机械装备虚拟现实设计及实例分析 课件 第3章 场景布置与渲染关键技术

第三章场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.1

空间坐标系—世界坐标系战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3

世界坐标是场景中所有对象的通用坐标系。它以场景的原点为基准，使用X、Y和Z轴表示模型在三维空间中的位置。

例如，当模型的世界坐标是(5,2,8)，则它在X轴上距离原点5个单位，在Y轴上距离原点2个单位，在Z轴上距离原点8个单位。

当从Unity3d中新建一个模型对象，它所具有的Transform参数所采用的就是世界坐标系，该坐标系分为左手坐标系和右手坐标系，如右图所示。其中左手坐标系代表的是世界坐标系。左右手法则第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4

Unity3d中一个模型的坐标信息，通过Transform.position来存储，它是一个Vector3变量，是一个三维向量，存储了X、Y、Z的位置信息。操作界面如右图所示。坐标位置信息3.1

空间坐标系—世界坐标系第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5

屏幕坐标系是一个二维坐标系统，原点位于屏幕的左下角，水平轴向右延伸，垂直轴向上延伸。

屏幕坐标系的单位是像素，X轴表示水平方向的像素位置，Y轴表示垂直方向的像素位置，所以又叫做像素坐标系。通过屏幕坐标系，可以在场景开发中方便地进行屏幕上的位置定位、用户输入处理以及屏幕空间的渲染效果控制。如右图所示。屏幕坐标系3.1

空间坐标系—屏幕坐标系第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6

为了方便设计，可以使用Camera.ScreenToWorldPoint和Camera.WorldToScreenPoint等方法实现屏幕坐标和世界坐标之间的转换，便于模型对象在屏幕上的交互和呈现。3.1

空间坐标系—屏幕坐标系例如：Vector3worldPosition=newVector3(3,2,5);Vector3screenPosition=Camera.main.WorldToScreenPoint(worldPosition);Vector3worldPositionAgain=Camera.main.ScreenToWorldPoint(screenPosition);这使得开发者能够轻松地将模型的位置从世界坐标转换为屏幕坐标，或者反向转换。第三章

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视口坐标系是相对于摄像机视角的坐标系统。它使用归一化的坐标值，X和Y轴的范围是[0,1]，表示在相机视口内的位置。视口坐标系常用于处理摄像机的渲染效果或在相机中进行一些特殊的定位。相机视角坐标系3.1

空间坐标系—视口坐标系

视口坐标系和屏幕坐标系类似：

视口坐标通过使用Camera.ViewportToWorldPoint和Camera.WorldToViewportPoint函数，实现世界坐标和视口坐标之间转换。第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8GUI坐标系主要用于创建和管理2DGUI元素。它使用像素坐标，原点位于屏幕左上角。在GUI坐标系中，开发者可以使用GUI类的函数来控制元素的位置、大小和交互。3.1

空间坐标系—GUI坐标系

例如，通过以下代码可以设置一个GUI按钮的位置：GUI.Button(newRect(10,10,100,50),"Clickme!");

案例中，按钮的左上角在GUI坐标系中的坐标是(10,10)，宽度和高度分别为100和50。GUI坐标系设置目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10平移操作界面其操作方法主要包括：(1)在Unity3d编辑器中，选择要平移的模型。(2)在工具栏中选择移动工具（快捷键：W）。(3)按住鼠标左键拖动移动工具的箭头，即可沿着对应轴线进行平移。也可在Transform组件中直接修改模型的Position属性，手动输入平移的距离。3.2

位置布置——平移操作

平移是指沿着模型的轴线移动模型，使其改变位置而不改变方向。第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11代码操作：使用Transform.Translate方法实现模型的平移，通过传入一个位移向量来指定平移的距离和方向。例如：TransformcubeTransform=GetComponent<Transform>();floatzMovement=Time.deltaTime*speed;cubeTransform.Translate(Vector3.forward*zMovement);}其中transform.Translate(Vector3.forward)表示将模型沿着Z轴正方向移动。3.2

