畢業設計(論文)-基于Unity3D平臺的籃球游戲三維動漫設計與實現

河北工業大學2013屆本科優秀畢業設計論文各專業完整優秀畢業論文設計圖紙基于Unity3D平臺的籃球游戲三維動漫設計與實現班級：軟件092 姓名： 指導老師：摘要：本系統的目標是基于Unity3D平臺的籃球游戲，實現在3D籃球館中模擬人物的投籃運動，并通過計分、計時系統記錄玩家當時的得分和游戲時長，使用戶從視覺、聽覺上感受投籃運動。主要工作內容分為三維建模、調試動畫和游戲的交互實現等。首先，在3DSMAX中按真實比例建立了包括地板、座椅、吊燈、液壓籃球架等在內的籃球場館的模型，按真實人體比例建立了人物模型，并在PhotoShop中為人物繪制了貼圖。接著，在3DSMAX中為人物綁定了骨骼并調試了走路、跑步、運球、投籃、扣籃等籃球運動動作。然后運用AdobeSoundboothcs4剪輯編輯出拍球、籃球彈跳、籃球入網等聲音。最后，將建立好的模型、調試好的動畫、剪輯好的聲音導入到Unity3D中，在Unity3D中建立菜單、游戲場景，通過編程實現對人物投籃的環境、動作、聲音的模擬。為了給用戶更好的聽覺和視覺體驗，本系統添加了背景音樂，并且在菜單中添加了粒子特效。關鍵詞：虛擬現實三維建模骨骼動畫Unity3D1引言虛擬現實技術創造了一個包括三維模型、三維聲音和三維人物等資源逼真的虛擬世界，滿足了人們的需求，讓人們實現了夢想，體驗了現實和常規情況下不能完成的事情。時至今日，虛擬現實技術在游戲領域的應用越來越多。從最初的文字MUD游戲，到二維游戲，再到網絡三維游戲，逼真度和沉浸感正在一步步地提高。并且，隨著顯卡性能的優化、CPU運算速率的提高和計算機內存的擴展，三維游戲已經成為虛擬現實技術應用的重要方向之一。本系統的目的就是應用虛擬現實技術的研究成果,通過基于Unity3D平臺來展現籃球運動員的投籃練習。并且計劃發布到手機平臺，方便用戶在休閑娛樂時使用。2游戲總體架構2.1游戲架構系統通過游戲場景來展現球館和人物，包括模擬真實的碰撞和碰撞發出的聲音。場景中的主要物體有籃球館、人物、籃球、地面、籃球架及相機。系統架構如圖1所示。通過分析系統功能，可將系統分為：特效、聲音、數據、碰撞、控制和運動邏輯等6個模塊。其中各個模塊功能如下：特效：為了給用戶強烈的視覺沖擊，在菜單中為籃球加入粒子特效。而在場景中，為模擬真實的運動，因此不添加特效。聲音：系統的背景音樂，物體之間碰撞的音效和音量的大小。數據：用來存儲用戶設定的有關游戲中聲音和人物屬性的數據?？刂疲簩θ宋镞\動的控制，比如人物的走路、跑步、投籃、撿球等；對相機的控制，使相機能夠始終以人物為中心點運動。碰撞檢測：主要是籃球與地面、籃球架、籃球框之間的碰撞。對于不同材質的物體碰撞之后產生的效果應該是不同的。運動邏輯：人物的運動狀態轉換，比如從運球走到急停跳投、從跑到走、從運動狀態到停下來彎腰撿球。運動狀態之間應該有過渡動畫。圖1系統架構2.2開發平臺開發平臺選用的是MonoDevelop+3DSMAX+Unity3D+NGUI+Soundbooth。主要工作流程是在3DSMAX中創建場景模型和人物模型，調試骨骼動畫，綁定骨骼，并將模型和動畫導入Unity3D中；在Unity3D中應用了粒子系統、物理系統、碰撞檢測、聲音控制等技術，用戶通過鍵盤控制，實現人物投籃運動的模擬。為便于游戲控制交互，用戶界面使用了NGUI技術，運用Soundbooth對聲效進行了處理。整體實現了模擬了人物投籃的環境、動作，以及對投籃的時間結果的統計。3游戲模型及動畫的設計系統首先需要創建3D籃球場館和人物的建模。本系統在3DSMAX中建立人物場景及調整骨骼動畫，在Unity3D中實現游戲的控制、碰撞處理和物體的渲染。具體關系如圖2所示。圖2模型及動畫架構3.1模型的創建3DSMAX創建模型的種類有網格模型、多邊形模型和面片模型。此外3DSMAX自帶網格修改器、多邊形修改器等，可完善創建模型的效果。網格建模是3DSMAX中較為常用的建模方式之一，這種建模方法更容易掌握，也更易于控制。