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虚拟现实应用开发教程 读者对象:本书适用于影视三维模型师、3D动画设计师、自媒体剪辑师、影视后期特效师、Unity开发工程师、虚幻引擎开发工程师等从事虚拟现实相关工作的人员使用 本书以虚拟现实相关专业的人才培养需求为出发点,根据产业发展需求与技能人员从业需求进行编写,内容编排上着重阐述Maya、AE、Unity3D和UnrealEngine等虚拟现实相关软件的具体操作,主要通过相关案例演示的方式进行教学,并简要介绍虚拟现实相关软件的基础知识和虚拟现实概况。本书包括虚拟现实概述、模型构建、动画设计、后期处理和交互开发五个模块。虚拟现实概述模块主要介绍虚拟现实的基本情况,包括基本概念、相关技术和应用场景等;模型构建模块主要讲解Maya软件的基础知识和基础操作,包括基础建模流程、PBR流程、模型渲染等,并通过不同类型的案例进行操作演示;动画设计模块主要讲解如何通过Maya软件进行动画制作,包括物体动画和人体动画等;后期处理模块主要讲解后期处理的基础知识及具体操作;交互开发模块主要讲解基于Unity3D和UnrealEngine的VR引擎开发交互设计,包括引擎的基础知识、交互开发步骤、用户界面的制作等。本书适用于影视三维模型师、3D动画设计师、自媒体剪辑师、影视后期特效师、Unity开发工程师、虚幻引擎开发工程师等从事虚拟现实相关工作的人员使用。 前言 20世纪末,我国开始对虚拟现实技术展开重点研究,对其应用方式及范围展开分析探讨,对其发展的优化方式进行科学合理的规划。我国“十四五”规划将虚拟现实应用列为数字经济的重点发展领域之一。虚拟现实作为新一代信息技术创新融合的典型领域,随着新技术的发展不断成熟,前景不断明确,赋能社会各行各业的能力逐步凸显,战略地位越发重要,政府扶持力度逐年加大。 国家全面规划了虚拟现实产业的发展目标、发展路径和重点任务,以加速虚拟现实产业发展。同时,产业的发展带动了强劲的人才需求,2020年2月25日,人力资源社会保障部与国家市场监管总局、国家统计局联合发布16个新职业信息,“虚拟现实工程技术人员”正式确立为新职业。2023年第一季度,北京、江苏、上海、浙江、山东、福建等地密集发布元宇宙及相关产业的发展计划、措施和行动计划,字节跳动、腾讯等互联网大厂也纷纷入局。虚拟现实作为新一轮产业发展的高新行业,人才争夺战正悄然打响。 为培养虚拟现实产业急需的高质量人才,教育部、工业和信息化部等部委陆续出台了加速虚拟现实领域人才培养等相关政策。2020年2月25日,教育部公布了2019年度普通高等学校本科专业备案和审批结果,其中“虚拟现实技术”本科专业纳入《普通高等学校本科专业目录(2020年版)》。2021年,人力资源社会保障部与工业和信息化部联合颁布了《虚拟现实工程技术人员国家职业技术技能标准》,为虚拟现实人员培养提供了评价标准,相关大赛、技能培训和考核也已陆续开展,促进了人员选聘以及职业发展的规范化。2022年,工业和信息化部、教育部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(2022—2026年)》(以下简称《行动计划》)。在强化人才支撑方面,《行动计划》明确,支持高等院校加强虚拟现实相关学科专业建设,鼓励产学研合作,推进高校、科研机构与企业联合精准育才,加强人才引进,扩大定向培养,培育一批复合型人才。同时优化企业家成长环境,建立有利于企业家参与创新决策、凝聚创新人才、整合创新资源的新机制,造就高水平领军人才队伍。 本书基于虚拟现实应用开发全链条流程,紧密对接产业发展需求与技能人员从业需求,涵盖基础教程和进阶教程,使读者能够循序渐进地掌握相关软件的使用方法与内容制作技巧,为虚拟现实行业从业人员提供完整有效的技能知识,加快复合型虚拟现实专业人才的培养,加强虚拟现实产业人才队伍建设,推动数字经济高质量发展。