一種VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

左德遙　高峰

摘? 要： 為彌補(bǔ)當(dāng)前高校紅色文化資源傳播手段和形式的不足，拓展紅色文化的覆蓋面，加強(qiáng)紅色文化與課程思政的深度融合。文章借助3ds Max建模軟件和Unity3D開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)。PC端VR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沉浸式體驗(yàn)，手機(jī)端AR系統(tǒng)使學(xué)生能隨時(shí)觀看學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生新型技術(shù)應(yīng)用視野，也為高校課程思政教學(xué)改革提供支持。

關(guān)鍵詞： 紅色文化; 虛擬現(xiàn)實(shí); 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí); Unity3D; 虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2022）02-66-04

Design and implementation of VR/AR red culture virtual simulation education system

Zuo Deyao， Gao Feng

（Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Dongyang， Zhejiang 322100， China）

Abstract： In order to make up for the lack of the means and forms of the red culture resources in colleges and universities， expand the coverage of the red culture， and strengthen the deep integration of the red culture and the ideological and political education. In this paper， a VR/AR red culture virtual simulation education system is developed by means of 3ds Max modeling software and Unity3D development platform， combined with virtual reality and augmented reality key technologies. The VR system on the PC side realizes immersive experience， and the AR system on the mobile side enables students to watch and learn at any time. The system not only improves students' learning interest， expands students' vision of new technology application， but also provides support for the teaching reform with ideological and political education in colleges and universities.

Key words： red culture; VR（Virtual Reality）; AR（augmented reality）; Unity3D; virtual simulation

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)生成的一種虛擬環(huán)境，該虛擬環(huán)境能夠給人提供多感官刺激，與人實(shí)時(shí)交互，從而使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR），是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性的特點(diǎn)，充分滿足了現(xiàn)代教育的需求，因此將其融入機(jī)械工程類實(shí)踐課程、智能制造類實(shí)踐教學(xué)中，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的多層次教學(xué)平臺(tái)，滿足工程實(shí)踐課程的教學(xué)需求[1-2]。AR是把虛擬信息融入現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的一種全新的交互方式。AR具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)這三個(gè)基本特征，已經(jīng)在醫(yī)療、教育、工業(yè)等方面有了廣泛應(yīng)用[3-4]。此外，近幾年有不少關(guān)于VR技術(shù)在具體某個(gè)景區(qū)或博物館應(yīng)用的研究[5-6]。2021年恰逢中國(guó)共產(chǎn)黨建黨100周年，紅色文化資源內(nèi)容豐富、形式多樣，研究VR產(chǎn)業(yè)如何助力紅色資源開發(fā)，研究紅色資源如何豐富高校思政課堂，具有十分突出的育人價(jià)值[7]。

基于以上研究，本文將借助虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅色資源的具象化呈現(xiàn)，將紅色資源貫穿到高校實(shí)踐課程的教學(xué)過程中，構(gòu)建體驗(yàn)式教育教學(xué)系統(tǒng)，有利于增強(qiáng)教學(xué)吸引力，提高學(xué)生參與度。

1 紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

我們創(chuàng)作了以長(zhǎng)征為主題的紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開發(fā)了兩種展示交互系統(tǒng)，具有沉浸式體驗(yàn)HTC VIVE VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)和便于學(xué)生隨時(shí)觀看學(xué)習(xí)的手機(jī)App端AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，具體功能如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線與系統(tǒng)架構(gòu)

技術(shù)路線與系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括軟件建設(shè)部分和硬件支撐部分。第1部分軟件建設(shè)部分，首先需要在3ds Max建模軟件里完成三維模型制作以及在Substance Painter中完成貼圖制作;其次將模型、UI設(shè)計(jì)等美術(shù)資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎完成項(xiàng)目的UI界面搭建、場(chǎng)景設(shè)置;最后完成主程序、交互邏輯程序構(gòu)建，在程序開發(fā)過程中還需要導(dǎo)入SteamVR Plugin和VRTK插件完成VR項(xiàng)目的開發(fā)，導(dǎo)入Vuforia SDK完成AR項(xiàng)目的開發(fā);第2部分硬件支撐部分，主要包括HTC VIVE頭盔、VIVE定位器、操控手柄、安卓手機(jī)、臺(tái)式或筆記本電腦。第1部分和第2部分共同構(gòu)成了紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)VR/AR開發(fā)的軟、硬件平臺(tái)支撐。

VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，主要通過主場(chǎng)景設(shè)置和VR過草地場(chǎng)景設(shè)置完成，運(yùn)用VRTK插件實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游和傳送、物體交互、UI交互等交互功能。AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，利用移動(dòng)設(shè)備攝像頭獲取現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并將虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加融合，主要通過主場(chǎng)景設(shè)置和AR場(chǎng)景設(shè)置完成，運(yùn)用Vuforia插件實(shí)現(xiàn)二維圖像掃描對(duì)應(yīng)、觸屏控制等功能。

2 VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)分為PC端VR系統(tǒng)和手機(jī)APP端AR系統(tǒng)，由于采用Unity3D開發(fā)平臺(tái)，支持PC端、Web端、APP端的全平臺(tái)發(fā)布，且AR系統(tǒng)是基于VR系統(tǒng)內(nèi)容開發(fā)，因此，重點(diǎn)以PC端VR系統(tǒng)開發(fā)為主闡述，并在第三部分單獨(dú)進(jìn)一步闡述AR系統(tǒng)。

⑴ 場(chǎng)景模型制作、主體交互模型制作

場(chǎng)景模型制作是鏡頭動(dòng)畫設(shè)置的基礎(chǔ)，場(chǎng)景模型包括紅軍戰(zhàn)士、馬、旗幟。主體交互模型是場(chǎng)景預(yù)設(shè)三種交互道具，包括草鞋、背帶水壺、沖鋒號(hào)，觸發(fā)后可出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的物品簡(jiǎn)介和語音介紹。三維模型的建立是后續(xù)VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，可基于3ds Max三維建模軟件進(jìn)行建模，構(gòu)成紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)三維模型庫(kù)。

⑵ 三維模型UV拆分、貼圖繪制

第一、在3ds Max中制作同一個(gè)模型的高模和低模。第二、在Unfold3D中把低模進(jìn)行UV的拆分，在3ds Max中將高模拓?fù)錇榈湍＃⒃?ds Max中烘焙法線貼圖。第三、可進(jìn)一步利用Photoshop軟件制作一些貼圖，并將模型和PS中處理后的貼圖進(jìn)一步導(dǎo)入到Substance Painter中制作基于PBR通道的貼圖，配合模型在Unity3D引擎中使用。

⑶ UI界面設(shè)計(jì)、VR場(chǎng)景制作

將模型、貼圖、視頻、音頻等資源導(dǎo)入到Unity3D引擎中進(jìn)行UI界面搭建、場(chǎng)景內(nèi)容制作、VR交互設(shè)計(jì)，使用C#腳本編程語言完成VR系統(tǒng)的開發(fā)。

⑷ VR系統(tǒng)的打包與發(fā)布

將開發(fā)調(diào)試好的VR系統(tǒng)選擇在PC端平臺(tái)發(fā)布，生成可直接執(zhí)行的VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 主場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主界面設(shè)計(jì)采用界面特效和UI設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，背景采用的是沈堯伊先生油畫作品《而今邁步從頭越》作為軟件的主界面背景，通過增加披風(fēng)、旗幟動(dòng)畫方式，以及添加硝煙、火焰、飛舞的火星、漫開的煙霧等粒子特效讓畫面更具動(dòng)感。主場(chǎng)景主要通過歷史沿革、人物簡(jiǎn)介等長(zhǎng)征紀(jì)錄片和革命先烈生平紀(jì)要實(shí)現(xiàn)媒體播放功能與文字展示功能。UI界面交互使用VRTK實(shí)現(xiàn)與UI元素的交互，除需要在控制器對(duì)象上添加VRTK_UIPointer組件外，還需要在UI容器Canvas上添加VRTK_UICanvas組件。

2.2.2 VR場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

VR過草地場(chǎng)景采用Unity Terrain工具繪制出草原及周圍環(huán)境，添加合適的貼圖素材進(jìn)行場(chǎng)景的著色處理，為場(chǎng)景添加合適的天空盒，添加雨點(diǎn)、水霧等粒子效果，制作出雨天動(dòng)態(tài)效果，為地面材質(zhì)添加水漬效果和動(dòng)態(tài)水紋。該場(chǎng)景通過鏡頭動(dòng)畫+VR交互漫游的形式帶觀眾體驗(yàn)紅軍過草地的場(chǎng)景。通過設(shè)置Timeline用于管理鏡頭組及人物動(dòng)畫，添加Alembic插件適配人物的ABC動(dòng)畫格式，實(shí)現(xiàn)鏡頭動(dòng)畫的制作。