位置布置—平移操作第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造12其操作方法主要包括：（1）在Unity编辑器中，选择要旋转的模型。（2）在工具栏中选择旋转工具（快捷键：E）。（3）按住鼠标左键拖动旋转工具的圆圈，即可绕着对应轴线进行旋转。也可以在Transform组件中直接修改模型的Rotation属性，手动输入旋转的角度。旋转操作界面3.2

位置布置—旋转操作

旋转是指改变模型的朝向，使其绕着一个中心点旋转。第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13代码操作：使用Transform.Rotate方法也可以实现模型的旋转，通过传入一个旋转向量来指定旋转的角度和轴。3.2

位置布置—旋转操作例如：transform.Rotate(Vector3.up*Time.deltaTime*rotationSpeed)该函数用来将模型绕着Y轴正方向旋转。第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造14其操作方法主要包括：(1)在Unity编辑器中，选择要缩放的模型。(2)在工具栏中选择缩放工具（快捷键：R）。(3)按住鼠标左键拖动缩放工具的方块，即可沿着对应轴线进行缩放。也可以在Transform组件中直接修改模型的Scale属性，手动输入缩放的比例。缩放操作界面3.2

位置布置—缩放操作

缩放是指改变模型的大小，使其变得更大或者更小。第三章

场景布置与渲染关键技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造15代码操作：使用Transform.localScale属性实现模型的缩放，通过传入一个缩放向量来指定各个轴的缩放比例。例如：transform.localScale=newVector3(2,2,2)该函数用来将模型在X、Y、Z轴方向上都放大为原来的2倍。3.2

位置布置—缩放操作目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—材质类型选择战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1717(1)漫反射材质：漫反射材质是在模型表面均匀地反射光线，不会产生镜面反射的效果。(2)镜面反射材质：镜面反射材质具有光泽和反射效果，在表面产生明亮的光斑，能够模拟金属等光滑表面的特性。(3)透明材质：透明材质允许部分光线穿过表面，而不是完全反射或吸收。部分材质球选择第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—材质选择原则战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造181818

在选择合适的材质类型时，需要考虑场景需求、效果目标以及渲染性能等因素。以下是一些基本的材质选择最优方法：(1)根据模型属性选择：根据模型的表面特性和反射属性选择合适的材质类型。(2)考虑光照环境：考虑场景中的光照情况，选择能够与光照环境相匹配的材质，以达到更加真实的效果。在低光环境下，适合使用镜面反射材质，而在高光环境下，漫反射材质更为合适。(3)调节材质参数：根据具体需求调节材质的参数，如反射强度、透明度、光泽度等，以达到理想的视觉效果。模型属性光照环境材质参数选择原则第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—材质添加方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1919

下面在Unity3d中创建一个新材质。首先，在Materials中右击鼠标找到Creat，在Creat列表中选择Material,完成材质创建，具体操作如右图所示。

材质球创建第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—材质添加方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2020

将创建完成的材质球拖拽到需要渲染的模型中，对模型进行材质添加，如右图所示，对液压支架立柱进行材质添加。

材质球添加第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—材质参数调节战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造212121针对不同的材质类型，可以调节一系列参数来控制其外观和表现效果。打开需要调节的材质球，在Inspector中调节相关参数。材质球参数调节第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—纹理贴图与调整战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2222

