基于VR技術的長征體驗系統

黃軍，高雪，劉越，林雪瑩

(1.北京理工大學 光電學院，北京 100081；2.中國傳媒大學 計算機學院，北京 100024)

1 引言

VR(Virtual Reality)即虛擬現實，它是指以計算機技術為核心，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面近似的數字化環境。用戶借助必要的裝備與其進行交互，可獲得如臨其境的感受和體驗[20]。2016年是VR大熱的一年，在各大廠商與互聯網公司的助推下，VR被廣泛應用于教育、醫療、娛樂等多個行業，同樣它也進入了博物館數字化的議程中。沉浸性(Immersion)是其基本特征之一，通過模擬視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗，用戶可以高度沉浸于虛擬環境中。

長征是人類歷史上的偉大奇跡，是中國革命史上的偉大壯舉。1934年10月，中央主力紅軍退出中央根據地進行長征。在敵人的圍追堵截下，紅軍不畏強敵，英勇奮斗，爬雪山、過草地，總行程約二萬五千里。1936年10月紅軍三大主力會師，宣告著長征的勝利結束。“金沙水拍云崖暖，大渡橋橫鐵索寒”，毛主席的詩便是路途艱辛的真實寫照。紅軍在長征途中表現出的：不怕犧牲、前赴后繼、勇往直前、堅韌不拔、眾志成城、團結互助、百折不撓、克服困難、忠誠愛國構成了我們偉大的長征精神。這種精神是人類精神發展史上一座靚麗的燈塔，是中華民族精神的典范。是我們黨和國家偉大的精神財富。現在的長征主題教育多見于課本形式，老師用文字或者圖片資料向學生講述當年的歷史，學生從中學習長征、體會長征精神。爬雪山、過草地……長征路途的種種困難，坐在課堂里的學生往往很難想象。僅僅依靠老師的講授很難讓學生認可思想政治課的內容，大部分學生只是把它當作一個考點。而通過觀看博物館中的展品，輔以影視資料，再利用VR技術，可以讓學生如臨其境的體驗長征的情景，切身感受當時環境的險惡，與紅軍戰士一起經歷困難險阻，深刻地理解偉大的長征精神。

2 VR技術在博物館互動體驗中的應用現狀

社會的發展伴隨著人們日益增長的文化需求，博物館作為藝術文化的殿堂，是人們獲取文化知識的重要場所。博物館的重要職能之一便是教育。傳統的博物館多以實物展示的方式，將藏品陳列在展廳之上，縱人觀覽。但就教育職能來說，這種陳列方式略顯不足。首先，展品旁的文字介紹限于篇幅，難以讓觀者了解到其中所蘊含的歷史文化價值。很多觀賞者只是疲于拍照，走馬觀花，流于表面，而沒有真正的去認識、感受一件文物，去發掘、體會其中的內涵。其次，靜態的文物難以讓觀者感受到其中的精神文化價值。查閱資料可以讓我們了解這些文物背后的歷史事件，想象出當時的人與物，但是很難有切身的體會。借助于VR技術有望改善這一點。

目前的VR技術多以如下兩種形式應用于博物館互動體驗中：

第一，在博物館原有的實體展覽的基礎上，引入VR技術作為輔助，對部分內容或者歷史故事進行數字化呈現。如首都博物館展出的《王后·母親·女將——紀念殷墟婦好墓考古發掘四十周年特展》，參觀者只要戴上眼鏡，就能“穿越”到婦好墓的虛擬挖掘現場，體驗婦好墓的考古過程中，近距離觀看墓內擺放的文物。通過這種方式，文物背后的故事直接通過影像呈現給觀者，靜態的文物重新變得鮮活起來。VR帶來的強烈的視覺和聽覺刺激能夠讓觀者更加貼近展品，更加深刻的認識文物，感受文物的氣息。但是，這種方式只是把VR當作輔助工具，傳統方式與新興技術并沒有真正結合起來，觀者容易被新鮮事物吸引而忘記了展覽本身的意義，本末倒置。

