基于VR技術(shù)的長征體驗(yàn)系統(tǒng)

黃軍，高雪，劉越，林雪瑩

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081；2.中國傳媒大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100024)

1 引言

VR(Virtual Reality)即虛擬現(xiàn)實(shí)，它是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境。用戶借助必要的裝備與其進(jìn)行交互，可獲得如臨其境的感受和體驗(yàn)[20]。2016年是VR大熱的一年，在各大廠商與互聯(lián)網(wǎng)公司的助推下，VR被廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、娛樂等多個(gè)行業(yè)，同樣它也進(jìn)入了博物館數(shù)字化的議程中。沉浸性(Immersion)是其基本特征之一，通過模擬視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗(yàn)，用戶可以高度沉浸于虛擬環(huán)境中。

長征是人類歷史上的偉大奇跡，是中國革命史上的偉大壯舉。1934年10月，中央主力紅軍退出中央根據(jù)地進(jìn)行長征。在敵人的圍追堵截下，紅軍不畏強(qiáng)敵，英勇奮斗，爬雪山、過草地，總行程約二萬五千里。1936年10月紅軍三大主力會(huì)師，宣告著長征的勝利結(jié)束?！敖鹕乘脑蒲屡?，大渡橋橫鐵索寒”，毛主席的詩便是路途艱辛的真實(shí)寫照。紅軍在長征途中表現(xiàn)出的：不怕犧牲、前赴后繼、勇往直前、堅(jiān)韌不拔、眾志成城、團(tuán)結(jié)互助、百折不撓、克服困難、忠誠愛國構(gòu)成了我們偉大的長征精神。這種精神是人類精神發(fā)展史上一座靚麗的燈塔，是中華民族精神的典范。是我們黨和國家偉大的精神財(cái)富?，F(xiàn)在的長征主題教育多見于課本形式，老師用文字或者圖片資料向?qū)W生講述當(dāng)年的歷史，學(xué)生從中學(xué)習(xí)長征、體會(huì)長征精神。爬雪山、過草地……長征路途的種種困難，坐在課堂里的學(xué)生往往很難想象。僅僅依靠老師的講授很難讓學(xué)生認(rèn)可思想政治課的內(nèi)容，大部分學(xué)生只是把它當(dāng)作一個(gè)考點(diǎn)。而通過觀看博物館中的展品，輔以影視資料，再利用VR技術(shù)，可以讓學(xué)生如臨其境的體驗(yàn)長征的情景，切身感受當(dāng)時(shí)環(huán)境的險(xiǎn)惡，與紅軍戰(zhàn)士一起經(jīng)歷困難險(xiǎn)阻，深刻地理解偉大的長征精神。

2 VR技術(shù)在博物館互動(dòng)體驗(yàn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

社會(huì)的發(fā)展伴隨著人們?nèi)找嬖鲩L的文化需求，博物館作為藝術(shù)文化的殿堂，是人們獲取文化知識(shí)的重要場所。博物館的重要職能之一便是教育。傳統(tǒng)的博物館多以實(shí)物展示的方式，將藏品陳列在展廳之上，縱人觀覽。但就教育職能來說，這種陳列方式略顯不足。首先，展品旁的文字介紹限于篇幅，難以讓觀者了解到其中所蘊(yùn)含的歷史文化價(jià)值。很多觀賞者只是疲于拍照，走馬觀花，流于表面，而沒有真正的去認(rèn)識(shí)、感受一件文物，去發(fā)掘、體會(huì)其中的內(nèi)涵。其次，靜態(tài)的文物難以讓觀者感受到其中的精神文化價(jià)值。查閱資料可以讓我們了解這些文物背后的歷史事件，想象出當(dāng)時(shí)的人與物，但是很難有切身的體會(huì)。借助于VR技術(shù)有望改善這一點(diǎn)。