通過對網格模型的5中層次對象Vertex（節點）、Edge（邊）、Face（面）和Element（元素）的編輯而達到預想的效果。多邊形建模是以網格建模為基礎，并進行改進后的一種建模方法。與網格建模的不同之處是網格建模中的面次對象定義為三角面，而多邊形建模將面定義為Polygon（多邊形）。模型創建之后，賦予不同的材質貼圖，得到最終效果?；@球館模型效果如圖3所示，人物模型效果如圖4所示。圖3籃球館效果圖4人物模型效果3.2骨骼動畫的添加和調整3.3.1骨骼綁定人物模型在綁定的時候要擺成“大”字型。模型應該盡量位于場景中心位置，腿向兩側分開，與肩部寬度近似。兩個手臂伸向兩側，高度不應該超過肩部，手部應與腕關節平行，手掌掌心面向下，手指分開。選擇骨骼，通過縮放骨骼大小和骨骼角度的調整，使得骨骼的各個部分與人物網格模型的各個部位對齊。人物的骨骼綁定是通過為人物模型添加骨骼綁定相關的修改器來完成的。綁定方法有兩種：一種是physique綁定，另一種是skin綁定。physique綁定只能添加biped骨骼，綁定骨骼之后可以進行變肌、加腱等修改，能非常逼真的模擬出人物的肌肉線條。skin可以添加任意的bone,綁定之后通過調整bone對點的權重值、添加角度變形器來使得人物的肌肉表現的更真實。人物運動模型需要添加籃球的bone，因此選用skin方式對骨骼進行綁定。3.3.2骨骼動畫3DSMAX中的biped骨骼系統可以模擬兩足或多足動物的骨骼系統，并且可以使用相關修改工具做局部形態調整，比如手指個數，骨節，尾巴等。biped骨骼系統設定好的動畫數據可以單獨保存為*.bip或*.STP等動作格式。創建動畫和調試動畫的過程中，使用WorkBench可以方便的調整某幀動作的x、y、z位置和旋轉角度。WorkBench還可以對位置曲線、旋轉角度曲線進行平滑等操作，方便動畫的編輯。3DSMAX提供MotionFlowMode和MixerMode兩種方式來編輯多個動作文件。MotionFlowMode可以對多個動作文件進行順序編輯、循環編輯、共享編輯、隨機編輯。MixerMode可以將多個動作文件的不同動作單元，在同一時段內分別指定給同一骨骼的不同骨節上。本系統在調節動畫是，首先將閑置動作、走路動作、跑步動作、走路運球動作、跑步運球動作、彎腰撿球動作、投籃動作、扣籃動作、背后運球動作、換手動作等一一調好，之后，編輯到一起。然后使用MotionFlowMode將所有動畫編輯為一個文件。4游戲在引擎中的實現4.1游戲引擎的簡單介紹Untiy3D4.0編輯器界面可以分為Scene、Game、Hierarchy、Project、Inspector、Console等幾個部分，Scene（場景）可以在Unity3D的3D世界中擺放物體，Game是相機真正渲染得到的效果顯示，Hierarchy中包含了在Scene中所有物體的名稱顯示和層級管理，Project顯示Unity3D工程的文件層級結構，Inspector中顯示物體的詳細信息，Console中顯示調試信息。4.1.1聲音Unity3D中播放聲音的組件有AudioListener、AudioSource。被播放的聲音文件叫做AudioClip。聲音文件被導入到Unity3D中的時候會自動進行壓縮、解壓縮處理。導入時還可以對聲音進行設置，例如壓縮方式、壓縮率、是否為3D音效。如果Audioclip是3D音效，那么它播放時候的聲音大小與監聽器的位置有關系。AudioListener是播放聲音的監聽器，如果沒有AudioListener，即時播放了audio，也沒有聲音。AudioSource是音源，可以指定一個要播放的audioClip。用AudioSource來控制audio的播放、暫停、停止、音量、播放速度等。4.1.2粒子特效Unity3D中將2D的貼圖在3D世界中渲染出來來，可以實現例如煙霧、火焰、水流、爆炸等特效。粒子特效系統由三部分組件共同完成：ParticleEmitter、ParticleAnimator、ParticleRender。