第二，利用博物館場館和文物的三維模型，建立數字化的虛擬博物館，用戶戴上VR頭盔，足不出戶便可以在虛擬展廳中漫游看展。英國自然歷史博物館與谷歌聯合，數字化300000件標本，利用虛擬現實技術打造線上VR版侏羅紀公園。如今在“谷歌藝術與文化(Google Arts & Culture)”的網站上，人們可以看到VR版恐龍，還可以在博物館各展區中漫步。這種方式一方面降低了人們出行的時間成本和空間成本，另一方面有助于博物館的文化傳播，同時一些不便于實體展覽的文物也可以得到很好的保護。但三維模型與實物之間畢竟存在差距，現場獨特的氛圍與文化氣息難以虛擬。

為此，我們構建了基于VR技術的長征體驗系統，旨在給用戶提供沉浸式的學習空間。本工作的意義有以下兩點：

(1)高校思想政治課教育改革示范。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調要把思想政治工作貫穿教育教學全過程，開創我國高等教育事業發展新局面。將VR技術運用到思想政治課教育教學中，為學生提供生動形象的思維材料，給學生帶來沉浸式的體驗，可以讓學生在理性和感性兩方面得到學習。思想政治課同VR技術融合，原本枯燥的課本內容變得鮮活起來，思想政治課的教學得以真正走入學生心中。

(2)傳統博物館與VR技術有機結合的新型博物館試點。國內外大多數博物館只是把VR當作一種技術手段來幫助提高展示效果，調動觀眾的觀展興趣，但是并沒有把VR真正融入到展陳的內容中去。本工作將VR作為展陳設計的一部分，由形式設計的層面提高到內容設計的層面，將新媒體技術與實體展覽完美結合，構建一個完整的學習空間，能讓學生真正從中獲取知識，如圖1所示。

圖1 實體展覽與新媒體技術相結合

3 系統結構與實現

3.1 設計理念

系統的設計理念是以教育為目的，以人為中心，以歷史為主線，將傳統博物館展陳方式與VR技術有機結合。設計長征體驗系統的目的是讓用戶在體驗過程中能夠學習長征的歷史，感悟長征精神。在設計過程中，用戶的體驗是系統的首要考慮因素，以人為中心，從用戶的角度出發，關注用戶的情感體驗，從而選擇展示內容，設置展陳空間，將真實環境與虛擬環境結合，寓樂于學，讓用戶在輕松愉悅的氛圍中收獲知識，如圖2所示。尊重歷史，以史為骨，重大的歷史事件貫穿整個體驗流程。

圖2 以用戶為中心的設計理念

3.2 設計策略

為了讓觀者對長征路線有整體的認識，了解重要的會議及戰役，體驗路途的艱辛，理解長征的意義，學有所得，系統選定了四個主要事件節點，分別為：遵義會議，飛奪瀘定橋，夾金山雪山草地以及陜北勝利會師。

基于VR的長征體驗系統總體結構如圖3所示。遵義會議，飛奪瀘定橋以及勝利會師部分采用傳統博物館的展陳方式，爬雪山部分使用VR技術。之所以選取這一部分作為VR體驗，是因為爬雪山的艱辛僅僅通過課堂的講述難以變現出來，而VR技術具有高沉浸感的特點，十分適合雪山環境的再現與體驗。

雪山行進的虛擬場景體驗與遵義會議、瀘定橋戰役的實體展示相結合，必要的知識點為主線貫穿其中，把觀者的情感慢慢帶入高潮，學習與欣賞同步進行，體驗與感悟同時發生。系統用VR講述歷史故事，VR技術不再是一個簡單的輔助工具，而是整個體驗流程中必不可少的一部分。

