VR教學平臺開發(fā)與研究

趙家興 卞璐

虛擬現(xiàn)實（ VR）技術(shù)在近幾年的信息技術(shù)發(fā)展發(fā)展中不斷完善，它是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸式感覺的技術(shù)。而UE4是一款游戲開發(fā)引擎，并且具有成熟的VR開發(fā)模塊。于是我們充分利用該軟件進行VR教學平臺的開發(fā)與研究，將枯燥難懂的平面教材轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芟冗M、沉浸交互的場景化教學。借助VR技術(shù)，可使知識點更加生動與直觀的展現(xiàn)，有利于激發(fā)學生的學習熱情與主動性，有效記憶與理解重點難點，提高教學效率與質(zhì)量。

1基于UE4對VR教學內(nèi)容制作必須解決的問題

UE4實際上是一群優(yōu)秀程序工程師魔改C++編程并搭建后的產(chǎn)物，說UE4是由c++編寫的既可以說對也可以說不對。一方面來說，虛幻引擎的確用C++語言進行編寫，另一方面虛幻引擎在編寫的時候并沒有完全遵守c++相關(guān)的編寫規(guī)定，工程師他們另起爐灶，用復雜的宏定義和新穎的藍圖可視化編程對引擎進行創(chuàng)新，引進各種復雜的系統(tǒng)來不斷完善這個引擎，這也就是為什么UE4相對于U3D人手那么難的原因，虛幻引擎不像U3D，在編程時，它的類別會分到最細，這就導致了在模塊和模塊之間進行邏輯編輯時尤其復雜。

那為什么我們不選擇U3D呢？在邏輯層面來說，想要實現(xiàn)大規(guī)模邏輯判斷和計算，U3D在前期有很大優(yōu)勢，但是后期捉襟見肘，代碼往后寫時越寫越復雜，越寫邏輯越混亂。而實驗教學內(nèi)容的制作上邏輯判斷和計算是極其重要的，UE4的細分結(jié)構(gòu)會在開發(fā)后期發(fā)揮巨大作用，但是前期來說，這會導致前期效率低下，我們要在這上面花費巨大時間來搭建內(nèi)容基礎(chǔ)。

于此同時，我們選擇UE4還有一個巨大的原因，在虛擬現(xiàn)實中，想要達到和真實實驗相差無幾的畫面，這就必須在引擎設(shè)計上面對畫面渲染下巨大功夫。UE4采用延遲渲染，引用高光等重要參數(shù)，為搭建真實場景提供了巨大幫助。但是想要制作真實畫面，我們必須完全了解引擎。所以我們必須基于UE4在VR教學內(nèi)容制作上解決如下問題：將模型素材有效的設(shè)計并搭建成教學內(nèi)容所需要的場景；實現(xiàn)教學場景中物體的交互性；實現(xiàn)教學內(nèi)容的引導和反饋。

2基于UE4對VR教學內(nèi)容制作的實現(xiàn)

首先我們對實驗內(nèi)容進行確定，根據(jù)相關(guān)的教材進行內(nèi)容設(shè)計，然后開始準備相關(guān)的模型素材實現(xiàn)場景搭建，在此基礎(chǔ)上我們得到了一個完全可視化的場景，但是只能看，不能用。接下來我們要全力轉(zhuǎn)向c++，用代碼配合藍圖的高效率開發(fā)方式來完成邏輯判斷與反饋。我們要不斷設(shè)計，不斷調(diào)試。比如VR電子實驗教學中從簡單電路開始，一步步的完善我們底層的代碼和各部件的結(jié)果顯示。在配合高效動畫設(shè)計和UI界面的設(shè)計，不斷完善整個項目，來達成對VR教學內(nèi)容制作的實現(xiàn)。

2.1生成教學內(nèi)容的場景

根據(jù)相關(guān)的教材內(nèi)容，我們設(shè)計并搭建實驗教學場景。在UE4的界面中，世界窗口上顯示實驗場景的具體內(nèi)容，我們從下方的內(nèi)容瀏覽器窗口將相關(guān)模型素材添加到實驗內(nèi)容中。然后將具體對象在右側(cè)

的世界大綱中打開編輯，改變物體在場景中的坐標參數(shù)、大小、顏色、材質(zhì)等自身屬性。通過命名分類，方便后期的添加，修改和刪除。從而生成和完善教學內(nèi)容的場景。

2.2教學內(nèi)容中物體的交互性。

我們的教學場景不僅僅是滿足看的功能還需要結(jié)合VR交互性強的特點，實現(xiàn)場景中物體的拾取及調(diào)整。于是我們對所有的元器件進行碰撞參數(shù)上面的設(shè)置，并且關(guān)聯(lián)手柄上面的按鍵（或手套）。這樣使用者完全可以用手柄（或手套）來操控虛擬實驗室里面的一切物體，同時我們利用UE4強大的物理引擎系統(tǒng)，模擬各物體之間的碰撞，形變，碎裂等情況。在配合粒子系統(tǒng)和渲染系統(tǒng)，給使用者以最佳的交互體驗。

2.3教學內(nèi)容的引導和反饋。

既然是教學，那么系統(tǒng)必須對使用者在實驗過程中的方式方法給出正確或者錯誤的判斷，我們的預期目標是讓一個完全沒有學過此實驗的人能夠通過我們的引導下明白基礎(chǔ)原理，并且根據(jù)引導獨立完成實驗。以電子實驗內(nèi)容為例，當體驗者拿起一個元器件的時候，面前的玻璃會投影關(guān)于這個元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，并且進行講解。并且你可以選擇完全引導模式，這樣當你拿起這個元器件的時候，電路板上面會顯示你應該放在哪邊。體驗者也可以選擇半引導模式，在玻璃上面根據(jù)工作原理的電路圖，在電路板上面放置所有的元器件。而這樣的過程我們需要通過c++以及UE4獨有的藍圖來實現(xiàn)。

3.應用實例

除上述提及的電子教學內(nèi)容制作，該軟件還可以充分發(fā)揮在建景，動畫方面的功能，以及可視化藍圖的便捷性實現(xiàn)教學過程中需要遇到的各類實驗，解決實驗設(shè)備購買和維護成本昂貴，一次性使用以及人身安全等問題。VR在醫(yī)學教學領(lǐng)域上的使用已經(jīng)初有成效，消防安全模擬，飛行器模擬等相關(guān)應用也被廣泛開發(fā)和應用。這有利于體驗者快速準確的了解到體驗內(nèi)容的相關(guān)知識，并留下深刻印象。

基于UE4這樣優(yōu)秀成熟的軟件，使得VR教學內(nèi)容的開發(fā)難度大大降低，相信不久的將來VR教學將成為學生教育的一種新方法，一改當前單一的紙質(zhì)的、平面的教學模式。它所帶來的學習的高效性和趣味性也就不言而喻了。