本书是虚拟现实应用开发基础教材,全书共9章,主要介绍虚拟现实的基本情况,包括基本概念、相关技术和应用场景等;Maya软件的基础知识和基础操作;如何通过Maya软件进行动画制作;后期处理的基础知识及具体操作;基于Unity 3D和Unreal Engine的VR引擎开发交互设计。 本书适用于影视三维模型师、3D动画设计师、自媒体剪辑师、影视后期特效师、Unity开发工程师、虚幻引擎开发工程师等从事虚拟现实相关工作的人员使用。 由于编者水平有限,书中难免存在缺点和错漏之处,恳请读者批评指正。 编者 2026年1月 目录 第1章虚拟现实基本概念1 1.1虚拟现实的定义1 1.1.1虚拟现实1 1.1.2增强现实1 1.1.3混合现实2 1.2虚拟现实发展史2 1.2.1第一阶段——1963年 以前2 1.2.2第二阶段——1963— 1972年3 1.2.3第三阶段——1973— 1989年3 1.2.4第四阶段——1990年 至今4 1.3虚拟现实相关技术6 1.3.1虚拟现实相关技术 概述6 1.3.2虚拟现实内容制作 流程8 第2章虚拟现实应用案例14 2.1虚拟现实+文旅14 2.1.1虚拟现实+线下 旅游14 2.1.2虚拟现实+虚拟 旅游15 2.1.3虚拟现实+文化 创新16 2.1.4虚拟现实+数字 藏品17 2.1.5虚拟现实+艺术 展览17 2.1.6虚拟现实+文化 遗产18 2.2虚拟现实+娱乐19 2.2.1虚拟现实+偶像19 2.2.2虚拟现实+游戏19 2.2.3虚拟现实+演出20 2.2.4虚拟现实+沉浸式 空间体验20 2.2.5虚拟现实+影视21 2.2.6虚拟现实+社交22 2.3虚拟现实+工业生产22 2.3.1虚拟现实+产品 设计23 2.3.2虚拟现实+生产 装配23 2.3.3虚拟现实+运维 巡检24 2.3.4虚拟现实+企业 培训25 2.3.5虚拟现实+孪生 平台25 2.4虚拟现实+医疗26 2.4.1虚拟现实+手术 模拟26 2.4.2虚拟现实+心理 治疗27 2.4.3虚拟现实+医学 康复28 2.4.4增强现实+辅助 医疗28 2.4.5虚拟现实+数字 医疗管理29 2.4.6虚拟现实+医疗 培训30 2.5虚拟现实+教育30 2.5.1虚拟现实+模拟 实验30 2.5.2虚拟现实+仿真 实训31 2.5.3虚拟现实+虚拟 研学31 2.5.4虚拟现实+寓教 游戏32 2.5.5虚拟现实+虚拟 校园33 2.6虚拟现实+农业34 2.6.1虚拟现实+农业 生产34 2.6.2虚拟现实+休闲 农业35 2.7虚拟现实+智慧城市35 2.8虚拟现实+体育竞技37 2.8.1虚拟现实+健身 娱乐37 2.8.2虚拟现实+竞赛37 2.8.3虚拟现实+体育 训练37 2.9虚拟现实+应急仿真38 2.9.1虚拟现实+应急 培训38 2.9.2虚拟现实+应急 科普38 2.10虚拟现实+能源矿山39 2.10.1虚拟现实+孪生 平台39 2.10.2增强现实+辅助 协作40 2.11虚拟现实+军事40 2.11.1虚拟现实+作战 模拟40 2.11.2虚拟现实+模拟 训练41 2.11.3虚拟现实+勤务 仿真训练42 2.11.4虚拟现实+心理 训练42 2.12虚拟现实+航空航天43 2.12.1虚拟现实+航天 训练43 2.12.2虚拟现实+仿真 模拟43 2.12.3虚拟现实+飞行 模拟器43 2.13虚拟现实+商业营销44 第3章Maya基础建模46 3.1三维建模行业介绍46 3.1.1三维建模46 3.1.2三维建模的行业46 3.1.3Maya软件46 3.2Maya的界面介绍47 3.2.1启动程序47 3.2.2工作界面的组成47 3.2.3保存文件51 3.3Maya的基础操作与界面 布局51 3.3.1新建立方体51 3.3.2快捷键的使用52 3.3.3坐标轴52 3.3.4单位设置52 3.3.5删除模型52 3.3.6调整旋转中心53 3.3.7工作界面整体布局53 3.3.8工作区的视图布局54 3.4多边形的创建与基础属性55 3.4.1新建多边形基本体55 3.4.2新建平面与基本 属性56 3.4.3新建圆柱体与基本 属性57 3.4.4新建圆锥体与基本 属性58 