VR交互漫游具體功能實(shí)現(xiàn)如下：在VR環(huán)境中，使用VRTK搭建和配置項(xiàng)目環(huán)境，添加相應(yīng)的組件，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的漫游和傳送;移動(dòng)區(qū)域顯示與隱藏實(shí)現(xiàn)玩家碰到限定區(qū)域，該物體的透明度會(huì)增大，顯示區(qū)域的顏色，玩家離開限定區(qū)域，該物體的透明度變?yōu)?，從而會(huì)隱藏;VR場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)與物體的交互主要包括使用VRTK_InteractTouch組件實(shí)現(xiàn)與物體觸碰，使用VRTK_InteractGrab組件使控制器能夠抓取和釋放物體，VR物品簡(jiǎn)介與語音介紹使用VRTK_InteractUse組件使控制器能夠使用物體。VR傳送對(duì)象設(shè)置是指用戶按住圓盤鍵發(fā)射射線，射線懸停物體時(shí)，按住Trigger鍵打開提示窗口，該交互行為需要開發(fā)者自定義相應(yīng)事件處理方法。

3 AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

基于手機(jī)APP端的AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)主要包括主場(chǎng)景和AR場(chǎng)景，主場(chǎng)景的開發(fā)實(shí)現(xiàn)與PC端主場(chǎng)景類似，此部分主要闡述AR場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。AR場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了紅軍過草地、地理環(huán)境、長(zhǎng)征精神等歷史事件的學(xué)習(xí);AR功能包括AR模型展示、AR視頻播放、觸屏交互設(shè)計(jì)等。AR場(chǎng)景利用Vuforia SDK中的AR Camera（AR攝像頭）取代Unity3D引擎中的Main Camera（主攝像頭），使用Image Target作為AR Camera的識(shí)別對(duì)象，即特定的識(shí)別圖。掃描識(shí)別圖，識(shí)別圖識(shí)別成功后，則出現(xiàn)與識(shí)別圖所關(guān)聯(lián)的模型和視頻。觸屏交互設(shè)計(jì)，通過添加手指觸屏功能在手機(jī)端對(duì)模型進(jìn)行交互操作：?jiǎn)螕魧?shí)現(xiàn)模型脫卡;雙擊模型實(shí)現(xiàn)物品的簡(jiǎn)介與語音的介紹;單指滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn);雙指實(shí)現(xiàn)模型的放大縮小;長(zhǎng)按實(shí)現(xiàn)模型的銷毀等功能。

模型旋轉(zhuǎn)的核心代碼如下：

if（Input.GetMouseButton（0）） //是否觸摸屏幕

{? if （Input.touchCount == 1）//是否單指觸摸

{? if （Input.GetTouch（0）.phase == TouchPhase.Moved）

//第一個(gè)觸摸的手指狀態(tài)是否滑動(dòng)

{? //單點(diǎn)觸摸，水平上下旋轉(zhuǎn)

transform.Rotate（Vector3.up * Input.GetAxis

（"Mouse X"） *-xSpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

transform.Rotate（Vector3.right * Input.GetAxis

（"Mouse Y"） * ySpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

}

}

}

4 系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布

系統(tǒng)開發(fā)完成后，將VR系統(tǒng)發(fā)布到PC端生成.exe格式文件，將AR系統(tǒng)發(fā)布到安卓端生成.apk文件。用戶只需點(diǎn)擊軟件，就進(jìn)入了紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)界面，PC端用戶只需拿著HTC VIVE操控手柄/鼠標(biāo)體驗(yàn)沉浸式主場(chǎng)景和VR場(chǎng)景，手機(jī)端的用戶可以使用手指完成主場(chǎng)景、AR場(chǎng)景的體驗(yàn)與交互。

經(jīng)過反復(fù)運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，功能滿足了基本的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于Unity3D VR/AR紅色文化的虛擬仿真教育系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過三維軟件建模、Unity3D開發(fā)平臺(tái)、SteamVR Plugin、VRTK插件、Vuforia SDK實(shí)現(xiàn)，整理并設(shè)計(jì)了一套紅色教育課程思政資源庫(kù)，打破傳統(tǒng)紅色教育的時(shí)空限制，讓學(xué)生足不出戶，既學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，又體驗(yàn)了紅色主題教育，教學(xué)形式受到學(xué)生的普遍歡迎。該系統(tǒng)與專業(yè)教學(xué)的深度融合，是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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