虛擬導游實訓系統中交互功能的設計與實現

高義棟　楊小飛

[摘要]導游技能實訓是旅游專業培養合格導游的重要實踐環節，利用3D與虛擬現實技術構建的導游實訓系統可以有效地解決實地培訓中的弊端，提高培訓質量。文章在介紹虛擬現實技術及教育應用的基礎上，以比干廟實訓平臺為例，闡述了導游實訓平臺在人機交互設計過程中的交互模塊、視音頻系統和交互界面（UI）的設計方法，以及交互實現過程中使用的三維建模、uv坐標與貼圖繪制、三維場景漫游、多媒體嵌入和攝像機動畫等關鍵技術。

[關鍵詞]虛擬現實；旅游教學；虛擬旅游；導游培訓；交互設計

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）05-0117-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.05.024

一、引言

當前，我國旅游業蓬勃發展，增勢強勁，已成為國民經濟中的重要組成部分。社會對旅游從業人員，尤其是專業導游的需求與日俱增，各地高校旅游專業和導游培訓機構應勢而生并逐年增加。在旅游專業課程教學中，許多院校在《導游業務》、《導游基礎知識》等課程的基礎上，開設了《模擬導游》、《導游實務》等實踐性很強的課程。這些課程是培養一名合格導游員的核心課程，也是全國導游資格證考試的必考科目。該課程的目標就是把認知和實踐環節結合起來，培養學生的導游服務綜合技能，使學生在知識、能力、素質方面得到全面提高。

然而，導游業務實訓過程中的現狀與問題卻不容樂觀，存在諸如實訓項目單調、偏重大道理講授、學生人數多、經費缺乏、實訓淪為走過場等主要問題。同時，由于受導游資格證考試應試教育的影響，許多旅游院校和培訓機構仍沿襲了傳統的“以課堂教學為中心，以教師為中心，以知識灌輸為中心”的教學模式，這與《導游實務》課程要培養實用型導游專業人才的要求是不相符合的。

一些一線教師撰文呼吁，教師在授課過程中要擺脫傳統教學的模式，以培養學生能力為中心，通過為學生創造良好的模擬情景、以練為主，以講為輔，架起一座從課堂到實踐的橋梁，才能提高學生的實際操作能力，培養出高素質的導游從業者。要上好“模擬導游”課，主要是從三方面訓練：一是“語言交際技能訓練”，包括普通話口語表達能力和導游詞講解能力；二是綜合文化素質訓練；三是導游服務技能實訓。課程的實踐性要求教學不能僅僅局限于課堂，而應該設法讓學生走出去，親臨現場感受、觀摩并演練。但考慮到經費、安全等問題，組織學生集體活動只能選擇就近景點，而且最好是選擇富有文化內涵的人文景觀。

虛擬導游培訓系統的開發和使用，正好可以解決旅游和導游專業教學過程中實習資源匱乏，實地參觀時存在的時間、經費和安全等問題。可以在實訓室內，采用高仿真情景體驗、高互動參與的學習方式，足不出戶，在虛擬的環境中，瀏覽諸多景點。這種教學方式方便師生進行交互式的導游模擬體驗，改善傳統教學模式中的弊端、吸引學生學習興趣、增加學生實踐操作機會，從而大幅度提高教學質量和效果、更好地完成對導游基本技能的培訓。

二、虛擬現實技術教育應用

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR），又稱臨境技術，是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成逼真的三維虛擬環境，使用者利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現實技術的基本特征是沉浸性、交互性、構想性、動作性和自主性。

在國外，虛擬技術較早應用于汽車駕駛員、飛行員、機床操控等方面的操作培訓，借助虛擬技術完成課程教學中的相關實驗，具有實驗效率高、設備費用低、實驗內容豐富、實驗性能有效、實驗安全性好等明顯優勢。國內高校和科研院所在虛擬技術應用于教學領域也進行了較多的教學實驗與培訓研究。

實踐證明，利用虛擬技術構建虛擬場景進行模擬培訓是一種具有時代意義和前途的教學手段，是教育技術發展的一個飛躍。虛擬教學可以模擬客觀物理世界的過程，檢驗理論的模型，預測在實際中無法重復或進行實驗的自然現象與社會現象。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式，符合建構主義學習理論。目前，虛擬現實在教育中主要應用于三個方面：（1）利用虛擬現實技術進行教學研究；（2）建立虛擬實驗室，如剛體力學虛擬實驗室、化合物分子結構虛擬實驗室等，其“設備”與“部件”是虛擬的，可以隨時組裝和拆卸；（3）建立虛擬學習環境，如建造人體模型、太空環境模擬、虛擬景區導游培訓環境等。