3.4.5新建立方体与基本 属性58 3.4.6新建圆环与基本 属性58 3.4.7新建球体与基本 属性58 3.4.8新建圆盘与基本 属性58 3.4.9新建不常用的多 面体59 3.5Maya的热盒命令60 3.5.1热盒命令60 3.5.2点线面的选择61 3.5.3顶点模式下的操作 命令62 3.5.4顶点模式下的选择 命令65 3.5.5边模式下的操作 命令66 3.5.6边模式下的选择 命令68 3.5.7面模式下的操作 命令69 3.5.8面模式下的选择 命令71 3.5.9对象模式下的操作 命令71 3.5.10其他常用热盒 命令71 3.6Maya的软硬边与卡线基础75 3.6.1模型的显示75 3.6.2卡线与软硬边76 3.7Maya的基础材质球与UV 基础76 3.7.1材质球76 3.7.2UV77 3.8Maya常用命令81 3.8.1复制81 3.8.2修改82 3.8.3删除历史82 3.8.4附加到多边形83 3.8.5网格显示83 3.8.6挤出83 3.8.7吸附84 3.8.8Maya的分组与分层85 3.8.9激活选定对象与 拓扑86 3.8.10布尔88 3.8.11晶格89 3.9模型案例90 3.10UV讲解95 3.10.1UV95 3.10.2UV演示95 3.11Maya材质讲解99 3.12材质的使用方法102 3.12.1Lambert102 3.12.2Blinn103 3.12.3阿诺德(Arnold)103 3.13阿诺德材质讲解103 3.14阿诺德灯光讲解106 3.14.1Maya自带的物理 渲染器107 3.14.2阿诺德107 3.14.3阿诺德灯光应用 演示108 3.15阿诺德渲染设置111 3.15.1单张图片的渲染111 3.15.2视频渲染111 3.15.3Arnold Renderer113 3.15.4System113 3.15.5AOVs113 3.15.6其他设置113 3.16摄影机115 3.16.1摄影机的创建 方式115 3.16.2摄影机的设置117 3.17实战案例——卡通小场景 渲染118 第4章Maya——PBR道具122 4.1认识PBR122 4.1.1PBR基本概念及演变 历史122 4.1.2PBR的应用123 4.1.3PBR具体制作流程123 4.1.4PBR的制作软件123 4.2软件操作124 4.2.1Maya建模125 4.2.2xNormal高低模 烘焙126 4.2.3SP上材质126 4.2.4八猴渲染131 4.3低模制作132 4.4高模制作134 4.5拆分UV137 4.5.1Maya拆分UV137 4.5.2xNormal高低模 渲染141 4.6处理法线与AO142 4.6.1导入八猴软件142 4.6.2Ps修整AO与法线142 4.7SP基础讲解145 4.7.1SP软件工作界面145 4.7.2SP软件基础操作147 4.8SP材质讲解149 4.8.1利用颜色区分材质149 4.8.2上材质150 4.8.3做旧151 4.8.4渲染152 4.8.5导出贴图153 4.9PBR渲染153 4.9.1八猴软件渲染153 4.9.2Maya渲染154 第5章Maya阿诺德渲染156 5.1Maya渲染器介绍156 5.1.1Maya渲染器的 种类156 5.1.2CPU渲染器与GPU 渲染器的对比157 5.1.3材质球157 5.2Maya阿诺德渲染流程157 5.2.1新建场景158 5.2.2基础灯光159 5.2.3基础材质调整159 5.2.4灯光细化159 5.2.5细化材质160 5.2.6调整氛围160 5.3Maya阿诺德调整材质160 5.4Maya阿诺德灯光166 5.5Maya阿诺德室内氛围 调整168 5.6Maya摄影机169 5.6.1创建摄影机的两种 方式169 5.6.2摄影机设置171 5.7Maya渲染设置171 5.7.1公用171 5.7.2Arnold Renderer171 5.7.3System173 5.8Ps修饰渲染图173 