UV映射是一种将二维纹理映射到三维模型表面的技术。在UV映射中，每个顶点都会分配一个UV坐标，用于确定纹理在模型表面的位置和方向。在虚拟现实应用中，需要对纹理进行调整和编辑，以满足场景特定的需求和效果。(1)缩放：调整纹理大小比例，使其适应模型表面尺寸。(2)旋转：旋转纹理的方向，改变其在模型表面上的布局。(3)偏移：在UV坐标空间中对纹理进行平移，调整其在模型表面上的位置。(4)镜像：对纹理进行水平或垂直镜像，改变其在模型表面上的对称性。缩放旋转偏移纹理调整措施镜像第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—纹理添加方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2323在Unity3d中进行纹理调整的基本步骤：导入纹理：将所需纹理图像导入Unity3d项目中。创建材质：在Unity3d中创建一个新的材质，并将导入的纹理应用到该材质上。调整纹理参数：在材质属性面板中，调整纹理的缩放、旋转、偏移等参数，以达到最佳视觉效果。纹理贴图添加第三章

场景布置与渲染关键技术3.3

材质与纹理—纹理添加方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2424在Unity3d场景视图中，可以实时预览纹理在模型表面上的效果，并根据需要进行调整，右图为纹理贴图前后的效果对比。纹理贴图对比图（a）贴图前（b）贴图后目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.4

光照与阴影—光照模式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造262626

光照模式是描述光源在场景中产生光照效果的模式。在虚拟环境中，常见的光照模式包括平行光、点光源和环境光等。在Unity3d等虚拟环境开发平台中，通过调整光源组件的参数来实现光照设置。具体操作包括添加光源对象、调整光源的位置、方向和强度等。光源选择第三章

场景布置与渲染关键技术3.4

光照与阴影—光照模式与选择战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2727271.平行光

平行光是指来自远处并且光线方向平行的光源。其特点是光线平行且方向固定，适用于模拟室外场景和整体光照效果。2.点光源

点光源是指从一个点发出的光源，光线向所有方向辐射。其特点是光线发散且强度随距离递减，适用于模拟室内场景和局部光照效果。3.环境光

环境光是指在场景中通过多次反射和折射产生的间接光照效果。其特点是柔和且均匀，能够增强场景的整体感和真实感。不同光照环境下效果图第三章

场景布置与渲染关键技术3.4

光照与阴影—阴影模式与选择战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造282828

阴影是指光线被模型遮挡而产生的暗影效果，是增强虚拟环境真实感的重要元素之一。在虚拟环境中，常见的阴影类型包括实时阴影和静态阴影。

在Unity3d中，通过调整阴影的参数来改善阴影效果，包括阴影的分辨率、强度和软硬度等。具体操作包括调整阴影的分辨率以提高阴影的清晰度和细节、调整阴影的强度以控制阴影的明暗程度、以及调整阴影的软硬度以改变阴影的边缘过渡效果。通过合理调整阴影参数，可以使场景中的阴影效果更加真实和自然，增强场景的真实感和立体感。实时阴影：实时阴影是在运行时动态生成的阴影效果，适用于动态模型和光源的场景。静态阴影：静态阴影是在场景构建阶段预先计算和存储的阴影效果，适用于静态模型和光源的场景。目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3030实时渲染是指在场景或应用程序中即时生成并呈现图像的过程，其核心目标是在有限的时间内生成高质量的图像以实现流畅的用户体验。屏幕空间反射环境光遮挡光照与阴影实时渲染措施粒子系统图像特效第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3131（1）屏幕空间反射屏幕空间反射是一种用于模拟模型表面反射的高级渲染技术，通过对屏幕上的像素进行采样，计算其对应的反射结果，从而实现真实感的反射效果。（2）环境光遮挡环境光遮挡是一种用于模拟光线在环境中传播时受到遮挡而产生的阴影效果的渲染技术。在真实世界中，模型之间存在着各种微小的间隙和遮挡，这些遮挡会导致光线在模型表面聚集较少，从而在阴影区域产生暗淡的效果。第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3232（3）光照与阴影光照和阴影会直接影响着场景的逼真程度和用户体验。光照模拟了光线在场景中的传播和作用过程，而阴影则模拟了光线被模型遮挡而产生的暗影效果。（4）粒子系统粒子系统可以模拟各种特殊环境，如火焰、烟雾、水流等。通过调整粒子的参数和特性，可以实现丰富多彩的视觉效果，增强场景的真实感和动态性。（5）图像特效图像特效可以通过后期处理来增强场景的视觉效果，如景深效果、运动模糊、色彩校正等。图像特效可以使场景更加生动、美观，提升用户的视觉体验。第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3333GPU特性对渲染性能的影响：GPU（GraphicsProcessingUnit，图形处理器）的特性对渲染性能有着重要的影响。其中包括并行处理能力、显存带宽、纹理单元数等。除此之外，GPU的特性还包括以下五个方面。CUDA核心数图形存储器类型显存容量GPU特性GPU频率图像特效第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3434渲染管线的基本流程

