《VR平院校史館》的設計與實現

彭偉國 李文松

平頂山學院 計算機學院（軟件學院） 河南 平頂山 467000

引言

在平頂山學院60華誕之際，2019年10月平頂山學院（以下簡稱平院）校史館正式落成開放。開發一款VR版的平院校史館，校內外師生和游客可通過網絡身臨其境的去參觀校史館，是線上展示校情的平臺和窗口，以增強師生的集體榮譽感、時代責任感，提升學校的社會美譽度，達到良好的教育宣傳效果。

1 項目策劃

通過已有校園虛擬漫游項目分析，可知大部分項目在場景上主要呈現的是三維模型、圖片、文字等，在交互功能上主要有交互式地圖、漫游路線、圖片展示、語音解說等。VR平院校史館在項目策劃上，吸取了已有類似項目交互設計的先進經驗，將VR項目交互形式分成圖文交互、視頻觀看、語音解說、答題測試、圖片消消樂等多種形式，在不失趣味性的前提下，真實還原平院校史館的實際場景布局。為此，本項目在功能策劃上有注冊與登錄、虛擬漫游、虛擬交互、校史導學、小游戲等。

2 項目實現技術

本項目使用主流的Unity引擎進行開發；用戶借助HTC VIVE設備，可以通過戴頭盔、拿手柄的方式實現對角色的控制；開發過程中采用單例設計模式，使項目滿足“高內聚、低耦合”的需求。本項目的3D場景使用Maya建模軟件進行制作，然后使用C#編程語言實現交互功能。

3 項目詳細設計

3.1 場景設計

本項目的場景主要由房屋建筑、展板、桌子、燈等一些物品組成。房屋建筑主要是參考現實中的校史館進行設計，場景總共分為四個部分。第一個部分主要是由一間房子劃分開來，中間豎立著平頂山學院的牌子；第二個部分是一個走廊加一個方形的房子，中間豎立一個圓柱，圓柱上面是一個像扇子一樣的建筑；第三個部分是一個走廊和一個圓形展臺建筑；第四個部分是一個圓形建筑加上一個圓臺。

VR校史館虛擬場景里面有許多展板，分為前言展板、內容展板、后記展板。前言展板主要介紹校徽、校訓、校歌、校史的簡介；內容展板主要有校史模塊、院系模塊、黨建模塊、民主管理、團學活動、學校規劃；后記展板主要是回望歷史、審視當下和展望未來，全力譜寫新時代平頂山學院的絢麗華章。

玩家以虛擬的第一視角的形式，在場景里面游走，手握HTCVIVE手柄、頭戴頭顯設備來操作虛擬人物以達到體驗的效果。

3.2 功能設計

依據項目交互功能設計，項目設計了登錄注冊界面、開始界面、加載界面、視頻播放界面、答題界面、消消樂界面、柱狀圖界面等UI界面。在功能設計上，以面向對象程序設計思想為指導，運用C#語言編寫交互腳本，通過類圖的形式設計了登錄與注冊功能、虛擬漫游功能、虛擬交互功能、校史導學功能、小游戲功能等方面。在此，以虛擬交互功能設計為例進行詳細闡述。

在虛擬現實系統中，用戶與虛擬世界之間要實現自然的交互，必須采用特殊的輸入輸出設備，用以識別用戶的各種信息輸入，并實時生成逼真的反饋信息。VR輸入設備如動作捕捉、手勢識別、聲音感知等體感類設備，通過感知用戶輸入信息，與虛擬世界進行交互，輸入設備是實現消費者交互、沉浸感的重要技術[1]。

根據設計，本項目就是要借助HTC VIVE設備來實現這個功能。兩個帶有按鈕和振動反饋的手柄，一個可以看見虛擬場景的頭盔，它們會實現用戶與虛擬世界的交互。首先就是設備如何使用，怎么才算連接成功，其次是怎么獲取手柄的接口，最后就是通過按鈕與虛擬世界的交互。

虛擬交互功能是在Control Manage類里面實現，hand變量是指兩個手柄，m_pose變量是指手柄的動作，m_Touch變量是指手柄圓盤的位置，類圖如圖1所示：

圖1 虛擬交互功能類圖

4 項目詳細實現

4.1 場景實現

場景中主要由房子、展臺、圓柱、展板、燈等物體組成，對于場景的實現，一是模型的制作、貼圖的制作，二是場景的布局（展板的位置、大小等內容）。

根據項目設計總共有四個房間，運用Maya軟件先制作出墻體的形狀，然后通過復制、移動、壓扁、調整位置，制作出房子形狀；通過Maya多切割工具和擠壓工具形成房頂上的各種形狀；然后，創建幾個立方體，用來制作展板、展臺、攝像頭等房屋設施；針對房屋每個部分進行UV操作，保存圖片在Photoshop軟件里做貼圖，然后在Maya里面添加材質；最后，在Maya里將模型導出，格式為fbx，然后將它導入到Unity。