5.9室内暗夜环境174 5.10渲染图修饰181 5.11室外鸟瞰182 5.12渲染与输出186 5.13动态序列帧渲染187 5.14Maya渲染问题及解决 方法198 5.15动画渲染设置198 5.16后期合成200 5.17室内动画展示204 5.18摄影机动画209 5.19渲染设置及注意事项209 5.20渲染合成211 5.21360室内渲染212 5.22360室内漫游217 5.23实战案例227 第6章Maya动画制作232 6.1三维动画介绍和基本设置232 6.1.1三维动画基础介绍232 6.1.2三维动画的应用 场景232 6.1.3职业发展方向233 6.1.4基本设置233 6.2关键帧和曲线图编辑器234 6.2.1关键帧234 6.2.2曲线图编辑器234 6.3小球弹跳动画235 6.4不同材质球弹跳动画236 6.4.1皮球弹跳动画236 6.4.2氢气球弹跳动画236 6.5为小球动画添加简单的 挤压与拉伸237 6.6动画基本法则239 6.7简单动画制作242 6.8创建骨骼、正向和反向力学244 6.8.1创建骨骼245 6.8.2正向和反向力学246 6.9约束命令247 6.10蒙皮工具和骨骼控制器253 6.10.1蒙皮工具253 6.10.2骨骼控制器255 6.11人体骨骼的绑定256 6.12简单的人物走路动画262 6.13ADV插件人体绑定264 6.14机械模型车辆绑定271 6.15Pose制作理论273 6.15.1静态Pose与动势 Pose273 6.15.2剪影274 6.15.3角色重心274 6.15.4重心的支撑平面274 6.15.5角色身体动势线275 6.16坐姿Pose制作275 6.17站姿Pose制作276 6.18躯干姿态讲解277 6.18.1C型和S型躯干 姿态277 6.18.2C型躯干姿态操作演示—— 人物起跑姿态277 6.18.3S型躯干姿态操作演示—— 人物单脚支撑姿态278 6.19手指Pose制作279 6.19.1常规手指Pose 制作279 6.19.2手与物体联动时 手指Pose制作280 6.20Pose制作中力的传递280 6.20.1单人模型拄拐过程 中力的传递280 6.20.2双人互动过程中力 的传递281 6.21连环Pose制作281 6.22人物走路循环制作283 6.23人物跑步循环制作287 6.24人物跳跃动作关键Pose 制作290 6.25人物跳跃动作细节制作291 6.26忍者神龟跳跃动作关键 Pose制作293 6.27忍者神龟跳跃动作过渡帧294 6.28忍者神龟跳跃动作细节295 6.29动画常用插件讲解297 第7章后期处理300 7.1AE的基础实操与3D图层 的初识300 7.1.1新建合成参数设置 以及界面的初识300 7.1.2各面板参数含义301 7.1.3效果参数调整方式 以及图层属性303 7.1.43D坐标轴及坐标 含义304 7.1.53D图层的旋转原理 及调色304 7.1.63D图层位置与旋转 原理306 7.1.7素材替换的方式及 文本的创建与参数307 7.1.8Motion2脚本的使用 及图层独显的方式307 7.1.9色相饱和度效果 原理308 7.2父子级绑定与遮罩动画 原理308 7.2.1蒙版的绘制308 7.2.2关键帧动画制作的原理及交 互动画的制作原理309 7.2.3速度图表的原理310 7.2.4图形的创建与形状 蒙版的创建310 7.2.5形状工具的实操 应用311 7.2.6父子级绑定原理312 7.2.7纯色图层的建立与黑色 遮幅的动画制作312 7.2.8音频的添加与制作313 7.2.9视频的导出讲解与水平 翻转的制作方法314 7.2.10遮罩的制作与遮罩 动画的原理315 7.3E3D效果和文字动画的 制作原理316 7.3.1分形杂色的原理316 7.3.2分形杂色的效果应用及 time表达式的原理317 7.3.3文字动画制作原理317 7.3.4文字缓和动画的 调整317 7.3.5文字动画属性的 