虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航天科技展館中的應(yīng)用研究

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)具有多感知性、交互性和沉浸感的三維立體環(huán)境，結(jié)合相關(guān)動(dòng)作和音效可以提高人們的視覺和聽覺感受.本文應(yīng)用3ds Max構(gòu)建航天科技展館的展品與三維場(chǎng)景，同時(shí)使用修改器、UV貼圖等生成完整的展館模型，通過Unity3D結(jié)合C#語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)交互式航天科技展館系統(tǒng).系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制漫游、視頻交互、文本交互與拼裝游戲交互等功能，以此達(dá)到身臨其境的體驗(yàn)，有助于航天科技知識(shí)的學(xué)習(xí)和航天精神的傳承.

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；三維建模；交互設(shè)計(jì)；航天科技展館；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-6991（2023）01-0056-05

Abstract：Virtual reality technology is the three-dimensional environment with multiple senses， interactivity and immersion using computers to simulate， which is combined with related actions and sound effects， can improve people’s visual and auditory feelings. In this paper， 3ds Max is used to build a 3D model of exhibits and scenes in the space science and technology exhibition hall， and a complete exhibition hall model is generated using modifiers， UV maps， etc. An interactive space science and technology exhibition hall system is realized through Unity3D and C # language. The system can realize functions such as control roaming， video interaction， text interaction and assembly game interaction， and so as to achieve the immersive experience， which is conducive to the learning of space science and technology knowledge and the inheritance of space spirit.

Key words：virtual reality technology; 3D modeling; interaction design; space science and technology exhibition hall; application research

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，即利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、顯示技術(shù)、人工智能和傳感技術(shù)等模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，構(gòu)建具備視覺、聽覺、觸覺等與感官高度相似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的工具與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物[1].VR技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工程、軍事、航空和航海等領(lǐng)域，另外在娛樂、游戲、教育領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的VR技術(shù)應(yīng)用前景更加廣泛[2].

我國(guó)政府和各行業(yè)專家對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了多方面研究，從社會(huì)到企業(yè)和科技等方面已經(jīng)取得了顯著成果.王鐸[3]對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)閱讀用戶交互行為特征進(jìn)行分析，構(gòu)建影響因素模型，從5 個(gè)維度對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)閱讀用戶交互效果進(jìn)行研究和分析，為閱讀服務(wù)提出了對(duì)策和建議.郭詩雅[4]分析了“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)的要素及應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向.蔡曉騮等[5]對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于古鎮(zhèn)文化景觀的保護(hù)與傳承進(jìn)行了分析，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，改變了古鎮(zhèn)文化的傳播方式與宣傳策略.羅國(guó)亮等[6]提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)中，通過設(shè)計(jì)教學(xué)管理和學(xué)生學(xué)習(xí)兩個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生沉浸式體驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、虛擬圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)地，通過場(chǎng)景交互提高學(xué)生交流思考的積極性.近年來，隨著我國(guó)航天事業(yè)不斷取得新成就，航天熱潮也持續(xù)不斷.2022年5月，習(xí)近平總書記回信勉勵(lì)廣大航天青年弘揚(yáng)“兩彈一星”精神、載人航天精神，勇于創(chuàng)新突破，為我國(guó)航天科技實(shí)現(xiàn)高水平自立自強(qiáng)再立新功[7].

基于以上分析，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航天科技展館構(gòu)建，采用第一視角參觀體驗(yàn)航天虛擬展館，通過各類航天科普展品和航天科技成果了解中國(guó)航天知識(shí)和航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從而萌發(fā)愛國(guó)自豪感[8-9].

1 航天虛擬展館整體設(shè)計(jì)

基于三維建模技術(shù)與VR技術(shù)相結(jié)合的航天虛擬展館主要包括整體規(guī)劃、素材整理、展廳建模和交互設(shè)計(jì)4個(gè)過程.根據(jù)資料數(shù)據(jù)對(duì)展館進(jìn)行分區(qū)，使得每個(gè)展區(qū)內(nèi)容能滿足不同人群的愛好；對(duì)每個(gè)分區(qū)應(yīng)用樣條線、幾何體及復(fù)合模型完成建模，用搜集的素材進(jìn)行模型貼圖；利用Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬展館場(chǎng)景的漫游與交互，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、全方位、沉浸式的交互平臺(tái).用戶可以通過虛擬漫游方式，采用第一視角參觀體驗(yàn)航天虛擬展館，通過展出的各類航天科普展品、航天科技成果了解中國(guó)航天知識(shí)和航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展.虛擬展館的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示.