渲染管线是指渲染引擎中图形数据处理的流程。在现代图形渲染中，通常包括顶点处理、光栅化、片元处理等阶段。顶点处理阶段用于对顶点进行变换和投影，光栅化阶段将三维模型转化为二维像素，并确定每个像素的位置，片元处理阶段则对像素进行着色、光照等计算。(1)顶点处理；

(4)片元处理；(2)几何处理；

(5)像素输出；(3)光栅化；渲染管线的基本流程包括多个阶段，每个阶段都有特定的功能，负责处理不同的图形数据。第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3535(1)顶点处理：功能：顶点处理阶段负责对输入的顶点数据进行变换和投影，将三维空间中的顶点坐标转换为屏幕空间中的二维坐标。(2)几何处理：功能：几何处理阶段对顶点数据进行进一步处理，生成几何图元（如三角形）以供后续的光栅化处理。(3)光栅化：功能：光栅化阶段将几何图元转换为屏幕上的像素，并确定每个像素的位置。(4)片元处理：功能：片元处理阶段对光栅化阶段生成的每个像素进行处理，包括着色、光照计算、纹理采样等。(5)像素输出：功能：像素输出阶段将经过片元处理后的像素数据输出到帧缓冲区。第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3636减少场景性能消耗的优化方法：性能优化在场景开发和图形渲染中至关重要。它不仅可以提高场景的帧率和流畅度，还可以减少资源消耗，延长设备电池寿命，提升用户体验。

优化资源使用减少渲染负荷利用硬件加速优化方法使用延迟渲染技术避免过度绘制第三章

场景布置与渲染关键技术3.5

实时渲染与性能优化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3737(1)优化资源使用：合理管理场景资源，包括纹理、模型等，避免过度使用高分辨率或冗余资源，以减少内存和存储占用。(2)减少渲染负荷：通过减少多边形数量、使用简化模型、减少光源数量等方式，降低渲染复杂度，提高渲染性能。(3)利用硬件加速：充分利用GPU的硬件加速功能，如图形API的特性、着色器的优化、GPU实例化等，以提高渲染效率。(4)使用延迟渲染技术：延迟渲染技术可以将光照和材质计算延迟到后期阶段进行，从而减少对GPU的压力，提高渲染性能。(5)避免过度绘制：通过合理使用裁剪和遮挡技术，避免在不可见区域绘制对象，减少不必要的渲染占用。目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.6

粒子系统与特效设计战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3939

粒子系统能够模拟各种故障现象和场景特效，为场景增添动态感和丰富度。不同类型的粒子系统可以应用于各种不同的场景，根据需求进行选择和调整，以实现理想的视觉效果。火焰粒子效果烟雾粒子效果水流粒子效果常见粒子特效第三章

场景布置与渲染关键技术3.6

粒子系统与特效设计—火焰粒子效果战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4040(1)火焰形态：火焰通常具有柔软、流动的形态，具有一定的透明度和明亮度，根据火焰的大小和形状调整粒子系统的尺寸参数。(2)火焰颜色：火焰的颜色通常为橙红色至黄色，通过调整粒子的颜色和透明度，使其更加逼真和生动。(3)火焰运动：火焰通常具有不规则的运动轨迹，通过调整粒子的速度、方向和角度，模拟火焰的燃烧过程。火焰效果第三章