添加与原理318 7.3.6Element插件的 原理318 7.3.7E3D中材质球的 调整320 7.3.8E3D模型材质 原理320 7.3.9E3D插件粒子复制和粒子样式参数原理以及摄像机的创建321 7.3.10摄像机旋转工具和推拉 工具的原理322 7.3.11摄像机移动工具的 原理323 7.3.12摄像机动画制作 原理323 7.3.13Optical Flares插件的 原理325 7.3.14调整图层以及梯度 渐变的原理326 7.4灯光路径的绘制及Particular 粒子图层发射器的原理326 7.4.1灯光路径的绘制 原理326 7.4.2Particular粒子演化参数 调整原理328 7.4.3粒子演化效果案例 制作329 7.4.4Particular粒子图层 发射器原理329 7.4.5Particular粒子域场 的原理330 7.4.6粒子倒放制作原理331 7.4.7粒子汇聚文本出现的 效果原理331 7.4.8Particular背景粒子 调整案例332 7.4.9跟踪摄像机原理332 7.4.10跟踪摄像机3D文本 的创建原理334 7.5Plexus效果及塌陷开关的 原理334 7.5.1Plexus点渲染的 原理334 7.5.2Plexus线渲染的 原理335 7.5.3Plexus三角面渲染 的原理335 7.5.4Plexus精灵粒子的原理及 wiggle表达式的原理337 7.5.5立方体的创建及三视图 的理解337 7.5.6三视图坐标系原理338 7.5.7塌陷开关折叠变换的 原理339 7.5.8塌陷开关预合成 原理339 7.5.93D坐标轴旋转、缩放的 原理339 7.6灯光及修剪路径的原理340 7.6.1水滴融合效果 原理一340 7.6.2水滴融合效果 原理二340 7.6.3水波纹交互动画制作 原理341 7.6.4修剪路径的原理及 动画制作342 7.6.5文字动画进阶342 7.6.6发光效果应用342 7.6.7MG动画制作思路343 7.6.8灯光投影的原理344 7.6.9灯光对影子位置影响 的原理345 7.6.10灯光各类型的 原理345 7.6.11灯光应用的案例 实操346 7.7跟踪与运动及中继器的 原理346 7.7.1跟踪与运动的原理346 7.7.2中继器效果原理一348 7.7.3中继器效果原理二348 7.7.4圆环HUD的制作348 7.7.5项目制作思路与知识点 梳理349 7.7.6文字融合效果制作 原理349 7.7.7毛边效果的原理350 7.7.8渐变叠加的原理351 7.7.9文字融合效果项目 制作的整合352 7.8Saber插件与CC cylinder 插件的原理352 7.8.1时间置换原理352 7.8.2时间置换效果的 案例应用实操353 7.8.3Saber插件的原理353 7.8.4Saber路径位移动画 制作原理讲解354 7.8.5Saber图层遮罩路径 追踪原理354 7.8.6CC cylinder插件的 原理355 7.8.7CC Sphere插件的 原理355 7.8.8MG动画游泳圈的 效果制作357 7.8.93D文字动画的 进阶357 7.8.10长投影的效果制作 原理358 第8章基于Unity 3D的VR引擎开发 交互设计3608.1Unity基础360 8.1.1Unity基础知识360 8.1.2管理项目文件362 8.1.3认识坐标系364 8.1.4基础综合复习364 8.1.5地形系统365 8.1.6组件369 8.1.7脚本370 8.1.8商城资源下载与 导入373 8.1.9调试功能373 8.1.10对象模板预制体374 8.1.11初识向量375 8.1.12了解游戏对象376 8.1.13代码获取游戏 对象数据377 8.2Unity常用组件及脚本 基础378 8.2.1了解Transform 组件378 8.2.2如何让对象动起来379 8.2.3认识时间类379 8.2.4认识灯光379 8.2.5灯光烘焙382 8.2.6Input383 