虚拟现实应用开发教程

本书以《虚拟现实应用开发职业技能等级标准》为编写依据，围绕虚拟现实技术的人才需求与岗位能力进行内容设计。在初级、中级内容的基础上，本书介绍了高级三维技术、项目架构设计、高级应用编程、基于虚拟现实引擎的高级开发、性能优化等内容，涵盖了次世代建模、角色动画制作和三维特效制作等技术，以及项目架构需求分析与设计、面向过程和面向对象的高级编程技术、网络编程技术、动画合成技术、运动学原理运用和渲染系统运用等基于虚拟现实引擎的高级开发、性能分析与优化等内容。本书以模块化的结构组织章节，以任务驱动的方式安排内容。本书可作为1+X证书制度试点工作中虚拟现实应用开发职业技能等级证书培训的教材，也可作为期望从事虚拟现实应用开发工作的人员和视觉传达、数字媒体技术、影视制作、动漫游戏开发等相关专业的学生的参考书。

目 录



第1章 高级三维技术 1
1．1 制作次世代模型 2
1．1．1 导入参考图 2
1．1．2 创建模型基本体 2
1．1．3 模型的UVW展开 5
1．1．4 烘焙 7
1．1．5 绘制高度贴图 8
1．1．6 绘制材质贴图 10
1．1．7 输出贴图 13
1．1．8 添加贴图 13
1．2 制作角色动画 14
1．2．1 蒙皮的概念 14
1．2．2 骨骼绑定 20
1．2．3 添加蒙皮 33
1．2．4 分配整体权重 34
1．2．5 设定动画 37
1．2．6 细致调节权重 38
1．2．7 制作行走动画 46
1．3 制作三维特效 60
1．3．1 Unity粒子系统 60
1．3．2 制作篝火火焰特效 74
1．3．3 制作目的地提示特效 87
1．4 本章小结 94
第2章 项目架构设计 95
2．1 项目架构的需求分析 97
2．1．1 需求的梳理 97
2．1．2 功能和子系统的划分 98
2．1．3 子系统层级结构的设计 99
2．1．4 业务框架的抽象 101
2．1．5 系统架构的规划及优化 102
2．2 项目架构的概要设计 102
2．2．1 模块功能的划分 103
2．2．2 子系统之间交互关系的定义 103
2．2．3 系统架构的描述 105
2．2．4 架构图的搭建 106
2．3 项目架构的详细设计 107
2．3．1 系统框架的搭建 107
2．3．2 公共组件的提取 107
2．3．3 系统框架的完善与优化 108
2．3．4 基础框架的封装 109
2．3．5 基础框架结构的描述 110
2．3．6 业务框架的封装 111
2．3．7 模块功能的开发 112
2．4 本章小结 121
第3章 高级应用编程 122
3．1 面向过程高级编程 123
3．1．1 日志输出与代码调试 123
3．1．2 枚举与结构体 126
3．1．3 位运算 128
3．1．4 函数应用详解 131
3．2 面向对象高级编程 133
3．2．1 构造函数 133
3．2．2 继承 136
3．2．3 多态 139
3．2．4 委托 144
3．2．5 设计模式 145
3．2．6 重载 152
3．2．7 事件 152
3．2．8 接口 154
3．3 网络编程 157
3．3．1 网络编程中的基本概念 157
3．3．2 Socket API简介 160
3．3．3 TCP流式套接字编程 164
3．4 本章小结 175
第4章 基于虚拟现实引擎的高级开发 176
4．1 动画合成 178
4．1．1 动画的创建 178
4．1．2 动画过渡的实现 183
4．1．3 动画中事件的插入 188
4．1．4 动画的混合 189
4．1．5 动画层的使用 193
4．1．6 复杂动画的组合 197
4．1．7 逆运动组件的使用 200
4．1．8 复杂逆运动动画的实现 203
4．2 运动学原理的运用 204
4．2．1 三维坐标函数类的运用――物体位置、旋转和缩放的表示 204
4．2．2 三维坐标函数类的运用――物体移动和旋转效果的实现 205
4．2．3 三维坐标函数类的运用――向量大小和长度的计算 206
4．2．4 三维坐标函数类的运用――插值计算和平滑效果的实现 206
4．2．5 三维坐标函数类的运用――局部坐标与世界坐标的变换 207
4．2．6 运动方向及方向调整的表示 208
4．2．7 向量夹角的计算 209
4．2．8 矩阵函数的运用――物体坐标变换的实现 210
4．2．9 四元数的运用――物体旋转的实现 210
4．2．10 鼠标拖动物体效果的实现 211
4．2．11 摄像机函数的运用――摄像机坐标和世界坐标变换的实现 212
4．3 渲染系统的运用 213
4．3．1 常见的着色器类型 213
4．3．2 着色器代码的基本结构 214
4．3．3 顶点动画的编写及顶点位移的实现 215
4．3．4 片段动画的编写及贴图滚动的实现 217
4．3．5 光照模型的编写及光照变化的实现 219
4．3．6 物体边缘高光效果的实现 221
4．3．7 噪声贴图的代码采样及物体溶解效果的实现 222
4．3．8 运用着色器进行画质颜色的修改 225
4．3．9 着色器代码的优化 229
4．4 本章小结 230
第5章 性能优化 232
5．1 性能优化分析 233
5．1．1 运用性能优化工具进行性能分析 233
5．1．2 帧率性能影响因素分析 237
5．1．3 画面渲染原理及渲染过程的分析 238
5．2 基本性能优化 239
5．2．1 对CPU性能的优化 239
5．2．2 对GPU性能的优化 242
5．2．3 对内存性能的优化 243
5．3 高级性能优化 245
5．3．1 渲染模块的优化 245
5．3．2 内存频繁申请及占用过高的规避 262
5．3．3 用户界面组件的优化 263
5．3．4 物理引擎组件的优化 264
5．3．5 内存泄漏的防止 265
5．4 本章小结 266