1.1 素材與貼圖處理

將獲取的科技展館素材進(jìn)行分類整理，一般分為兩大類：一類是用于模型創(chuàng)作的參考資料；另一類是用于模型貼圖的素材文件.同時(shí)按照整體和部分進(jìn)行歸類，方便模型設(shè)計(jì)與參考.在貼圖處理中為了減少電腦負(fù)荷，可以用一部分圖片代替建模，既減少建模時(shí)間，又縮短渲染時(shí)間；另外一部分是單純用于貼圖使用，如墻面、地面和紋理等，如果不符合要求，可以利用圖形處理軟件進(jìn)行美化處理，修復(fù)圖像的殘缺和瑕疵.

1.2 航天虛擬展館建模

3ds Max是一款基于Windows操作平臺(tái)的優(yōu)秀三維建模和動(dòng)畫制作軟件，在模型塑造、場(chǎng)景渲染、動(dòng)畫及特效等方面都能制作出高品質(zhì)的對(duì)象，這也使其在插畫、影視動(dòng)畫、游戲、產(chǎn)品造型和效果圖等領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，成為全球非常受歡迎的三維建模和動(dòng)畫制作軟件之一[10].

應(yīng)用3ds Max中樣條線、描邊、幾何體與復(fù)合建模等建模方法，結(jié)合“擠出”“切角”“連接”等修改器，制作展館主體、中央大廳、科教影廳、互動(dòng)體驗(yàn)廳、運(yùn)載火箭、航天器、宇航員等模型，具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)實(shí)際尺寸比例繪制場(chǎng)景及實(shí)物的CAD二維線框圖，為不同類型的圖形設(shè)置不同的圖層、顏色及線寬，方便后期分類建模；

（2）樣條線建模.導(dǎo)入（1）創(chuàng)建的平面圖，通過二維線條創(chuàng)建場(chǎng)景和主要物體的輪廓，配合修改器、編輯多邊形等命令生成三維實(shí)體模型；

（3）幾何體建模.快速構(gòu)建比較簡(jiǎn)單的基本場(chǎng)景，如墻體、門框、臺(tái)階等.對(duì)于一些比較復(fù)雜的模型可以將兩個(gè)或多個(gè)幾何體進(jìn)行復(fù)合建模完成，如布爾運(yùn)算、放樣、散布等；

（4）貼圖與材質(zhì)制作.為了增加場(chǎng)景和對(duì)象的真實(shí)性，為模型添加合適的貼圖與材質(zhì)，結(jié)合Photoshop軟件、UVW貼圖和UV展開命令進(jìn)行精確處理，并將模型進(jìn)行重置和塌陷，以免模型攜帶移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)屬性；

（5）燈光設(shè)計(jì).為了達(dá)到真實(shí)效果，在模型設(shè)計(jì)完成后添加燈光可用于每個(gè)場(chǎng)景物體中產(chǎn)生獨(dú)特表現(xiàn)力.根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同燈光，如目標(biāo)聚光燈、平行光、泛光燈等，達(dá)到更加自然的效果.

根據(jù)以上方法，在3ds Max中創(chuàng)建航天虛擬展館的主體場(chǎng)景、航空火箭、太空艙、宇航員、展板和桌椅等模型，具體模型如圖2～圖4所示.

2 航天虛擬展館的交互設(shè)計(jì)

航天虛擬展館系統(tǒng)完成入口、科普展板、科技報(bào)告廳、航天科教廳和互動(dòng)體驗(yàn)廳5個(gè)部分，通過Unity3D進(jìn)行場(chǎng)景漫游制作及交互設(shè)計(jì)，每個(gè)展廳具有不同的功能，借助通道連接.用戶可以通過第一視角進(jìn)行漫游，還可以通過相應(yīng)交互，對(duì)航天科學(xué)家、航天科普知識(shí)、火箭運(yùn)行過程及火箭組裝進(jìn)行體驗(yàn).用戶利用通道實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景自由漫游，完成一個(gè)全方位、全層次、沉浸式的交互平臺(tái).本文設(shè)計(jì)的航天展館虛擬展示系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示.

