论文题目：恶臭气体及工业废水处理工艺VR教学软件设计及应用研究
摘要：工程实践在环境工程教学中具有至关重要的作用,而环境工程实践教学面临着时间空间的限制、现场教学效果不理想、学生积极性低下等问题。为满足学生对于环境工程构建筑物、设备、管路的学习需求,本研究将虚拟现实（VR）技术应用于环境工程实践教学,开发了废气除臭系统和煤化工废水处理系统共两套VR软件,并采用多种方法对软件进行了优化设计。本研究在以往VR软件开发流程中加入虚拟现实软件性能优化理念,形成了 Cinema 4D 建模、RizomUV 处理模型 UV、Quixel Mixer 制作贴图、Unreal Engine 4开发VR软件的工作流程,提出了开发流程中的性能优化方法和规范。根据上述开发流程完成了某污水厂废气生物除臭系统VR教学软件和某煤化工废水处理系统VR教学软件。废气除臭系统展示了废气收集、输送、处理、排放的全过程,完整呈现了双层滴滤塔内外结构,为学习生物滴滤除臭工艺提供了媒介。煤化工废水处理系统展示了煤化工废水处理过程中核心的生物处理和物化处理,为学习煤化工行业废水处理过程原理和设计要点提供支持。两套虚拟现实软件场景庞大,为优化软件运行、提升教学效果,本研究从软件逻辑、剔除方法、渲染管线三个方面入手,运用视锥体剔除、实例化模型与材质、编程逻辑调优等多种性能优化方法,实现了全部构筑物的单场景的流畅呈现,避免了由于场景分割造成的学习不连贯、系统性减弱的问题。在软件功能方面,本研究除实现全场景漫游、流程控制、设备与构筑物展示等传统交互内容外,还根据项目中的不同特点、学生学习难点设置了管路突出显示与流向展示、位置指引、场景画面控制等交互。以解决传统实习中管路认识困难、大场景中的构筑物辨识困难等问题,满足场景的自由调控需求,为学生提供更加清晰的学习指引和更加自由的学习方式。除实现以上研究内容外,本文还对基于Unreal Engine4和Premiere的全景视频制作方式、基于Niagara的复杂构筑物结构内絮体运动的约束与模拟进行探索,并将以上内容率先应用于案例视频制作与项目开发过程中,为后续研究者提供了经验与借鉴。为进一步提升教学效果,论文设计了调查问卷,对废气除臭VR系统在环境工程本科实践教学中的应用效果进行了调研。调研结果表明:该虚拟现实软件能够有效提高学生积极性,提高学生的知识获取效率,有助于学生形成自我教育、自主学习的学习习惯。
关键词：虚拟现实;环境工程;UE4;污水处理厂;废气除臭
学科专业：环境科学与工程
摘要
Abstract
第1章 前言
1.1 研究背景
1.2 研究目的和研究意义
1.2.1 研究目的
1.2.2 研究意义
1.3 研究内容
第2章 文献综述
2.1 虚拟仿真软件的教学应用
2.2 虚拟现实的发展及基本概念
2.3 VR教学软件的开发与应用
2.3.1 VR教学应用
2.3.2 VR教学效果
2.3.3 环境工程教学中虚拟仿真软件的使用
2.4 VR软件开发比选
2.4.1 三维建模软件
2.4.2 贴图制作软件
2.4.3 VR开发软件
2.5 实时渲染性能优化概述
2.5.1 虚拟现实软件的实时渲染
2.5.2 虚拟现实软件的硬件需求
2.5.3 UE4的实时渲染概述
2.5.4 VR中性能优化的研究
2.6 本章小结
第3章 开发流程
3.1 对原开发流程的改进
3.2 新开发流程详述
3.2.1 C4D建模
3.2.2 模型优化
3.2.3 UV处理
3.2.4 贴图制作
3.2.5 模型的碰撞体制作
3.2.6 场景搭建
3.2.7 材质制作
3.2.8 光照构建
3.2.9 粒子制作
3.2.10 场景优化
3.2.11 软件交互设计
3.2.12 音效设置
3.2.13 打包发行
3.3 软件使用概述
3.3.1 操作说明
3.3.2 场景漫游
3.3.3 模型拾取
3.4 本章小节
第4章 废气除臭系统VR软件设计
4.1 项目简介
4.2 项目重点与难点分析
4.3 软件功能展示
4.3.1 设备内部结构展示
4.3.2 流向展示
4.3.3 工况展示
4.4 场景权重划分
4.5 材质制作
4.5.1 母材质制作与使用
4.5.2 泛用材质制作与使用
4.5.3 管路水动画材质
4.5.4 液位计参数可调材质的制作
4.6 交互开发
4.6.1 三维菜单的制作
4.6.2 强制旋转与借助宏的主菜单更新
4.7 性能优化效果分析
4.7.1 项目优化前后主要性能参数对比
4.7.2 进一步的性能优化方向
4.8 视频录制
4.8.1 定序器(Sequencer)概述
4.8.2 视频录制中的项目更改
4.8.3 基于Sequencer的项目衍生视频制作
4.8.4 VR旁观者视角(VR Specttor)
4.8.5 全景视频的制作
4.9 本章小结
第5章 某煤化工废水厂VR软件设计
5.1 项目简介
5.2 项目重点与难点分析
5.3 基于DataSmith的工作流改进
5.4 性能优化功能与应用
5.4.1 实例化静态几何体排布
5.4.2 距离剔除
5.4.3 LOD与HLOD
5.4.4 流送虚拟纹理
5.5 基于Quixel Mixer的PBR材质制作
5.5.1 以带式污泥脱水机加药箱为例的复杂材质制作
5.5.2 Quixel蒙版原理简介
5.5.3 表面及边缘锈蚀的制作
5.5.4 内部污垢的制作
5.5.5 定制贴图方法的性能测试
5.6 基于Niagara的粒子效果制作
5.6.1 Niagara简介
5.6.2 三沉池絮体类圆周运动分析
5.6.3 基于Niagara自定义约束组件实现
5.6.4 自定义约束组件方法的完善
5.6.5 基于Niagara配合矢量场的实现方法
5.6.6 Niagara粒子模拟的实时性评价
5.7 交互内容
5.7.1 位置提示功能设计
5.7.2 管路突出展示功能的实现
5.7.3 后期效果的开关控制
5.8 本章小结
第6章 教学应用与反馈
6.1 教学设计
6.2 教学反馈
6.3 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 结论
7.2 不足与展望
7.2.1 不足
7.2.2 展望
参考文献
致谢