南京医科大学附属医院室内虚拟交互漫游
摘 要
本文系统地介绍了基于Unity3D的虚拟交互技术，以及虚拟交互系统在医院办公领域的应用前景，并以“南京医科大学附属医院虚拟交互平台”为例，将该技术的应用实施流程详细的加以介绍。首先，对该医院进行实地考察取景，绘制CAD图纸，把握医院整体结构；以3dsmax为工具，参照实物制作室内结构和基础设施模型，利用ps制作医院识别系统以及导向牌，用于场景内导航。烘焙光影信息以实现3dsmax模型和贴图与Unity3D之间的无缝接轨导合，利用JavaScript脚本实现人物在场景中的漫游以及场景之间的跳转；最后制作GUI界面，完成用户需要的操作界面。本文以Unity3D为平台，完整的展示了虚拟交互系统在医院虚拟漫游等方面的优良的应用前景。
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关键字:字虚拟交互；Unity3D；GUI；场景漫游
目 录
摘 要I
ABSTRACTII
第1章 绪论1
1.1 研究背景及意义1
1.2 虚拟交互技术的应用领域3
1.3 研究内容和方法5
第2章 场景的三维化过程6
2.1 三维建模软件介绍6
2.2 多边形建模技术7
2.3 门诊大厅建模思路和流程8
2.4 呼吸科室建模思路和流程11
2.5 模型的优化整合16
第3章 纹理贴图及烘焙20
4.1 标准材质的设置20
4.2 纹理贴图的制作21
4.3 UV的展开22
4.4 烘焙贴图的参数设置23
第4章 虚拟交互程序的制作27
5.1 模型的导入导出27
5.2 第一人称漫游28
5.3 标识及导航系统28
5.3 导航系统的交互设计32
5.4 场景切换36
5.4 GUI的制作37
5.5 发布42
第5章 总结43
6.1 最终效果演示43
6.2 制作过程总结44
参考文献46
致谢48
第1章 绪论
第1节 研究背景及意义
计算机科学技术和网络通信技术的迅猛发展带来了计算机3D运行能力的飞跃和网络带宽的大幅度提升。在这样的数字化飞速发展的环境中，原本数据量庞大的三维模拟技术不再是停留在实验室的空乏理论，而是以一种实用技术出现在人们日常生活中的各个领域当中。
虚拟现实（Virtual reality）是二十世纪发展起来的一项集计算机、微电子技术、传感与仿真、测量技术于一体[1]，利用计算机生成的一种虚拟仿真环境，通过触发人类的视觉、听觉、触觉甚至味觉等各项感官系统，使用户体会到身临其境的感觉，并能够与之发生交互作用。
虚拟漫游技术作为虚拟现实（VR）技术的重要分支之一，实现了对三维景观的数字化模拟和虚拟化展示，它能够将真实的场景在屏幕上逼真的显示出来，由于人类的眼睛对图像产生速度的变化和图像的流畅性比较敏感，因此系统必须以每秒十帧的速率生成的图像，同时要求图像帧生成的速度在整体上保持一致。虚拟漫游的实现涉及到很多相关算法，其主要目的就是增强系统的实时渲染能力，在规定时间内完成当前视点的图像帧绘制运算。随着三维虚拟漫游技术的不断发展，漫游场景的规模变得越来越大，地形数据和模型结构也越来越复杂，因此对实时渲染的自动漫游和计算速度的要求也就越来越高。虚拟漫游技术因其可贵的沉浸感、构想性和交互性三个杰出特性，在功能和效果上远远超过使用固定漫游路径手段的其它漫游技术和漫游系统。虚拟建筑场景漫游是虚拟漫游最为主要的应用领域之一，也是目前应用相对较广的一个领域，是三维数字化模型搭建和虚拟漫游技术的结合。
虚拟漫游的最大特点在于被漫游的对象是已经客观真实存在的，在此同时，交互漫游程序是基于对现实对象的真实考察和数据分析，立足于客观世界。它通过多维数据和信息空间创建一个虚拟信息环境，能使用户拥有身临其境的沉浸感，具有与环境完美的交互能力，并有助于启发构思，从而产生新的想法。VR不仅仅被广泛应用于计算机图象领域，它已涉及更广的领域，如电视会议、分布式网络计算技术，并向分布式虚拟现实发展，虚拟现实技术目前已成为新产品设计开发和成果展示及发布的重要手段。