前言展板、內容展板、后記展板制作步驟幾乎一樣，都是創建Text和Image，并改變其內容和參數。

4.2 功能實現

從VR環境搭建、VR按鍵和頭盔、VR視頻播放三方面為例分析本項目功能的實現。

（1）VR環境搭建

HTC VIVE是一款虛擬頭盔，是VR虛擬現實交互設備，HTC Vive套件由頭戴式顯示器（HMD)、兩個基站、兩個無線操控手柄和一個串流盒構成[2]。VR環境搭建分為兩個步驟，第一步驟是SteamVR的導入，第二步驟是Player的設置。

1）SteamVR的導入

從Unity Asset資源商店里導入SteamVR插件；在Unity中將PlayerSetting的設置為OpenVR；打開Window下的SteamVRInput編輯界面，默認的default不用改，Actions 下In則為要輸入的事件，out為輸出事件；點擊In里面的“+”，Name為當前事件的名字，Type為事件的返回值類型，Required目前測試3種選擇沒有區別，Localized String直接設置為當前事件的名字一樣即可；定義一個觸摸板觸摸事件，類型為boollean，編輯完后點擊save and generate按鈕就可以把這個事件寫入到SteamVR_Input_ActionSet_default_In；點擊Open binding UI按鈕，進行手柄按鍵的操作。

2）Player的設置

找到SteamVR示例場景Player，將其拖到場景中即可實現基礎的瀏覽；調整合適大小，然后將其放入場景的第一個地方；選中Player添加相應的代碼，對其進行設置；運行場景，如果能夠在頭盔里面看到場景的話，表示設置成功。

（2）VR手柄按鍵

1）獲取手柄按鍵的方法是聲明一個Hand類型的變量，通過SteamVR_Input.GetStateDown方法獲取手柄按鍵。

2）手柄按鍵獲取后就要檢測與場景中UI的交互了，此時向Canvas物體中掛在SteamVRLaserWrapper腳本。

3）SteamVRLaserWrapper腳本主要實現射線與UI的碰撞問題，首先引出OnPointerClick、OnPointerOut、OnPointerIn三個方法，然后連接EventSystem中的檢測方法，最后添加到相應的事件上。

（3）VR視頻播放

視頻播放子功能主要是指用戶點擊按鈕進行視頻的播放，它主要把視頻渲染到了UI界面上，然后將內容展現給用戶。

本功能在PlayVideoOnUGUI類和SliderEvent類里面實現，PlayVideoOnUGUI類和SliderEvent類是依賴關系。PlayVideoOnUGUI類處理是視頻加載邏輯，SliderEvent類處理的是進度條邏輯，ShowVideoTime方法處理的是進度條顯示視頻時間的邏輯，類圖如圖2所示：

圖2 視頻播放功能類圖

該功能的主要實現，有以下幾個步驟：

1）在video組件里掛上PlayVideoOnUGUI腳本并且將相應的Button添加上實踐。

2）在PlayVideoOnUGUI類里面，首先將視頻渲染到原先定義好的UI界面上，獲取videoPlayer組件和rawImage組件，然后在Update里面將videoPlayer的texture賦值給rawImage的texture，最后在場景中就可以看到視頻在播放。

3）在PlayVideoOnUGUI類里面，實現播放、暫停、關閉功能就要用到Bool指isPause和isClose，當isPause為false且isClose為false時，用Play()方法來讓視頻播放；當isPause為true且isClose為false時，用Pause()方法來讓視頻暫停；當isPause為true且isClose為true時，用Stop()方法來讓視頻暫停并且讓原先的圖片將視頻替換掉。

4）實現進度條功能，首先是ShowVideoTime方法，先獲取當前的視頻播放時間，再將當前視頻播放的時間顯示在 Text上，后把當前視頻播放的時間比例賦值到Slider 上，然后就是在Update方法里面調用此方法，最后實現時間實時更新的效果。

5）在SliderEvent類里面，創建SetVideoTimeValueChange方法，目的是當前的 Slider 比例值轉換為當前的視頻播放時間，然后在OnDrag方法里調用此方法并將isPause改為true，最后再OnEndDrag方法里將isPause改為false。

6）最后通過運行場景，用戶可以點擊這些按鈕。界面效果如圖3所示：

圖3 VR視頻播放效果圖

5 結束語

VR平院校史館項目的實現，用戶從入館前到入館后有十幾個任務點，用戶完成一個任務之后才能進入下一個任務點。任務分為圖文交互、視頻觀看、答題測試、圖片消消樂等。技術實現上，該項目使用主流的Unity引擎進行開發，用戶可以通過戴頭盔、拿手柄的方式在VR校史館內進行虛擬漫游和交互，能讓平院師生去通過虛擬環境了解平院六十年的發展史，增強了平院師生的集體榮譽感和時代責任感。