ParticleEmitter組件實現了在球體內生成粒子，可以修改產生的縮放比例、速率等。ParticleAnimator組件可以控制粒子播放時的顏色變化、旋轉速度的變化、噴射速度的變化、力的變化和粒子消失的延遲時間等。ParticleRender組件實現了粒子在被渲染時的材質、大小、路徑的渲染。4.2游戲資源處理4.2.1模型導入將3DSMAX導出的.FBX模型導入到Unity3D的時候，可以設置模型導入的參數。如設置模型的比例、壓縮、模型的UV展開圖和材質的命名等。Unity3D中的游戲物體叫做GameObject，導入模型的每個物體都是一個GameObject。GameObject都有Transform，可以對它的Position、Rotation、Scale進行調整。4.2.2切割動畫帶動畫的物體可以通過Unity3D自帶的動畫切割器將一個Animation分割成多個AnimationClip。根據動畫所在的幀數，將各個單一的動畫從整體中分割出來。4.2.3添加物體碰撞人物若想在球館內走動而不掉到世界中去，必須對球館地面添加碰撞。初始導入的模型是不帶碰撞的。在球館中，需要添加碰撞的有地面、墻壁、籃球架、籃板、籃筐等。Unity3D中提供了多種多樣的碰撞器,如boxcollider,spherecollider,capsulecollider,wheelcollider,meshcollider等。對于規則形狀的物體，可添加相應的collider,通過調整collider的大小來匹配物體。對于形狀不規則的物體，可以添加meshcollider,隨物體的表面添加碰撞。4.2.4添加物理材質籃球在與地面碰撞、籃板碰撞的時候，由于其不同的物理材質而產生的碰撞效果是不同的。在Unity3D中可以創建物理材質，讓物體擁有不同的物理特性。Unity3D中物理材質的屬性主要有動摩擦因素、靜摩擦因素、彈性、摩擦力方式、彈力方式、力在方向上的設定等。根據實際情況，創建不同材質。4.3游戲菜單的設計及實現4.3.1菜單整體流程進入游戲之后，首先展示Splash(屏閃)界面，之后進入菜單選項。菜單結構如圖5所示。圖5菜單結構圖4.3.2Splash屏閃通常用來展示公司logo,或者制作團隊的logo,通常只有幾秒。一方面來給系統加載資源做準備，另一方面可以使得用戶快速了解系統的特征。另外，Splash界面還可以為用戶提供一個瞬間接收大量信息的緩沖。Splash在用戶無意識的情況下提供給用戶系統的整體信息，使獲取對系統的第一印象。而用戶對系統的第一印象的好壞直接影響到了用戶對系統的興趣、依賴程度。本系統特色之一就是用3D世界來展示籃球運動員的投籃練習。Splash一開始以2D圖像出現，再漸漸變成3D圖像，使得用戶眼前一亮，并且在最后將本系統的最大特色——籃球彈跳顯示出來，展示系統的整體特色。4.3.3菜單菜單的設計應當盡量簡潔，少用文字，多用圖片，讓用戶能夠清楚的明白、找到每一個功能。為了避免菜單靜態單一的出現，系統菜單選用了2D加3D的方式顯示。2D菜單的制作運用了NGUI插件。NGUI插件用三維的方式渲染出二維平面的效果。NGUI提供了創建label、button、sprite等多種控件，方便的菜單的實現。菜單中3D部分展示了player的各種動作。4.3.4設置功能在系統設置中可以改變背景音樂的音量和游戲中音效的的音量。4.4游戲場景的設計及實現游戲中除了物理碰撞之外，主要的部分為籃筐、籃球、聲音，代碼組件為籃球管理器、籃球、籃筐和聲音等。在場景中的所有籃球都需要到籃球管理器中注冊一下。當player處于無球狀態是，籃球管理器負責為player找到離他最近的籃球。判斷離player最近的球的方法是遍歷注冊表中的球的位置?；@球組件的主要作用是根據player的投籃方式、出手力度、角度來進行相應的位置改變。在這里，籃球組件用籃球初始的水平初速度和垂直初速度來更準確的表現出手力度。當前的投籃方式分為跳投、上籃、扣籃、快速投籃四種方式。