VR技術在動物園科普平臺中的應用與實現

謝偉龍，王 慧，劉 奇，姚 文

(鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

伴隨著社會的進步與經濟的發展，人們的生活水平得到了的巨大的改善。在旅游娛樂方面的需要也不斷提高。但在疫情防控期間，線下動物園的科普作用變的微乎其微，已經逐漸不能滿足人們的需求。將VR技術作為科普保護教育的平臺，既能緩解節假日動物園景區承載的壓力，減少意外事件，也能在特殊時期，繼續向人們科普動物的相關信息與保護理念，補缺傳統線下動物園科普教育形式單一的短板，提高人們的游園互動體驗。

1 VR與VR動物園

虛擬現實(Virtual Reality，VR)早期譯為“靈境技術”。VR是多媒體技術的終極應用形式，是計算機軟硬件技術、傳感技術、機器人技術、人工智能及行為心理學等科學領域飛速發展的結晶，主要依賴于三維實時圖形顯示、三維定位跟蹤、觸覺及嗅覺傳感技術、人工智能技術、高速計算與并行計算技術以及人的行為學研究等多項關鍵技術的發展。人們戴上VR眼鏡，數據手套等特制的傳感設備，面對一種三維的模擬現實，似乎置身于一個具有三維的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的感覺世界，并且人與這個環境可以通過人的自然技能和相應的設施進行信息交互[1]。在VR系統中，人在信息處理系統與主觀感受匹配中起著主導作用。根據呈現方式的不同，VR系統可分為沉浸式和非沉浸式。前者使用頭盔、手柄，后者在屏幕上顯示圖像[2]。本設計呈現的模式屬于非沉浸式。

VR動物園顧名思義，就是利用虛擬現實技術為核心手段，形成新的交互和體驗方式，實現人、動物和自然在虛擬和現實空間里和諧共生，以求達到提升動物園科普、科研和園區管理水平的目的，是探索動物園現代化的嶄新嘗試[3]。

2 線下動物園面臨的問題

伴隨著社會的進步與經濟的發展，每逢節假日，我國各大景區都承載著巨大壓力，從某種意義來說，我國旅游業已陷入了旅游規模大于景區承載壓力的困境[4]。

目前，很多動物園科普教育形式單一，保護措施并不完善。每年動物園都會有游客受傷等危險事件發生，部分動物園將向游客科普動物知識建立在利益的基礎上，使觀眾與不熟悉的動物再次產生脫節，影響展覽效果，改變了動物園存在的本質。

調查顯示，近9成(89.51%)受訪者攜帶孩子瀏覽動物園，其中超過半數(52.34%)為父母與孩子，近半數(42.60%)為親戚朋友與孩子，極少數(5.83%)為祖輩與孩子。孩子進入高年級后，由于學業加重等原因，家長攜帶子女去動物園游玩的次數減少[5]。線下動物園的科普作用幾乎變的微乎其微，已經逐漸不能滿足人們的需求。

總體而言，利用與時俱進的VR技術向大眾進行科普保護教育，將VR技術與線下動物園二者相結合，可以將動物的相關信息與保護理念傳達給游客。

3 場景系統

3.1 場景系統功能模塊

本場景是使用建模軟件3Dmax建立動物模型，圖形編輯編輯軟件Photoshop制作相應貼圖，結合虛擬現實引擎Ideavr進行動物園場景的搭建。主要包括漫游、碰撞檢測、人機交互、場景跳轉等功能模塊，如圖1所示。其中，人機交互模塊是通過Ideavr里基本平面控件組成，實現參觀者在視頻播放、音頻播放、場景跳轉、尋路指引等方面的交互功能。但在保證交互流暢的前提下，也要注意交互是否速度過快，給3D眩暈的參觀者帶來身體不適。

圖1 場景系統功能模塊

3.2 場景所用到的物理系統

本系統所用的物理系統包括物理實體、觸發區域和碰撞體，如圖2所示。系統中用到的碰撞器有CollisionPolygon和CollisionShape系統還給物體加了剛體(Rigidbody)。碰撞檢測在虛擬環境中非常重要。當人在場景中移動時，會發生碰撞。如果沒有碰撞檢測，可能會發生“穿墻”現象。因此，為了盡可能地保持虛擬場景的真實性，需要進行碰撞檢測。碰撞檢測的條件：二者均有碰撞組件且至少一個碰撞器附著有剛體。碰撞器和觸發器的關系：碰撞器是觸發器的載體，觸發器只是碰撞器的一個屬性。觸發器沒有碰撞效果，僅用來檢測碰撞(相交)，靜態碰碰撞體主要作用在靜態物體上。當靜態碰撞體受到剛體等其余部件的沖擊，不會產生移動，但會做碰撞檢測，防止剛體穿過該靜態碰撞體。在本場景中，為每個模型都設置了碰撞體屬性，從而避免了“穿模”現象的發生。另外，場景內的所有UI都是通過空間觸發器觸發，只要進入空間觸發器的觸發范圍(Area)內就會觸發其功能，出現對應動物信息介紹和模擬人物對話的UI界面，用戶可以進一步通過控制UI上的按鈕來獲得自己需要的動物科普信息。