前 言

2019年1月24日，国务院印发了《国家职业教育改革实施方案》，该方案要求把职业教育摆在教育改革创新和经济社会发展中更加突出的位置。对接科技发展趋势和市场需求，完善职业教育和培训体系，优化学校、专业布局，深化办学体制改革和育人机制改革，鼓励和支持社会各界特别是企业积极支持职业教育，着力培养高素质劳动者和技术技能人才，是贯彻落实《国家职业教育改革实施方案》的出发点和主要目标。

实施1+X证书制度培养复合型技术技能人才，是应对新一轮科技革命和产业变革带来的挑战、促进人才培养供给侧和产业需求侧结构要素全方位融合的重大举措；是促进职业院校加强专业建设、深化课程改革、增强实训内容、提高师资水平、全面提升教育教学质量的重要着力点；是促进教育链、人才链与产业链、创新链有机衔接的重要途径；对深化产教融合、校企合作，健全多元化办学体制，完善职业教育和培训体系具有重要意义。

新一轮科技革命和产业变革的到来，推动了产业结构调整与经济转型升级发展新业态的出现。战略性新兴产业在爆发式发展的同时，对新时代产业人才的培养提出了新的要求与挑战。虚拟现实是一个新兴的、快速增长的行业。随着信息技术，尤其是5G、智能传感器与图形显示等技术的发展，虚拟现实技术已成为21世纪先进的主流技术之一，并且在产业应用方面的贡献日益突出。虚拟现实以其独特的沉浸性、构想性和交互性在商业、工业、军事、医疗、教育、传媒、娱乐等众多领域应用广泛且深入，实现各传统型产业/专业的增值、增效。当前，产业的发展急需虚拟现实高素质、复合型技术技能人才支撑。

北京新奥时代科技有限责任公司立足新时代人才培养要求，积极参与国家职业教育改革，先后承担了《Web前端开发职业技能等级证书》和《工业机器人操作与运维职业技能等级证书》的标准开发、师资培训、学生考评等工作。结合产业用人需求，在有关企业和职业院校的支持下，北京新奥时代科技有限责任公司开发了《虚拟现实应用开发职业技能等级证书》标准，并遴选为虚拟现实职业技能等级证书的培训评价组织。

为了便于试点院校开展学生培训工作，北京新奥时代科技有限责任公司依据虚拟现实职业技能等级标准（2020版）中初级、中级和高级3个级别所对应要求掌握的职业技能要点，组织编写了虚拟现实职业技能等级证书配套的初级、中级、高级培训教材，旨在为参加培训的学生提供更为精炼、有针对性的培训辅助材料。

本书是高级证书配套培训教材，包括5章。第1章通过次世代模型、角色动画、三维特效的制作介绍了高级三维技术，由唐海峰、龚俊辉编写；第2章通过项目架构的需求分析、概要设计及详细设计介绍了项目架构设计，由李鹏鹏编写；第3章介绍了面向过程和面向对象的高级编程，以及网络编程，由李强编写；第4章通过动画合成、运动学原理的运用及渲染系统的运用介绍了基于虚拟现实引擎的高级开发，由刘舰编写；第5章介绍了性能优化分析、基本性能优化和高级性能优化，由李鹏鹏编写。

本书适合参加虚拟现实应用开发职业技能等级证书高级层次培训的学生阅读，也可作为视觉传达、数字媒体技术、影视制作、动漫游戏开发等相关专业的学生的参考用书。

由于编者水平有限，书中难免有不当之处，请读者指正为盼。

编 者

2020年5月