基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用

◆宋雪 李小莊 盧甜甜

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用

◆宋雪 李小莊 盧甜甜

（長春大學(xué) 旅游學(xué)院 吉林 130607）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和計算機硬件的逐步改善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已慢慢成為信息領(lǐng)域的一個研究熱點。人們可以更好利用高性能計算機，構(gòu)建一個逼真的三維環(huán)境，讓人們身臨其境的體驗虛擬世界，在虛擬環(huán)境中使用不同的方式來與對象進(jìn)行交互體驗。本文重點研究如何使用UNREAL ENGINE 4虛幻引擎構(gòu)建智慧校園，根據(jù)學(xué)校1比1還原校園環(huán)境，分模塊進(jìn)行校園建設(shè)，使用3D max軟件建設(shè)校園教學(xué)樓、操場、實驗室等模型，實現(xiàn)沉浸式教學(xué)效果、可以模擬火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害的消防演習(xí)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；智慧校園；UNREAL ENGINE 4；校園建設(shè)；3D max

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是21世紀(jì)重點發(fā)展的三個技術(shù)之一，在教育中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)授課方式，如多媒體教學(xué)等。可以讓學(xué)生從間接獲取知識變?yōu)橹苯荧@取知識，從旁觀到參與，也可以讓教師脫離傳統(tǒng)的授課方法，不再一味講授，也可以情境演示。學(xué)生通過教師建設(shè)的各種情境參與分配角色，在一定基礎(chǔ)上，也可以改變教師設(shè)置的情境，這樣使學(xué)習(xí)變得更加生動有趣，才能提高學(xué)生的興趣及創(chuàng)新能力。這樣可以使教師的教學(xué)方式多種多樣，學(xué)生有沉浸感才能使教學(xué)變得有趣。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠通過計算機設(shè)定三維世界，通過頭盔、頭顯等外接設(shè)備實現(xiàn)五感的連接。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心是人與計算機構(gòu)建虛擬世界的交互性和沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬世界分為兩種類型：（1）重現(xiàn)現(xiàn)實世界；（2）制作完全的虛擬世界。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要分為三個特征：第一，有真實的沉浸體驗感，人們利用計算機軟件創(chuàng)建一個擬想的虛擬環(huán)境，讓體驗者有非常真實的體驗感，就像是身處在現(xiàn)實世界一樣。這樣能讓用戶感受到在虛擬環(huán)境中人也是可以有操作性的，能夠在與計算機交互過程中扮演一個虛擬環(huán)境內(nèi)的角色來實現(xiàn)人的體現(xiàn)作用，讓用戶如同在現(xiàn)實世界中一樣。第二，有豐富的交互性，用戶需要有交互體驗才能感受到真實，如果無法在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，很快就會意識到問題，會盡快脫離場景建設(shè)。第三，有新穎的構(gòu)想性，有些環(huán)境已經(jīng)經(jīng)過時間的磨滅消失或者慢慢損耗，無法讓接收者得到直觀的感受，只能通過照片或視頻來間接接收內(nèi)容，這需要制作1比1還原的場景，讓學(xué)生有真實體驗感。并且可以通過教師自己的設(shè)想來創(chuàng)建一個新的內(nèi)容，發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生通過討論后可在其任何位置進(jìn)行修改，可以提高學(xué)生自身認(rèn)識，從而創(chuàng)造出新的構(gòu)思想法。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在校園教學(xué)是非常有用的。

使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建校園，可以讓學(xué)生在宿舍就有身處課堂的感覺，通過交互性來使學(xué)生與老師互動，可節(jié)省課堂資源。如：地理學(xué)科的教師無法將關(guān)于地理環(huán)境的材料實地展示給學(xué)生，如果創(chuàng)建虛擬校園的虛擬課堂，即可讓學(xué)生身臨其境的學(xué)習(xí)地理知識；物聯(lián)網(wǎng)概論的教師無法將智能家居這樣龐大的電器體系都展示給學(xué)生，就可以通過虛擬建設(shè)，讓學(xué)生先了解智能家居在家庭的應(yīng)用，然后再了解每一個電器是由多個超大規(guī)模集成電路組成的，超大規(guī)模集成電路下屬還有多個小型單片機，將抽象的東西具體化，更能帶給學(xué)生直觀感受。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于智慧校園建設(shè)的可行性

2.1 深度優(yōu)化智慧校園智能環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使學(xué)校校園的環(huán)境建設(shè)可以實現(xiàn)現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境的有機融合；特別是將實時視頻控制、多傳感器信息融合這兩項技術(shù)應(yīng)用于智慧校園建設(shè)，可以有效地多角度優(yōu)化、呈現(xiàn)完整的校園環(huán)境。

2.2 抽象內(nèi)容可視化、形象化，提升教學(xué)、科研質(zhì)量

大量研究結(jié)果表明，若將教學(xué)、科研與虛擬現(xiàn)實技術(shù)深度整合，能夠有效提升教學(xué)質(zhì)量和科研水平；基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的可視化的呈現(xiàn)，能夠加強對抽象事物的顯性認(rèn)知。因此可以推斷，模型建立的質(zhì)量好壞將直接影響整個虛擬現(xiàn)實環(huán)境質(zhì)量的好壞。

2.3 強化校園的智慧性體驗程度

智慧性體驗是在智能環(huán)境、智慧應(yīng)用和服務(wù)基礎(chǔ)上，對環(huán)境和應(yīng)用服務(wù)理念層面的升華，它展現(xiàn)的是用戶對信息素養(yǎng)和信息文化的深層感受，以及與智慧校園各因素之間互動程度。因此，為了增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體驗感，不僅需要多種傳感器的信息融合、實時跟蹤、精準(zhǔn)定位，還應(yīng)實現(xiàn)用戶與虛擬場景之間的自然交互，受到各種交互指令時，給予相應(yīng)的反饋。