圖3 長征體驗系統總體結構

3.3 系統實現

系統按照歷史事件的發生順序安排用戶的觀展順序，結合展陳空間，設定的用戶參觀路線如圖4所示。

圖4 用戶參觀路線

下面首先介紹遵義會議，飛奪瀘定橋以及勝利會師部分，關于VR體驗的部分將會在下面章節著重介紹。

(1)遵義會議部分：這一部分內容使用了投影儀等多媒體設備配合展品展示。體驗開始，觀者的情感難以快速帶入，因此在這一部分，展覽模擬遵義會議的場景，利用展品輔以文字圖像進行說明，介紹遵義會議前的嚴峻形勢。同時利用多媒體設備播放影像資料，借助紀錄片《長征》中對紅軍老兵的采訪，利用事件與情感講述，幫助用戶快速釋放情感。影片內容中還穿插了遵義會議的過程，毛澤東同志在內的與會人員的發言情況以及會議確定的黨的未來的方針路線等知識點。

(2)飛奪瀘定橋部分：此處利用展品模擬展示瀘定橋作戰的情形，陡峭的崖壁，搖晃的鐵索，配合昏暗的燈光，利用博物館獨特的展陳設計方法，烘托出當時兇險異常、命懸一線的戰斗氛圍。在展臺旁邊還設有專門的文字圖片加以輔助說明，同時放置了一本筆記本，供觀者記錄下自己的學習感悟。

(3)勝利會師：這一部分展覽利用展品展示配合文字圖片介紹，總結長征的歷史過程，明確長征的歷史意義與時代價值，引發觀者情感上的共鳴，著重培養青年同志堅信正義事業必然勝利的自豪感與歷史責任感，新的時代要走好新的長征路。

4 雪山VR體驗系統

4.1 雪山體驗情節

VR雪山體驗系統旨在利用VR技術重現雪山情景，讓用戶如臨其境地體驗紅軍爬雪山的過程，進而獲得感性的認知。為此，系統設置了如下體驗情節：

利用計算機技術生成三維環境，用戶戴上頭盔后，首先看到的是一段影片，三分鐘左右的影片簡要介紹了紅軍爬雪山這一段歷史，學生可從中學習到必要的知識點，影片最后將畫面定格在雪山中。隨后他們通過“時空隧道”，穿越到了雪地。白雪皚皚，寒風凜冽，此時的他們也是紅軍戰士的一員，在雪地中冒雪行走，戰士們穿著破舊的衣服和鞋子，上面都結了一層厚厚的冰，步履維艱。好在身旁有老班長的悉心照料，提醒著他們雪地行進的注意事項，同時也述說著路途的艱險。在這里他們可以深切體會到紅軍戰士顧全大局、嚴守紀律、緊密團結的長征精神。隨著海拔的升高，環境愈加惡劣，行進愈加困難，學生們緊緊跟著前面的戰友翻越雪山，令人悲痛的是，中途會有戰士失足不慎跌落，學生們可由此體會到雪山的兇險與殘酷，感受紅軍堅忍不拔、眾志成城、百折不撓的精神。整個過程如圖5所示：

圖5 雪山體驗過程

4.2 雪山VR體驗系統需求分析

根據上述情節構建VR雪山體驗系統，首先要對其功能進行細化，分析目標需求，以便滿足用戶的體驗和理解訴求。

(1)功能性需求：①虛擬場景重現功能：提供雪山情景，戰士狀態等逼真的展示效果，其中雪山的環境條件，戰士的服裝裝備等細節應該符合歷史事實。②第一人稱移動功能：用戶戴上頭盔后，系統需要實時獲取用戶在真實環境中的位置信息與運動狀態，并將其反饋給虛擬世界，實現兩者之間的運動同步，帶給用戶舒適真實的體驗。③學習教育功能：用戶體驗過后，能從中學習到相應的知識點，而不是單純的娛樂。④情感帶入功能：作為整個展覽的一部分，VR體驗區應該能承上啟下，把用戶的情感帶入高潮，讓用戶在體驗之后對長征精神有切身的感悟。