目前虚拟漫游技术在实现方法上主要分为两种，主要是按照虚拟场景的构造方来区分，一种是基于几何图形绘制（Graph——based Rendering，GBR）的虚拟漫游技术，另一种则是基于图像绘制（Image——based Rendering，IBR）的虚拟漫游技术。前者主要使用的是几何建模技术，通过测量地形数据，参考结构图纸以及对建筑地貌的实地考察，制作准确逼真的三维化模型，它的优点在于能够直接根据图纸及资料制作场景模型，从而模拟出尚未建造完成的场景或者器材，直观的展现在人们面前。后者则是基于图像绘制技术来构造虚拟空间，它利用照相机采集的离散的连续视频作为基础数据，经过图像处理生成全景图并对其进行时间或者空间的关联，从而建立起具有空间操作能力的虚拟场景。其优点在于虚拟实景漫游中的视觉数据取景于真实世界，因此基本能够还原现实场景，另外，由于基于图像数据，运行起来不需要很高的硬件配置。但是，由于该技术需要从已有的现实环境中获取数据信息，所以不能够用于表现尚未完成或者出现的场景和物体。
本文是以南京医科大学附属医院为现实载体，运用几何建模技术在unity 3D虚拟交互平台上完成的一次完整的交互系统流程。其目的在于能够让用户在足不出户的前提下能够详细准确的了解南京医科大学附属医院的概貌，并且能够直接通过网络虚拟平台了解各个科室的功能作用，直接准确的完成网上预约。
该项研究对于医院的自动化办公流程具有深远的意义。首先，医疗行业的办公流程经过多年的发展已经初步实现了信息化，信息系统在医院的应用越来越复杂，医院的整体业务对信息系统的依赖程度也越来越高，搭建这样的一个虚拟化交互平台能够极大的促进医院办公流程的规范发展，并能够以此为契机发展各项信息化平台，从而形成统一的标准化网络办公系统，与飞速发展的社会环境完成接轨。其次，从用户方面来看，搭建虚拟交互平台能够有效的缓解现实生活中的“预约难，看病难”等问题，直接通过网络平台查询相应疾病的应对措施，深入了解医院的每个部门和科室的管辖范围，减少“患病不懂医，患病不去医”等情况的发生。对于整个社会居民的生活水平的提高都有很好的促进作用。
第2节 虚拟交互技术的应用领域
虚拟现实技术作为一种新兴的互动媒体，涉及到计算机图形学、多媒体技术、生物技术、传播学、生理学、心理学、仿真模拟技术、微电子技术、立体成像技术、传感与探测技术、语音识别与合成技术、图像识别技术、人机接口技术以及人工智能技术等多种领域的高端技术。由于涉及了种类繁多的学科，所以它拥有了其他模拟仿真技术无法与之相比的优越性。其中真实性和交互性是虚拟现实技术最明显的两个特征，也是其最大的优势。同时，这种新媒体还具有极强的沉浸性和构想性，使人们能沉浸其中，超越其上，出入自然，形成具有与真实世界类似的多维化信息环境。
“数字城市”（如图2.1），是指利用虚拟现实技术呈现的虚拟城市，它是VR技术在城市规划、景观设计行业的一个重要应用。运用VR技术创建数字城市，不仅有助于直观的展示城市环境，而且能模拟各种天气情况下的城市，给施工和规划城市建设提供了最为直观的环境影响预测，甚至可以直观准确的了解排水系统，供电系统，道路交通等等。
图2.1 数字城市
名胜古迹不可再生，只能通过修缮保护方法来维持它的原貌，因此对现有文化古迹的保护变显得尤其重要，但是在展览中，文物总会有不同程度的损伤，而建立虚拟的古迹（图2.2）则对文化遗产的保护有非常好的作用。另外，对已损坏古物的复原对古历史的再现也具有良好的促进作用。虚拟现实技术在古迹、文物复原方面，采用非接触的预测技术、三维立体成像技术，通过实地摄影、数据分析采集、三维动画合成，创建三维模型，并利用VR技术制作一套互动演示，全面、生动地展示文物古迹的修缮保护及重现工作，将虚拟还原的古物整理归纳为虚拟博物馆，对历史文化古建筑以及古代文化的保护、更新、延续具有重要的现实意义。
虚拟教学利用虚拟交互技术模拟物理化学实验，直观的呈现复杂抽象的原理定理，使之变得可视化和可参与性，让学员能够参与到实验本身中，更加真实、更具体的理解学习到相关技能。同时可以使枯燥无趣的表格、繁琐的数字和抽象的程序语言变得生动而有趣。另一方面，虚拟实验能将相关知识点有机的串联起来，形成知识网络，起到汇总和系统化的作用，从而使学生能够把握知识网络，了解各学科直接的关联性。