圖2 場景的物理系統

4 VR動物園的詳細設計與功能實現

4.1 交互界面的設計與觸發

在VR動物園的場景中，UI界面是人機交互的核心，交互界面作為對VR動物園科普知識的提煉，VR動物園中的大部分功能都是通過操作界面向觀眾展示的。交互界面包括主界面、人物對話框、路標引導、知識選擇面板、答題選項等。對于UI界面的設計與觸發，先點擊UI畫布，在菜單窗口點擊快速創建-平面控件，創建一個紋理圖。在場景面板中找到平面控件的子節點TextureRect，在其屬性面板點擊紋理導入圖片，UI相關的節點具有位置和大小，它們也具有錨點和邊距。錨定義節點的左、上、右和下邊緣的原點或參考點。選擇節點后，先在布局按鈕中點擊僅錨點的保持長寬比，在屬性欄中的“UI組件-矩形”中進行調試，使畫布鋪滿整個屏幕；再以TextureRect為結點創建一個button組件，點并在節點為button連接信號到Button to connect，從而實現用戶通過按鈕來觸發，給用戶帶來人性化的交互體驗。

4.2 3D場景的設計與搭建

4.2.1 動物園場景

首先，利用3DMAX軟件制作模型，可以用貼圖的方式來彌補紋理的一些細節，以達到所建模型既布線合理，既能讓造型貼合實際，又能以較少的面刻畫較多的細節。將做好的人物模型、動植物模型和建筑模型以FBX格式導入到Ideavr引擎中。這些模型包括動態模型和靜態模型。為了讓模型有重力及防止穿模現象的出現，還需給模型添加剛體組件并新建碰撞形狀。其次，動物園的部分山地地形是使用Ideavr的地形系統(terrain)的筆刷的功能屬性來繪制，通過調節地形節點屬性里的環境風屬性來實現草隨風動，使場景逼真、自然。

4.2.2 答題場景的跳轉

在動物園的出口動物管理員提示游客開始考試的環節，主要是通過Ideavr的場景樹來實現，文件打開場景中找到并復制考試場景spatial.scene路徑，打開動物園主場景的腳本，新建可視化腳本SceneTree.change_scene，將控制考試的按鈕button_down與Get Scene Tree分別連接到SceneTree.change_scene上，path選項粘貼考試場景路徑，用戶即可通過按鈕控制場景跳轉完成答題互動，如圖3所示。跳轉過程中，會出現一個界面為場景加載進度條，該系統用的是異步加載。當進度條加載滿時，進入考試場景，從而使場景跳轉更加流暢。

圖3 場景樹腳本交互編輯

4.3 模型動畫的編輯

在場景的模型中，無論是動物動畫的制作，還是人物動畫的制作都是使用3DMAX軟件創建骨骼、蒙皮、權重繪制、控制器綁定以及關鍵幀動畫、曲線編輯器等。把骨骼動畫導入Ideavr引擎，以熊貓模型為例，如圖4所示。為其創建一個AnimationPlayer節點，通過AnimationPlayer節點可以創建任何簡單或復雜的動畫效果，AnimationPlayer節點可以理解為存放動畫數據的容器。一個AnimationPlayer節點可以存放多組動畫數據，這些動畫可以相互轉換。計算機動畫依賴于關鍵幀，要使新建節點具有動畫效果，應在動畫軌道上為該節點的某些特定屬性設置關鍵幀，即關鍵幀定義了節點屬性在某一時間點的值。為熊貓建立動畫播放器，并在動畫軌道上為該熊貓節點的特定屬性設置關鍵幀，從而實現熊貓坐立吃竹子、兔子蹦跳、牡鹿奔跑等動作。

圖4 熊貓坐立吃竹子

5 結語

本文設計的虛擬動物園內容豐富，在一定程度上可以緩解旅游旺季景區壓力。與線下動物園相比，本虛擬動物園既能大幅度降低體驗者的危險系數，又能使用戶在人物漫游及交互過程中，增加觀看興趣，加深對動物的認知理解。在動物園場景開發的過程中，縱觀整體，下一步將會把計劃放在場景的合理搭建與環境的優化渲染上，給用戶更真實的VR體驗感。在科普教育層次，將會增加滅絕動物與瀕臨滅絕動物的相關科普知識，并在模型制作方面運用更多建模功能提升模型的細節，搭建滅絕動物紀念館，讓參觀者感受到保護動物的重要性。