虛擬實驗與培訓環境具有實體實驗室和傳統課件所沒有的優勢：（1）節省成本。足不出戶便可以做各種實驗模擬，獲得與真實實驗一樣的體會；（2）規避風險。學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的實驗。例如虛擬飛機駕駛教學系統，可免除學員因操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故；（3）打破時空限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可以進入這些物體或環境內部進行觀察，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，可以在很短的時間內呈現給學生。同時，學生能夠在虛擬的學習環境中扮演角色，增加了自主性和趣味性，非常有利于學生的技能訓練，有助于解決實訓時危險性大、費用高、小概率事件再現和個性化導訓等問題。

三、導游培訓系統中人機交互的教學設計

根據人類認知規律中由了解、記憶到實踐的過程，導游實訓的三個階段可以設計為動畫漫游感知、自主游覽體驗和角色扮演模擬三個模塊。

動畫漫游模塊中，通過虛擬攝像機沿景區導游線路的行進，生成相機動畫。受訓者通過觀看動畫，熟悉沿線景觀，了解景區概貌。

自主游覽模塊中，體驗者可以通過導航圖或者景點查詢菜單，快速到達某個特定景點。受訓者可以任意行走或360度觀察，同時還可以聽到該處的語音講解，或看到該處的圖文介紹，讓體驗者可以全方位、立體化地感受所處環境，并學習該處如何向游客講解。

導游講解是導游帶團參觀游覽時的主要業務，是一項必不可少的服務，也是衡量導游員業務能力的重要方面，運用靈活生動的導游語言進行講解，并掌握種種導游方法與技巧，就顯得尤為重要。所以，當受訓者熟悉了景區并可自主組織和講解導游詞后，便可以進入導游模擬階段。受訓者以一個虛擬導游化身的形象進入景區，進行導游活動的模擬。該階段一般在導游實訓室的多通道環幕前進行，由一名同學模擬導游，2-3名同學扮演游客，使模擬活動更具真實感。模擬導游可以自由行走、轉身以及自動向目標點行進，還可以回答模擬游客的提問，使受訓者得到與真實環境中進行導游活動的一致體驗。

1.《比干廟導游實訓VR教學平臺》案例概要

比干是我國第一位因直言進諫而遭剖心的忠臣，比干的諫諍精神影響了中國政治幾千年，是中國的德禮文明開源者，為萬世敬仰。比干廟是比干的廟墓，是河南省AAAA級旅游景區，也是當地導游培訓和考試的重要考點。本案例利用計算機3D建模技術，根據真實遺址重新建構了比干廟的數字模型，并使用虛擬現實技術制作了學習者和場景模型的交互系統。參與培訓的學生可以置身于逼真的3D場景中，通過虛擬化身等方式，以不同視角和線路游覽、體驗和模擬講解，在構建的三維虛擬場景中，通過熟悉景區建筑，了解歷史故事，感受比干文化，模擬現場講解等形式達到導游教學和培訓的目的。本平臺在我校旅游專業的實訓教學實踐中取得了很好的效果，平臺運行界面如圖1所示：

2.交互模塊的設計

本案中，在漫游模塊游覽者通過點擊“漫游動畫”兩側的按鈕可以切換相機動畫；自主模塊中，可以點擊“景點查詢”打開景點列表，選擇景點后便可以操作鍵盤、鼠標自主游覽，同時可以聽到和看到導游詞；同時在模擬模塊設計了三個虛擬導游形象，初始位置分別在比干廣場、比干廟和比干墓三個區域，受訓者可以快速切換自己的虛擬形象和所處位置。模擬導游與虛擬環境的交互，可以由自己親自操作鼠標鍵盤、方向盤等外部設備，也可以請小組同伴協助進行。

3.音視頻交互系統的設計

音頻系統共包含環境音效、背景音樂和解說語音三個部分。環境音效主要包括蜂鳴鳥叫、瀑布噴泉等聲效。這些效果聲設置了3D音效，音量大小和聲音方向可隨角色所處位置發生變化。背景音樂主要用于烘托場景氣氛，本案主要使用了《頌比干》、《故宮的記憶》、《人間道》等幾首背景音樂，并實現了音樂的切換及播放、停止和音量大小的控制。語音解說主要是各景點的導游詞配音，當景點切換時該處的導游詞自動開始播放。為了便于分別控制，音頻系統中的三種聲音文件應該設置在不同的聲道中。視頻媒體方面，本案中嵌入了電視節目《忠臣比干》的視頻講座，通過十集的視頻專題，可以讓導游在熟悉景區環境的基礎上，進一步學習相關的歷史背景、人物傳奇和奇聞趣事，從而起到豐富景區文化內涵和拓寬受訓者知識面的作用。