场景布置与渲染关键技术3.6

粒子系统与特效设计—烟雾粒子效果战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4141(1)烟雾形态：烟雾通常呈现出薄薄的、弥散的形态，具有一定的不透明度和随机性，根据场景需求调整粒子的参数。(2)烟雾颜色：烟雾的颜色通常为灰色或白色，通过调整粒子的颜色和透明度，使其更加逼真和立体。(3)烟雾漂浮：烟雾通常具有漂浮的效果，通过调整粒子的速度和运动轨迹，模拟烟雾在空气中的扩散和流动。烟雾效果第三章

场景布置与渲染关键技术3.6

粒子系统与特效设计—水流粒子效果战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4242(1)水流形态：水流通常具有流动、涓涓流淌的形态，具有一定的透明度和波动性，根据水流的大小和速度调整粒子系统的尺寸参数。(2)水流颜色：水流的颜色通常为蓝色或透明色，通过调整粒子的颜色和透明度，使其更加逼真和清澈。(3)水流涌动：水流通常具有涌动和波动的效果，通过调整粒子的速度和运动轨迹，模拟水流在地形上的流动和流溢。水流效果目录CONTENTS3.1空间坐标体系3.2位置布置3.3材质与纹理3.4光照与阴影材质与纹理3.5实时渲染与性能优化3.6粒子系统与特效设计3.7相机设置与视角控制3.8场景组织与层级管理第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—投影方式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造44（1）透视投影

透视投影是一种仿照人眼视觉特性设计的投影方式，具有近大远小、景深感强的特点。在透视投影中，模型距离相机越远，其在视野中的大小越小，而且远处的模型会呈现出明显的遮挡关系，使得场景更加真实。（a）远距离视角（b）近距离视角透视投影视角图第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—投影方式战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造45（a）远距离视角（b）近距离视角正交投影视角图（2）正交投影

在正交投影中，模型无论距离相机多远，其在视野中的大小保持不变。正交投影不考虑模型与相机之间的距离，所有模型在视野中的大小都是固定的，没有景深感。第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—模式选择与设置战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造46如何选择和设置相机模式？(1)创建相机：在场景中创建一个相机对象。可以通过在Hierarchy面板右键点击选择“Camera”来创建相机对象。(2)选择投影模式：选择创建的相机对象，在Inspector面板中找到相机组件的“Projection”属性。通过下拉菜单选择“Perspective”或“Orthographic”，分别对应透视投影和正交投影。Camera创建属性选择第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—模式选择与设置战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造47(3)调整投影参数（可选）：根据具体需求，可以调整相机的其他参数，如视场角、正交大小等，以达到预期的渲染效果。通过以上步骤，就可以在Unity3d中选择和设置相机的投影模式。根据具体的项目需求和场景特点，选择适合的相机模式将有助于实现更好的视觉效果。参数选择第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—相机视角控制战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造48在虚拟场景中，相机的基本视角控制是用户与场景互动的核心之一。通过旋转、平移和缩放等基本操作，用户可以灵活地观察和操控场景，增强交互体验。相机视角操作指示图第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—相机视角控制战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造49（1）平移平移是指沿着相机的轴线移动相机，使其改变位置而不改变方向。通过平移可以调整观察位置，从不同的角度和距离观察场景中的模型和环境。相机视角平移第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制—相机视角控制战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造50（2）旋转旋转是指改变相机的朝向，使其绕着一个中心点旋转。通过旋转，用户可以调整观察角度和方向，以便更好地观察场景中的模型和环境。相机视角旋转第三章

场景布置与渲染关键技术3.7

相机设置与视角控制战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造51（3）缩放缩放是指改变相机的视野范围，使其呈现出不同的视角大小。通过缩放可以调整视野