地产漫游是以虚拟现实技术为基础的为最新型的房地产宣传和销售方式。通过地产漫游这种先进的销售方式，购房者可以直观的看到样板房形象，甚至能够对其周围环境进行直观的观察和分析，购房者可以借助虚拟展示媒介领略几年后才建成楼盘的风采。另一方面，地产漫游作为一种种先进的销售方式，拥有许多传统销售模式不具备的优点，比如地产漫游可以用于项目方案投标和报批的直观载体，有效的降低与政府相关部门之间的沟通成本，提高沟通的效率。另外，开发商可以直接选取漫游中的景观或者片段作为广告宣传，以此来降低广告投入。目标客户在虚拟漫游中能够主动的控制视角，选择观看的目标，将自己的主观爱好突出表现出来，审视小区内的设施环境，不在只受限于地产商的主观描述，具有更强的自主性，从而大大提升了合同签约的速度。据美国知名网站的数据显示，运用VR技术展示的地产漫游较之传统手段宣传的房产，访问率高出百分之四十之多，购房效果亦显著上升。
图2.2 虚拟现实技术应用下的故宫 图2.3 虚拟旅游
如果将虚拟现实技术应用到景区上（图2.3），实现足不出户的旅游就不再是梦想。其工作原理是利用全景拍摄技术将名胜风景记录下来，按真实的结构布局把它做成三维动画的形式，通过虚拟交互技术和三维坐标定位判定游客所在画面中的位置，然后通过头盔、交互眼镜或者方向盘等交互设备，就可以在电脑前面感受到景区真实的环境。
室内漫游作为交互漫游的一个应用分支，在整体流程上与其大致相同，但由于室内漫游的目的往往在于向用户展示室内的结构、装饰风格以及功能作用，因此在设计表现方面，更多的需要注意视觉效果和交互性操作。从目前该领域的发展状况来看，大多数的室内交互性漫游都是用于楼盘户型的选择以及室内的装修方案选择。整体上来看，都是一些小型的商用虚拟平台，并没有一套完整的虚拟化流程和大规模的虚拟平台建设。
第三节 研究内容和方法
本文以南京医科大学附属医院为研究目标，主要阐述了虚拟交互系统的完整搭建过程，并总结出一套虚拟交互系统构建的通用标准化流程。在搭建过程中，首先进行了相应的设计调研，对医院的外形和内部结构进行了深入的信息采集工作，同时调查分析了国内各医院的标识系统，对看病流程也进行了深入的分析。随后，使用auto CAD、3ds MAX等三维设计软件完成了医院建筑分布图以及各类模型的制作。接着使用三维交互软件unity 3D完成交互系统的搭建。本文主要包括内容如下：
一、通过实地调查了解医院的整体布局，整理和分析南京医科大学附属医院的呼吸科室内部结构，利用整理出的素材和已有资料确定呼吸科室的俯视图。
二、利用三维建模工具3ds MAX完成对门诊大厅及呼吸科室各个房间的模型构建工作。
三、对灯光进行基础的设置，调节各模型的材质信息，通过Vary渲染器将材质信息烘焙出带有光照信息的Tga格式贴图，并利用Photo Shop对达不到视觉要求的烘焙贴图进行细节上的处理和校正。
四、将3ds MAX中的模型导出为FBX格式，并导入到虚拟交互软件unity 3D中，之后将烘焙得到的光照信息图重新赋于模型。
五、在unity 3D中制作第三人称视角的Java组件，并添加各种GUI导航面板，实现场景的跳转和链接功能。
六、将整个文件发布为exe格式的应用程序，运行并测试最终效果。第二章 场景的三维化过程
第一节 三维建模软件的介绍
目前三维实体建模技术已经相当成熟，常用三维建模软件很多，不同的行业有不同的标准，因此使用不同的软件，各种三维软件针对不同的要求各有所长，根据本次建模任务的具体情况，分别对PROE、Maya、3DS MAX建模软件进行了详细的对比分析。
一、Proe/Engineer
Pro/Engineer系统是美国参数技术公司的产品，是第一个提出参数化设计的三维软件，主要应用在工业工程等领域。ptc公司改变了机械CAD/CAE/CAM的行业标准和传统观念，这种全新的概念已逐渐代替传统准则，成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。Pro/Engineer软件能将设计调试生产等整个工业化流程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现工程的并行，极大的提高了工业链的产出效率。同时，Pro/Engineer系统用户界面简洁，各项功能明确，概念清晰，符合工程人员的设计思路与习惯。整个系统拥有统一完整的数据结构，具有精准完美的模型。pro/engineer的系统独立于硬件，便于用户在不同平台的移植。
原文链接：http://www.jxszl.com/ysl/szmt/1669.html