4.交互界面UI的設計

為了突顯殷商文化氣息和比干忠烈正義的內涵，交互主界面設計以橙紅為主色調，配以金色的按鈕。主控制面板放置于畫面下方，交互按鈕分三排平行放置。中間安排有四個長條按鈕，分別為三種游覽模式和畫面特效開關。“動畫漫游模式”按鈕上方為“前一動畫”和“后一動畫”兩箭頭，點擊便可以切換相應的相機動畫。“導游模擬模式”長按鈕上方對應三個虛擬導游圖標，點擊圖標便以不同的化身形象進入景區并以第三人稱視角進行導游模擬。“自主模式”長按鈕上方對應有“景點查詢”按鈕，點擊該按鈕便可以打開“景點查詢”面板，在該面板中點擊相應景點便可以將場景相機快速切換至該處，同時播放該景點的導游詞并顯示導游詞文字。“景點查詢”按鈕旁邊是“測試題”和“關閉字幕”按鈕，點擊可以打開測試題面板和關閉導游詞的字幕顯示。控制面板最下方一行是音頻控制區，可以分別控制兩路聲道的音頻播放和選擇。視頻列表菜單使用了關鍵幀動畫，以實現列表窗口的拉出和拉進的動態效果。控制界面如圖2所示：

四、導游實訓平臺三維場景的實現

虛擬現實平臺開發的第一步是制作場景的三維模型，虛擬旅游景點架構的三維場景元素如圖3所示：

由于此為模擬景區實景，三維場景務必要接近真實，以還原實景為場景設計與制作的目標。首先，根據景區實測數據、規劃圖、衛星圖和拍攝照片等資料，繪制景區全景平面圖。實現方法主要是在3Ds Max軟件中使用樣條線繪制平面圖形。

景區地形地貌元素主要包括山坡、草地和花園等大塊的地面模型。該模型的制作可以從高細分的平面開始，轉化為可編輯多邊形后，使用繪制筆刷刷出地形的高低起伏。對特殊要求的地形，可以使用等高線工具或置換貼圖技術制作出與實際地形一致的地面模型。然后，對地面模型賦予草皮等貼圖，并添加UV貼圖修改器，指定合適的UV尺寸，使得貼圖大小和真實比例一致。地面上的小路、路牙、綠籬等細條狀模型，一般通過畫樣條線擠出高度的方法制作，并賦予合適的UV和貼圖。

樹木與花草的制作：為了節省模型面數，提高系統實時運行效率，VR項目中的花草樹木模型一般使用面片模型貼以鏤空貼圖的方法來表現。大片樹木和花草的制作一般使用Max的樹木插件Forest Pro來制作，瞬間可以產生千萬棵面片型的植物。近景處的單面模型一般會由程序控制使其始終面朝攝像機（VRP中稱之為bb物體）。所以植物建模過程中最主要的是植物的種類、大小、分布情況和選用高質量的貼圖。

房屋建筑是場景中最重要的模型元素，也是制作中難度和工程量最大的部分。一般要根據樓宇亭臺的對稱結構，先制作出其中的1/4或1/6的模型，展開該部分的UV坐標后，再對稱復制出其余部分。編輯UV坐標時，要將使用相同貼圖的UV面塊疊放到一起，合理縮放，緊湊地分布到UV框中，以提高貼圖的利用率。將編輯好的UV坐標信息以png或tag圖像格式輸出給Photoshop進行貼圖的繪制和編輯，最終再將繪制好的貼圖賦予建筑模型。場景小物件包括路燈、石凳、指示牌、垃圾桶、香爐、雕塑等模型，這些模型只需按要求制作好一個原始模型，然后依照景區實際擺放位置復制即可。

以上模型元素制作完之后就可以對場景設置全局光照并進行貼圖烘焙了。將烘焙后的場景使用VRP的接口插件導入到VRP軟件中進行環境和特效的制作，主要是設置天球、陽光位置和環境霧等效果。

五、交互實現的主要方法與關鍵技術

三維虛擬實訓平臺涉及的人機交互技術主要包括三維場景游覽與控制技術、媒體嵌入技術以及攝像機動畫技術等。

1.三維場景游覽與控制技術

虛擬現實軟件和游戲引擎都會提供一套場景漫游的解決方案，開發者無需編程即可實現場景的漫游交互。比如在VRP軟件中，采用了通用的三維游戲操控模式：“W”、“A”、“S”、“D”或小鍵盤的“上下左右”箭頭，操控玩家前進、后退和左右移動，“Q”、“E”控制玩家視線升降，“按下鼠標左鍵拖拽”旋轉視角觀看場景，“+”、“-”加快或減慢相機或人行速度，“空格鍵”跳起，“～”切換角色行走或跑步狀態等。VRP中還提供了行走相機、飛行相機、繞物旋轉相機、角色控制相機和跟隨相機等，可以實現以第一人稱的視角游覽場景、飛行方式縱覽場景概貌、圍繞建筑物環繞瀏覽、相機跟隨虛擬角色移動等行為控制。在制作中，只需要創建相應的相機，并對其做具體的設置即可輕松實現對場景的漫游控制。