3 課題研究的意義和創(chuàng)新點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是未來非常受歡迎的可視化手段之一，它具有多感知性、交互性、沉浸性、三維建模等特點，現(xiàn)如今無論校園是否為數(shù)字校園，融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是對學(xué)校的升級，在智慧校園的建設(shè)過程中，構(gòu)建一個虛擬的、具有多方面交流、服務(wù)、教育的平臺，可以使得學(xué)生學(xué)習(xí)和生活娛樂的環(huán)境更加豐富，可以加強學(xué)生的思維創(chuàng)新和思維發(fā)散能力，為學(xué)生帶來更好的校園體驗。以本文建設(shè)校園為例，將基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建與校園1比1模型的虛擬環(huán)境，用戶通過計算機操控與該環(huán)境進(jìn)行交互，實現(xiàn)對智慧校園的控制。本文將利用Photoshop，3D max等制作貼圖紋理和建立模型，使用Unity 3D、UNREAL ENGINE 4進(jìn)行用戶交互設(shè)計和情境渲染，建立仿真景觀的VR智慧校園，在此基礎(chǔ)上，制作一個立體校園模型，通過藍(lán)牙控制實現(xiàn)智慧校園。

創(chuàng)新點：利用3Dmax制作實景模型，可以讓學(xué)生有真實的體驗感，可以自主選擇上課教室，真實地沉浸在虛擬校園中，并且可以通過火災(zāi)創(chuàng)景，來模擬火災(zāi)發(fā)生時有序離開教室情況，也可以通過創(chuàng)建地震場景模擬，讓學(xué)生對地震后反應(yīng)做出及時應(yīng)對，既節(jié)省成本，又能實現(xiàn)知識普及效果。

主要針對現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實技術(shù)在校園中的應(yīng)用，可以對小型校園模型使用APP進(jìn)行控制，也可以使用外接設(shè)備模擬火災(zāi)、地震等場景。

建設(shè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的智慧校園，學(xué)生可以通過計算機對智慧校園進(jìn)行交互，并且可以使用安卓移動終端操控小型智慧校園模型。

4 課題研究的主要內(nèi)容

本課題主要利用平面及虛擬現(xiàn)實技術(shù)等制作工具，如：Photoshop、3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4制作校園模型及校園交互；再利用java、C、安卓、APP inventor等編程工具及系統(tǒng)開發(fā)軟件，制作安卓移動端控制智慧校園；利用多種傳感器及校園模型，制作小型智慧校園。

4.1 主要內(nèi)容

4.1.1使用Photoshop制作大型校園模型建設(shè)

（1）拍攝校園細(xì)節(jié)圖片

（2）校園內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰合理

4.1.2使用3D MAX、UNREAL ENGINE 4制作校園模型

（1）校門模型的建設(shè)與研究

（2）行政樓模型的建設(shè)與研究

（3）教學(xué)樓模型的建設(shè)與研究

（4）綜合樓模型的建設(shè)與研究

（5）宿舍樓模型的建設(shè)與研究

（6）道路模型的建設(shè)與研究

（7）花草模型的建設(shè)與研究

（8）籃球場模型的建設(shè)與研究

（9）足球場模型的建設(shè)與研究

4.1.3使用Unity 3D、UNREAL ENGINE 4進(jìn)行交互系統(tǒng)建設(shè)

（1）用戶與用戶交互系統(tǒng)

（2）用戶與學(xué)校交互系統(tǒng)

4.1.4小型智慧校園模型建設(shè)

（1）模型制作

（2）將模擬使用的傳感器安裝至模型中

（3）使用App inventor制作控制程序

（4）實現(xiàn)藍(lán)牙控制校園，實現(xiàn)智慧校園的模型建設(shè)

4.2 課題需解決的關(guān)鍵性問題

（1）模型尺寸測量

（2）模型建設(shè)

（3）VR交互性設(shè)計

5 步驟實施方案

由課題主持人負(fù)責(zé)總體分工，分成6個課題小組：一是查找虛擬現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)模型素材小組；二是利用C語言、JAVA語言及系統(tǒng)工具軟件制作小組；三是測量校園模型制作小組；四是小型模型硬件制作小組；五是數(shù)據(jù)分析和VR交互性制作小組；六是論文及研究報告撰寫小組。

6 研究框架（表1）

表1 研究框架表

7 總結(jié)

本課題將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到智慧校園中的建設(shè)，在教育領(lǐng)域的探索過程中，VR技術(shù)具有提高教學(xué)手段、提高教學(xué)水平、整合教學(xué)資源等優(yōu)勢。通過計算機的操控與環(huán)境相交互，構(gòu)建一個虛擬的交流、服務(wù)、教育平臺，加強學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境更加的完善。使現(xiàn)如今的數(shù)字化校園得以升級。

我們主要利用Photoshop、3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4來制作校園的模型包括校園的教學(xué)樓、行政樓、圖書館、宿舍樓、道路、花草、籃球場、足球場等模型，以及用戶和校園之間的交互，并且也加入了相應(yīng)的傳感器；利用java、APP inventor等編程工具及系統(tǒng)開發(fā)軟件，最終可以實現(xiàn)通過藍(lán)牙來控制程序，實現(xiàn)智慧校園的模型制作，讓我們的學(xué)習(xí)和實踐更加的完善。

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