基于Unity3D的冬奧會沉浸式交互體驗系統(tǒng)

田曉璇 李宗澤 司芳慧 劉龍

摘 ?要 ?鑒于2022年冬奧會在北京和張家口舉行，為了給廣大民眾宣傳冬奧會競技項目普及冬奧會知識，文章結(jié)合Unity3D引擎和SteamVR插件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的開發(fā)，實現(xiàn)了雪景漫游、冬奧會知識科普以及趣味滑雪的沉浸式交互體驗系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 ?虛擬現(xiàn)實 ?Unity3D ?冬奧會 ?滑雪

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指在立體空間構(gòu)建三維立體場景，讓體驗者身處其中，獲得身臨其境的沉浸感[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)深入各行各業(yè)，尤其在體育運動教學(xué)與訓(xùn)練、競技體育戰(zhàn)術(shù)策略分析方面扮演著至關(guān)重要的角色。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中構(gòu)建運動員的訓(xùn)練和比賽場景，可以彌補(bǔ)因為天氣、場地、器材、經(jīng)費等方面的原因或者運動員受傷等原因?qū)е聼o法參賽帶來的負(fù)面影響[2]。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中分析如羽毛球、乒乓球等球類運動的軌跡信息能夠有效彌補(bǔ)二維平面分析過程中軌跡信息不完整的不足，從而對運動員的戰(zhàn)術(shù)策略分析更加精準(zhǔn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在競技體育中應(yīng)用的科學(xué)突破體育發(fā)展，推動我國成為體育強(qiáng)國[2]。

在國際奧林匹克運動改革趨勢與中國社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)征程的雙重背景下，2022北京冬奧會的成功舉辦具有十分重要的時代意義與廣泛影響。習(xí)近平總書記的思想指引、社會主義制度的優(yōu)越性、北京“雙奧之城”的豐厚積淀、中國文化的獨特魅力等構(gòu)成北京冬奧會成功舉辦的重要基石[3]。本文將冬奧會與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合設(shè)計并實現(xiàn)了冬奧會沉浸式交互體驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面能夠科普歷屆冬奧會與冬奧會各種比賽項目知識，另一方面能夠讓人沉浸式體驗冬奧會滑雪項目。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與冬奧會結(jié)合，可引導(dǎo)民眾關(guān)注并參與傳統(tǒng)冰雪運動，用科技助力北京冬奧會。

一、相關(guān)技術(shù)介紹

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實技術(shù)亦稱為“靈境技術(shù)”，其是利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬世界并讓用戶體驗的計算機(jī)仿真系統(tǒng)。這一虛擬的三維環(huán)境能夠為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性三大特征[4]，這就為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中提供了極大幫助。

（二）HTC Vive 硬件設(shè)備

本文的沉浸式交互體驗系統(tǒng)是利用HTC Vive進(jìn)行開發(fā)的。HTC Vive是一款沉浸式虛擬現(xiàn)實硬件可穿戴設(shè)備，是由HTC和Valve兩家公司聯(lián)合開發(fā)的虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品[5]。HTC Vive包括一個頭戴式顯示器，兩個激光傳感定位器和兩個手柄控制器。人們能夠產(chǎn)生立體視覺是因為頭戴式顯示器中有左右兩個顯示屏，分別將圖像傳入人眼，實現(xiàn)雙目立體視覺。兩個激光定位器通過發(fā)射的激光和光敏傳感器之間的交互確定頭戴式顯示器的位置和運動軌跡，從而得到六自由度信息。兩個手柄有多個功能按鈕，通過判斷按下不同按鍵來實現(xiàn)豐富的交互功能。

（三）Unity 3D引擎

本文的沉浸式體驗系統(tǒng)是基于Unity3D平臺實現(xiàn)的。Unity3D引擎能夠讓玩家輕松創(chuàng)建二維平面游戲、三維模型游戲、實時動畫、虛擬現(xiàn)實作品等交互內(nèi)容，是一個綜合型的開發(fā)工具，Unity3D具有操作簡單、跨平臺、所見即所得的特性[5]。和其他引擎類似，Unity3D也需要通過代碼來實現(xiàn)交互功能，腳本是Unity3D的邏輯功能實現(xiàn)的核心，本作品采用C#語言來編寫各個腳本實現(xiàn)所需功能。