2.媒體嵌入技術

虛擬現實平臺中，可以輕松實現對音視頻、flash和全景圖的嵌入。

音頻嵌入技術。環境音效的添加可以通過選中發聲的物體模型，在其屬性中的3D音效面板中為其添加聲音文件并設置聲源參數；背景音樂和解說語音都可以通過腳本實現，一般在UI中的按鈕屬性上插入“音樂”組的腳本命令，使其在點擊時播放、暫停或切換某一音樂或語音解說。

視頻和Flash媒體的嵌入，有內嵌和外部鏈接兩種方式。內嵌是通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖三種方式將視頻或Flash媒體加載到場景中的三維模型上或者UI的界面元素上：外部鏈接是在模型或者按鈕上添加“腳本文件”組中的“打開任意文件”的腳本，點擊時使用外部程序（主要指媒體播放器）打開相應的媒體文件。本案中的《牧野講壇》專家視頻講座便使用了外鏈方式，而“趣味小電視”則使用了內嵌方式。

全景圖及其嵌入技術。360度全景圖也稱為三維全景圖，是一種運用數碼相機對現有場景進行多角度環視拍攝之后，再利用計算機進行后期縫合，并加載播放程序來完成的一種三維虛擬展示技術，有三種風景型（圓柱型、立方體型、球型）和一種對象型（也稱物體型）。全景圖在虛擬景區中主要用來展示難以制作模型的室內真實畫面，如大殿、展館的內部結構和室內裝飾等。可以在三維場景中設置某一熱點觸發區域，點擊就可以進入全景照片，觀察室內真實情況。全景圖的縫合可以在拍攝后通過第三方軟件完成，如PhotoshopCS5或者Panorama Softwares、Realviz Stitcher和KolorAutoPano Giga等。縫合后的全景照片可以使用Pan02QTVR等軟件將其生成flash或者exe格式文件，按照flash嵌入的方法嵌入平臺之中。

3.攝像機動畫技術

攝像機動畫的制作可以在前期三維軟件中制作，也可以后期在虛擬現實軟件中制作。第一種方案是在3dsmax中，選擇合適的視角并創建攝像機，沿導游路線繪制相機運動路徑，使用路徑約束創建攝像機路徑動畫。該相機導出到VRP后，可以被識別為動畫相機，出現在相機列表中，保留了3ds max中的攝像機運動動畫。第二中方案是在VRP中錄制相機動畫。首先創建一個行走相機并設置參數，按下F5運行程序，使用鍵盤控制相機運動，同時按下F11可以實時錄制攝像機動畫，再次按下該鍵結束錄制，可以根據需要可以生成多個相機動畫。第三種方案是制作角色跟隨動畫：在VRP中創建導游角色，并在骨骼動畫面板下為其設置行走動作。在創建“形狀”面板中，創建折線路徑，在路徑屬性面板中設置路徑綁定的導游角色，并設置合適的位移速率，便可以讓角色模型在約束路徑上行走。

本案系統中除了攝像機動畫外還有一些剛體動畫，如門窗的開關動畫等。實現方法是，在3dsmax中制作好大門或窗戶開合的動畫并以剛體動畫方式導出。導入到VRP后，在門或窗的位置處制作一個觸發模型，在該觸發模型的動作屬性中開啟距離觸發，設置合理的觸發類型、觸發距離以及進入和離開時播放剛體動畫的腳本即可實現觸發動畫效果。

六、總結與展望

與常規多媒體類型相比，虛擬現實培訓環境交互性高、信息量大、表現效果強、投入成本低，可在虛擬的三維環境中，與學習者產生互動，增加了學習者身臨其境的體驗，使得學習過程更加形象化和趣味化，提高了學生的學習興趣。三維空問中的互動演示和運動模擬，彌補了常規媒體所不能呈現的多感官體驗，親身的經歷、感受比空洞抽象的說教更具說服力，使得學生可以快速接受和掌握所學的知識和技能。虛擬現實教學平臺的交互性、多樣性、個別性、靈活性、重復性等特點，加大了知識的傳授量，改變了學生獲取知識的手段和方法，有利于學生創新思維的發展，創新技能的提高，以及動手能力的增加，在教育培訓中是一種非常具有發展前景的前沿技術，值得廣大教育技術工作者進行更為深入的研究和實踐。