规模的技术搜索和应用进入了更广泛的领域。从以教育培训、建筑工程规划、医学制造为代表的行业应用，到以影视、社交、娱乐为代表的大众应用，虚拟现实交互技术使得人与计算机的距离正在逐步拉近，变得更加密切，也受到了众多人的认可。

2.1.1 虚拟现实交互技术的概述

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