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要通過多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)生成逼真的三維虛擬環(huán)境，具備交互性、沉浸感和想象力，可以應(yīng)用于人們的日常生活和學(xué)習(xí).

科技展館是一個(gè)集科普內(nèi)容展示與管理于一體的數(shù)字化平臺(tái)，在實(shí)際中由于受建筑空間、位置和自然條件的影響，用戶范圍受到限制.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行科技產(chǎn)品虛擬展示能更加清晰、真實(shí)地展示產(chǎn)品的功能和設(shè)計(jì)過程，打破時(shí)間和空間限制，讓用戶足不出戶就可以輕松觀賞，提升參觀者的參與度和沉浸感，從而達(dá)到寓教于樂的目的.

2.2 資源整合與場(chǎng)景搭建

在Unity3D中創(chuàng)建項(xiàng)目，導(dǎo)入3ds Max中制作完成的fbx文件，存放在Assets目錄下，進(jìn)行統(tǒng)一管理.在Resources目錄下新建 Model、Image、Material文件夾存放模型、圖片素材、貼圖.將展廳介紹、航天科學(xué)家介紹、火箭發(fā)射視頻和科技知識(shí)交互游戲等材質(zhì)存放在Image文件夾下.Material中設(shè)置不同的子目錄，存放不同場(chǎng)景模型下的貼圖資料.

本系統(tǒng)將搭建按鈕交互、漫游交互、對(duì)話框交互、視頻交互和展品交互等5個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)科普知識(shí)介紹、主場(chǎng)館、太空艙、宇航員、文化墻、互動(dòng)游戲等場(chǎng)景.將對(duì)應(yīng)模型拖到場(chǎng)景中，并給模型賦予材質(zhì)，通過調(diào)整大小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作將模型放置在合適的位置.

2.3 交互功能設(shè)計(jì)

（1）按鈕交互

在Unity3D 的Hierarchy層級(jí)面板中創(chuàng)建畫布，然后添加Panel和Button，用于放置背景圖片和兩個(gè)交互按鈕，修改按鈕名稱為“進(jìn)入展館”和“詳情”，可分別進(jìn)入航天虛擬展館游覽和主要內(nèi)容界面.

（2）鼠標(biāo)交互

設(shè)計(jì)中主要采用第一人稱漫游方式，使用鼠標(biāo)控制視角移動(dòng)，在相機(jī)下創(chuàng)建一個(gè)空物體，選擇My Cam為默認(rèn)相機(jī)，在默認(rèn)攝像機(jī)上實(shí)現(xiàn)縮放，同樣通過滾輪滑動(dòng)就可放大縮小畫面.在運(yùn)行中需要設(shè)置物體碰撞，因?yàn)樵趯?shí)際生活中，對(duì)象移動(dòng)是不能夠穿過墻體的，在這里選擇Mesh Colider即模型碰撞，同時(shí)也要對(duì)第一人稱角色控制器設(shè)定碰撞，部分代碼如下：

public class RotationCam ： MonoBehaviour

public Transform myCam;

private void Update（{

if （lnput.GetMouseButton（0））{

float x = Input.GetAxis（\"Mouse X\"）;

float y = Input.GetAxis（\"Mouse Y\"）;if （x ！= 0||y ！= 0）

RotateView（x， y）; }

if （Input.touchCount ==1 amp;amp; Input.GetTouch（0）.phase = = TouchPhase.Moved） {

float x = Input.GetTouch（0）.deltaPosition.x * touchSpeed;float y = Input. GetTouch （0）. deltaPosition.y * touchSpeed;if （x ！=0||y ！= 0）

RotateView（x， y）;}Follow（）;}

（3）小地圖交互

用戶可以通過畫面右上角的小地圖實(shí)時(shí)觀察位置.在視圖中添加一個(gè)新的相機(jī)，將其作為第一人稱相機(jī)的子對(duì)象，使其位于畫面右上方；接著點(diǎn)擊頂視圖渲染圖，修改紋理類型為Sprite（2D and UI），之后將其賦給小地圖Raw Image，結(jié)果如圖6所示.