（四）Steam VR插件

Steam VR插件能夠?qū)TC Vive設(shè)備和Unity3D連結(jié)起來，讓用戶在Unity3D中直接通過HTC Vive的手柄實現(xiàn)一系列功能測試及交互制作[6]。本作品使用的是Steam VR Unity Plugin2.0（簡稱SteamVR2.0）進(jìn)行開發(fā)的。該插件中提供了一系列封裝完好的功能如地面?zhèn)魉汀⑽矬w抓取、與UI界面的交互等。SteamVR2.0插件中將人物封裝為一個預(yù)制體“Player”，本作品利用該預(yù)制體以及手柄完成了一系列交互功能。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

本作品的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)分為三個模塊分別是場景漫游模塊、科普模塊以及游戲模塊。在場景漫游模塊用戶可以進(jìn)行沉浸式雪景漫游。漫游方式有兩種，一種是通過手柄上的圓盤進(jìn)行平移游覽，另一種是通過手柄選擇不同的位置點進(jìn)行傳送實現(xiàn)游覽效果。科普模塊包括三部分內(nèi)容分別是冬奧會科普、滑雪科普以及重大事件科普。冬奧會科普是通過選擇不同的旗幟模型了解歷屆冬奧會的舉辦時間舉辦國家等信息;滑雪科普中主要對高山滑雪和自由式滑雪進(jìn)行視頻解說;重大事件科普是對中國在歷屆冬奧會中表現(xiàn)突出的事件以文本的形式進(jìn)行科普。在游戲模塊中，用戶通過前后揮動兩個手柄實現(xiàn)雙板滑雪滑行功能，揮動速度越快，滑雪速度越快，滑雪過程中通過轉(zhuǎn)動頭戴式顯示器控制前行方向來躲避障礙物，當(dāng)滑行到終點時會顯示用戶所用時間，并進(jìn)行排名。

（二）場景設(shè)計

本系統(tǒng)共包括兩個場景分別是雪屋科普場景和滑雪體驗場景。雪屋科普場景中包含場景漫游模塊和科普模塊兩部分內(nèi)容;滑雪體驗場景包含游戲模塊的內(nèi)容。下面將分別對這兩個場景的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行說明。

1.雪屋科普場景設(shè)計。雪屋科普場景中包括兩部分，分別是雪屋外的雪景漫游內(nèi)容，以及雪屋內(nèi)的科普模塊內(nèi)容。在雪屋內(nèi)，墻上放置了高山滑雪和自由式滑雪項目的科普視頻，體驗者可以與視頻交互并觀看學(xué)習(xí)。在雪屋內(nèi)的冬奧會科普沙盤中，本系統(tǒng)整理了歷屆冬奧會的舉辦時間和舉辦國家，將這些信息附到旗幟模型中，并組成一條滑雪賽道。點擊各個旗幟可以了解該屆冬奧會的詳細(xì)信息，點擊賽道起點處的按鈕可以跳轉(zhuǎn)場景到滑雪體驗場景。

2.滑雪體驗場景設(shè)計。滑雪體驗場景是以雪屋科普場景中冬奧會沙盤為參考進(jìn)行設(shè)計的。體驗者用手柄拾取雪杖，前后揮動雪杖開始滑雪體驗，手柄揮動速度越快滑雪速度越快，滑雪過程中撞擊到障礙物會減慢滑雪速度，體驗者可以通過轉(zhuǎn)動頭戴式顯示器控制滑雪方向躲避障礙物。滑雪過程中每經(jīng)過一個旗幟會這一屆冬奧會簡略信息的UI界面，當(dāng)滑倒終點時會提示所用時間及排名信息。

三、沉浸式交互系統(tǒng)實現(xiàn)