對于跳投、上籃、快速投籃，籃球都是在player出手后做瞄準籃筐的拋物線運行。拋物線的形成是由player出手的位置和籃筐的位置決定的，對于扣籃則出手時對籃球施加一個朝向目標的力?；@筐主要用來判斷是否進球，并且通知UI得分的變化情況?；@筐本質是一個觸發器，當籃球觸發之后，來計算累計的分數，并通知UI當前的分數。當進球時要播放籃球進球是聲音。4.5人物控制的實現整體設計結構，將人物狀態分為none,idle,walk,run,shot,crouch，通過這幾種狀態的變化來控制人物當前應該做什么。人物在狀態切換的時候，會有不同的過渡動畫。所以對于每一種狀態，都有對應此種狀態的不同動畫播放。對于投籃，不同的投籃方式需要有不同的準備條件，扣籃需要在籃筐下才能進行，上籃需要距離籃筐有一定的距離。若不滿足相應的條件，則需要自動調整。為了增加游戲的趣味性和互動性，玩家可以通過按投籃鍵的時間長短來控制投籃的力度和出手速度。若按鍵時間超過一定程度，投籃會自動運行。對于投籃方式的判斷，當人物在不同的情況下按投籃鍵的時候，根據當前的運動速度、離籃筐的距離來判斷應該用什么方式投籃。投籃方式與投籃條件：1)扣籃條件：速度：跑動速度距籃筐距離：小于3扣籃彈跳高度：大于1.52)上籃條件：速度：走動速度或者跑動速度距籃筐距離：5~8扣籃彈跳高度：無影響3)快速投籃條件：速度：走動速度或者跑動速度距籃筐距離：無限制扣籃彈跳高度：無影響4)跳投條件：速度：無影響距籃筐距離：大于5扣籃彈跳高度：無影響根據上述投籃條件的分析，用一個int值的4個字節來記錄當前狀態，4位表示一個信息。每4位的順序如表1所示。表1int字節中每4位的順序表765432107：跑動速度狀態6：走動速度狀態5：無速度4：距離小于33：距離5~82：距離大于8~1：距離大于三分線距離0：彈跳高度是否大于1.5所以，扣籃條件：0x10010001上籃條件：0x11001001快速投籃條件：0x11011111跳投條件：0x11101111根據優先級從高到底依次為扣籃、上籃、拋投、跳投來判斷投籃方式。5游戲實現效果 整個系統根據以上的設計結構、設計方法完成。 首先是屏閃界面如圖6所示，接著是菜單界面如圖7所示。在菜單界面可以選擇開始游戲、設置人物屬性、設置系統屬性和退出系統。點擊“Start”開始游戲，進入游戲場景。游戲場景包括2D菜單、3D場景和人物。其中2D菜單中包括人物投籃的得分、人物投籃的力量條、游戲運行的時間。游戲場景效果如圖10~13所示。點擊“PlayerSettings”，進入人物屬性設置，可以修改人物的投籃能力、彈跳能力、力量和速度，如圖8所示。點擊“SystemSettings”，進入系統設置，可以設置系統的背景音樂音量和游戲中聲音的音量。如圖9所示。點擊“Exit”，可以退出系統。圖6splash效果圖圖7菜單效果圖圖8人物屬性設置界面圖9系統設置界面圖10扣籃圖11上籃圖12跳投圖13快速投籃參考文獻[1]白英伯編著.3dsmax專業動畫教程角色篇.高等教育出版社.2004.1[2]宣雨凇編著.Unity3D游戲開發.人民郵電出版社.2012.6.1[3][英]薩默維爾著，程成等譯.軟件工程.機械工業出版社.2011.5.1[4]孟祥旭主編.人機交互基礎教程（第2版）.清華大學出版社.2010.7.1[5]vrp3d.虛擬現實的研究現狀與研究方向.中視典數字科技./article/VRbaike/548.html[6]孫家廣編著.計算機圖形學（第3版）.清華大學出版社.1998.9.1[7]劉暢主編.籃球教程.北京理工大學出版社.2011.7.1[8]高嵬，劉樹老編著.室內設計.東華大學出版社.2011.1.1[9]程杰著.大話設計模式.清華大學出版社.2007.12.1[10]ChristerEricson著，劉天慧譯.實時碰撞檢測算法技術.清華大學出版社.2010.6.1基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式