（4）拼裝游戲交互

用戶可在航天互動(dòng)體驗(yàn)廳體驗(yàn)拼裝火箭互動(dòng)游戲，通過點(diǎn)擊Button按鈕切換場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)游戲.運(yùn)載火箭被設(shè)置為4部分，通過在Hierarchy層級(jí)面板中點(diǎn)擊火箭分級(jí)結(jié)構(gòu)，為其添加觸發(fā)器腳本，當(dāng)用戶點(diǎn)擊一個(gè)部件時(shí)，會(huì)觸發(fā)場(chǎng)景提示正確的拼接部位，再次點(diǎn)擊拖拽到正確的位置，即可完成運(yùn)載火箭的3級(jí)拼接，點(diǎn)擊退出按鈕可以返回主場(chǎng)景，結(jié)果如圖7所示.

在所有交互制作完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，測(cè)試項(xiàng)目的動(dòng)畫與交互是否正確，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤則返回修改；如果正確則進(jìn)行項(xiàng)目發(fā)布.

3 結(jié)語

航天虛擬展館作為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和全民科普教育的重要組成部分，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，承載了人類進(jìn)步的記憶.本文基于3ds Max和 Unity3D構(gòu)建一種模擬環(huán)境，設(shè)計(jì)中央大廳和航天科普展廳、航天科技報(bào)告廳、航天科教影廳、航天互動(dòng)體驗(yàn)廳等模型，并進(jìn)行貼圖和材質(zhì)，呈現(xiàn)出真實(shí)效果.將制作好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，實(shí)現(xiàn)了第一人稱虛擬漫游，同時(shí)設(shè)計(jì)了鼠標(biāo)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等交互控制，通過鍵盤WASD控制前后左右移動(dòng)，右上角的小地圖實(shí)時(shí)顯示用戶位置；實(shí)現(xiàn)用戶在瀏覽展館時(shí)可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行按鈕、對(duì)話框、音視頻和火箭組裝小游戲等一系列的人機(jī)交互操作.隨著數(shù)字化工作在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的不斷加強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將不斷探索出一條拓展科普范圍和增強(qiáng)科技效果的新路.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建，張杰.VR/AR 技術(shù)在歷史文化街區(qū)保護(hù)與數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用研究——以開封市歷史文化街區(qū)為例[J].科技與創(chuàng)新，2021（18）：26-28，30.

[2] 金翔.非遺保護(hù)視野下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在傳統(tǒng)節(jié)日文化傳承中的應(yīng)用[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，35（3）：121-124.

[3] 王鐸.虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下閱讀用戶交互行為研宄[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2020.

[4] 郭詩雅.“互聯(lián)網(wǎng) +”視域下虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的交互設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中國(guó)新通信，2022，24（19）：61-63.

[5] 蔡曉騮，靳元麗.VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在古鎮(zhèn)文化景觀保護(hù)與傳承研究中的運(yùn)用實(shí)例[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2022（6）：105-107.

[6] 羅國(guó)亮，車仝，王睿，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用研究——以《操作系統(tǒng)》課程為例[J].中國(guó)教育信息化，2021（12）：37-42.

[7] 習(xí)近平回信勉勵(lì)廣大航天青年弘揚(yáng)“兩彈一星”精神載人航天精神 為航天科技實(shí)現(xiàn)高水平自立自強(qiáng)再立新功[N].人民日?qǐng)?bào)，2022-05-04（1）.

[8] 母國(guó)新，張國(guó)航.中國(guó)航天精神譜系蘊(yùn)含的家國(guó)情懷[J].企業(yè)文明，2021（10）：72-73.

[9] 陳莉.基于體驗(yàn)式的湖南省航天科技類研學(xué)旅行產(chǎn)品開發(fā)研究[J].旅游縱覽，2022（14）：96-99.

[10] 晉亞乾.混合模式下三維建模軟件教學(xué)的探索與實(shí)踐——以3Ds MAX教學(xué)為例[J].四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2022，32（4）：25-28.

［責(zé)任編輯：李 嵐］

基金項(xiàng)目：蘭州文理學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2021FWDF16）；2022年度甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2022B-263）;2021年甘肅省自然科學(xué)基金（20JR10RA142）

作者簡(jiǎn)介：李嵐（1978-），女，陜西興平人，教授，碩士，研究方向：圖形圖像處理、深度學(xué)習(xí).E-mail：148439473@qq.com.