8.2.7场景的切换384 8.2.8协程387 8.2.9场景异步加载388 8.2.10声音组件389 8.2.11视频播放组件390 8.2.12利用代码控制视频 播放391 8.2.13使用刚体组件实现 物理系统模拟392 8.2.14碰撞检测393 8.2.15使用刚体组件实现 移动和跳跃394 8.2.16触发检测395 8.2.17铰链关节395 8.2.18弹簧关节396 8.2.19固定关节397 8.2.20物理材质397 8.3Unity动画和导航系统398 8.3.1动画系统Animation398 8.3.2Animation代码控制399 8.3.3动画系统Animator400 8.3.4如何使用Animator 控制动画片段400 8.3.5使用代码实现动画 与位移同步402 8.3.6Animator动画 剪辑402 8.3.7动画的曲线与事件402 8.3.8混合树404 8.3.9融合动画405 8.3.10反向动力学407 8.3.11导航网格407 8.3.12导航系统的使用408 8.3.13导航系统的更多 功能411 8.4UI基础411 8.4.1什么是UI411 8.4.2UI系统锚点的 设置412 8.4.3基本组件文本 的使用412 8.4.4使用新版文本系统414 8.4.5基本组件按钮组件415 8.4.6基本组件文本框416 8.4.7基本组件下拉框418 8.4.8基本组件滑动条419 第9章基于Unreal的VR引擎开发 交互设计4229.1UE基础422 9.1.1虚幻引擎安装及 创建工程说明422 9.1.2操作界面介绍及 基本操作425 9.1.3基础模型的搭建426 9.1.4模型资产导入429 9.1.5贴图资产导入430 9.1.6UE资产包导入432 9.1.7Bridge资产下载导入433 9.1.8材质基础讲解434 9.1.9材质基础运算437 9.1.10金属材质制作439 9.1.11地形工具使用441 9.1.12植被工具使用443 9.1.13丛林场景445 9.1.14灯光类型讲解445 9.1.15灯光雾效调节447 9.1.16后期效果整体 调节449 9.1.17定位器的使用及 输出视频449 9.2UE制作流程451 9.2.1UE制作流程—— 前期制作规范451 9.2.2UE制作流程—— UE纠正法线452 9.2.3UE制作流程—— UE材质流程452 9.2.4UE制作流程——UE灯光 流程及材质细化454 9.2.5UE制作流程—— 摄像机动画455 9.2.6UE制作流程—— 定序器渲染456 9.2.7UE制作流程—— 通道渲染457 9.2.8实战案例458 9.3UE蓝图462 9.3.1关卡蓝图462 9.3.2蓝图类463 9.3.3函数465 9.3.4World Creator地形 制作465 9.3.5World Machine地形 制作467 9.3.6SpeedTree树木花草 制作468 9.3.73ds Max建筑主体 制作469 9.3.8Maya道具制作470 9.3.9DataSmith导出 工具470 9.3.10UE导入DataSmith 文件模型470 9.3.11前期整理模型471 9.3.12DataSmith导出 模型472 9.3.13UE导入DataSmith 模型472 9.3.14UE场景搭建472 9.3.15基础静态场景 灯光472 9.3.16灯光烘焙473 9.3.17动态灯光474 9.3.18模型静态材质474 9.3.19模型动态材质475 9.3.20特效制作476 9.3.21开关门蓝图撰写477 9.3.22标识蓝图撰写483 9.3.23灯光蓝图撰写487 9.3.24UI编辑489 9.3.25UI控制491 9.3.26电器蓝图撰写492 9.3.27人物走动蓝图 撰写493 9.3.28实战案例494 参考文献512
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