（一）場景搭建

本系統(tǒng)的場景風(fēng)格為低多邊形（Lowpoly）風(fēng)格。采用這種場景風(fēng)格的原因一方面是場景模型容易制作并且整體效果相比寫實風(fēng)格更能增加趣味性，另一方面是由于其相比寫實風(fēng)格的場景消耗更少的內(nèi)容，方便快速實現(xiàn)某些效果與功能調(diào)試。

搭建滑雪體驗場景需要先在Unity3D中安裝三個場景制作的插件工具，分別是ProBuilder、PolyBrush、ProGRids。使用ProBuilder工具預(yù)先設(shè)置好場景中地形大小，接著利用PolyBrush中的筆刷對地形的突起和凹陷部分進(jìn)行繪制，同時導(dǎo)入一些樹木、草、石頭等預(yù)制體作為筆刷在地形上隨機(jī)的刷涂。地形刷涂完畢后可以使用ProGrids作為輔助工具，對地形中隨機(jī)刷涂的游戲物體進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。使用PolyBrush中的筆刷對陰影顏色和草地顏色進(jìn)行繪制，使整體場景看起來更加立體。最后在地形中添加并調(diào)整其他游戲物體如各國旗幟、障礙物、圍欄、雪天粒子特效等，用同樣的方法搭建雪屋科普場景。

（二）交互功能實現(xiàn)

1.雪景漫游功能。本系統(tǒng)中主要使用固定點傳送實現(xiàn)游覽雪景的效果。將SteamVR2.0插件中的封裝好的預(yù)制體“TeleportPoint”拖拽到雪景中的特定位置，在不同的位置分別放置該預(yù)置體，最后將名為“Teleporting”的預(yù)置體拖拽到場景中。通過這種方法實現(xiàn)不同位置點之間的漫游傳送功能。

2.與沙盤中旗幟的交互功能。在雪屋科普場景中，點擊沙盤中的旗幟，該旗幟會在沙盤中放大，并且放大后的旗幟上繪制了舉辦該屆冬奧會的國旗圖案，并輔助文字提示起到對體驗者的科普作用。實現(xiàn)該功能的腳本如圖2所示。

3.揮動手柄滑雪功能。在滑雪體驗場景中，用戶揮動手柄即可實現(xiàn)向前滑行。本系統(tǒng)的實現(xiàn)該功能的方法是先獲取到手柄中雪杖的速度，將該速度賦值給“Player”即VR攝像機(jī)的速度，但VR攝像機(jī)的速度不能立刻增加，需要一定的緩沖時間慢慢增加到特定速度。

具體實現(xiàn)腳本如圖3所示。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)是使用Unity3D設(shè)計并完成的一款冬奧會知識科普與沉浸式滑雪體驗的交互式作品。本系統(tǒng)共有三個模塊分別是場景漫游模塊、科普模塊、游戲模塊。其中場景漫游模塊和科普模塊在同一場景中，能夠讓體驗者沉浸式漫游雪景并從中了解到冬奧會的相關(guān)知識;游戲模塊將滑雪和冬奧會知識結(jié)合在一起，讓體驗者既能學(xué)到知識也能感受沉浸式滑雪的樂趣。本系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與冬奧會結(jié)合，用計算機(jī)科學(xué)技術(shù)弘揚(yáng)冬奧會文化，普及冬奧會的知識，目的是用科技的力量呼吁更多人關(guān)注冬奧會和競技體育運動，弘揚(yáng)體育文化。

★通訊作者：劉龍（1988-），男，北京人，博士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳楓，王峰.VR/AR技術(shù)在虛擬博物館游覽系統(tǒng)中的應(yīng)用研究——以故宮博物院為例[J].大眾文藝，2020（04）：61-62.

[2]張魁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（03）：275.

[3]王潤斌，肖麗斌.2022北京冬奧會舉辦的歷史選擇、成功基石與風(fēng)險應(yīng)對[J].天津體育學(xué)院學(xué)報，2022（01）：1-8.

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