(2)非功能性需求：①性能需求：模型的加載與腳本的運行必然會耗費一定的時間與計算資源，這就對虛擬模型的設計以及硬件計算平臺的配置提出了一定的要求。②安全性需求：由于用戶需要在真實場景中移動，因此需要保證用戶在移動過程中的安全。

4.3 雪山VR體驗系統總體架構

按照上述需求分析，雪山VR體驗系統的設計架構如圖6所示。

圖6 雪山VR體驗子系統架構

其中HMD設備與PC機之間通過串流盒連接。綠色幕布覆蓋了用戶的移動區域，一為提示，二為美觀。

系統要求主機能夠實時處理大量的三維圖像數據，硬件配置如下：

GPU：NVIDIA GTX1060；CPU：Intel Core i7-7700

為了滿足用戶的移動需求，系統還使用了HTC Vive VR設備，其中包括頭戴式顯示器，控制手柄和基站。這款設備顯示效果好，畫質清晰逼真，可以給用戶帶來很好的沉浸式體驗。其基站主要用于實時定位功能，用戶在其限定范圍內可自由移動。

圖7 HTC Vive裝置圖

系統開發軟件主要有Autodesk Maya用于三維建模，Unity 3D用于虛擬現實開發引擎。

4.4 雪山VR體驗系統實現

VR體驗內容的開發流程如圖8所示，首先需要收集長征方面的歷史素材，主要包括介紹長征的紀錄片、雪山的地形地貌以及紅軍爬雪山時的精神面貌。然后結合收集的素材，在Maya中建立人物以及場景的三維模型，包括設計紋理材質、刻畫面部細節等操作。第三步則是將收集的視頻資料、人物模型、場景模型和音頻資源導入Unity3D中，這里的音頻資源包括老班長鼓勵年輕戰士的話語以及整個體驗過程中的背景音樂，其中老班長的臺詞由專業的配音演員為其配音，而背景音樂主要用來渲染情感氛圍。在Unity3D中，需要添加專用的VR組件，添加攝像頭，設置模型比例。還需要設置烘焙場景的光照，添加人物和飄雪的動畫，編寫運動和交互腳本等。第四步是對系統進行測試，優化模型及代碼。最后將其發布成可執行文件，在windows7系統中可以直接運行，系統運行畫面如圖9所示。

圖8 VR體驗內容開發流程

圖9 系統運行畫面截圖

4.5 體驗效果

系統將VR技術與傳統的展覽方式相結合，學生們邊看邊學，在體驗中學習歷史，在虛擬與現實中感悟長征精神。思想政治課授課不再是生硬的講授，而是“活”的教學。項目成果獲得了老師和學生們的一致好評，體驗過的學生紛紛表示，不僅牢記了關于長征的知識點，而且對于長征精神的內涵有了更加深刻的理解。項目也引發了媒體的廣泛關注，人民網、新華網等媒體都進行了相應的報道。有學生在接受采訪時說，“以前我從來沒有見過雪山，也沒想過做一名紅軍戰士是什么體驗，通過VR技術，我對他們那時面臨的困難有了更深的認識，更能從情感上產生共鳴”。有授課老師也表示，通過VR技術，學生可以在虛擬環境中充分利用人的感知功能，深刻理解事件的發生經過，教學效果比以往的方式好得多。

5 結束語

新興技術推動著各行各業的發展，在高校思想政治課教育教學上，我們也要敢于嘗試，敢于創新，擺脫單一枯燥的教學模式，運用新媒體新技術，寓學于樂，讓學生得到充分學習，為社會培養綜合型人才。博物館作為藝術文化的圣地、文化傳播的風向標，在自身的發展建設上也要善于運用VR等新技術，嘗試不同的模式，以便讓更多的人獲益其中。