目前的VR技術(shù)多以如下兩種形式應(yīng)用于博物館互動(dòng)體驗(yàn)中：

第一，在博物館原有的實(shí)體展覽的基礎(chǔ)上，引入VR技術(shù)作為輔助，對部分內(nèi)容或者歷史故事進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)。如首都博物館展出的《王后·母親·女將——紀(jì)念殷墟婦好墓考古發(fā)掘四十周年特展》，參觀者只要戴上眼鏡，就能“穿越”到婦好墓的虛擬挖掘現(xiàn)場，體驗(yàn)婦好墓的考古過程中，近距離觀看墓內(nèi)擺放的文物。通過這種方式，文物背后的故事直接通過影像呈現(xiàn)給觀者，靜態(tài)的文物重新變得鮮活起來。VR帶來的強(qiáng)烈的視覺和聽覺刺激能夠讓觀者更加貼近展品，更加深刻的認(rèn)識(shí)文物，感受文物的氣息。但是，這種方式只是把VR當(dāng)作輔助工具，傳統(tǒng)方式與新興技術(shù)并沒有真正結(jié)合起來，觀者容易被新鮮事物吸引而忘記了展覽本身的意義，本末倒置。

第二，利用博物館場館和文物的三維模型，建立數(shù)字化的虛擬博物館，用戶戴上VR頭盔，足不出戶便可以在虛擬展廳中漫游看展。英國自然歷史博物館與谷歌聯(lián)合，數(shù)字化300000件標(biāo)本，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造線上VR版侏羅紀(jì)公園。如今在“谷歌藝術(shù)與文化(Google Arts & Culture)”的網(wǎng)站上，人們可以看到VR版恐龍，還可以在博物館各展區(qū)中漫步。這種方式一方面降低了人們出行的時(shí)間成本和空間成本，另一方面有助于博物館的文化傳播，同時(shí)一些不便于實(shí)體展覽的文物也可以得到很好的保護(hù)。但三維模型與實(shí)物之間畢竟存在差距，現(xiàn)場獨(dú)特的氛圍與文化氣息難以虛擬。

為此，我們構(gòu)建了基于VR技術(shù)的長征體驗(yàn)系統(tǒng)，旨在給用戶提供沉浸式的學(xué)習(xí)空間。本工作的意義有以下兩點(diǎn)：

(1)高校思想政治課教育改革示范。習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)要把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面。將VR技術(shù)運(yùn)用到思想政治課教育教學(xué)中，為學(xué)生提供生動(dòng)形象的思維材料，給學(xué)生帶來沉浸式的體驗(yàn)，可以讓學(xué)生在理性和感性兩方面得到學(xué)習(xí)。思想政治課同VR技術(shù)融合，原本枯燥的課本內(nèi)容變得鮮活起來，思想政治課的教學(xué)得以真正走入學(xué)生心中。

(2)傳統(tǒng)博物館與VR技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型博物館試點(diǎn)。國內(nèi)外大多數(shù)博物館只是把VR當(dāng)作一種技術(shù)手段來幫助提高展示效果，調(diào)動(dòng)觀眾的觀展興趣，但是并沒有把VR真正融入到展陳的內(nèi)容中去。本工作將VR作為展陳設(shè)計(jì)的一部分，由形式設(shè)計(jì)的層面提高到內(nèi)容設(shè)計(jì)的層面，將新媒體技術(shù)與實(shí)體展覽完美結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)完整的學(xué)習(xí)空間，能讓學(xué)生真正從中獲取知識(shí)，如圖1所示。

圖1 實(shí)體展覽與新媒體技術(shù)相結(jié)合

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)理念

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是以教育為目的，以人為中心，以歷史為主線，將傳統(tǒng)博物館展陳方式與VR技術(shù)有機(jī)結(jié)合。設(shè)計(jì)長征體驗(yàn)系統(tǒng)的目的是讓用戶在體驗(yàn)過程中能夠?qū)W習(xí)長征的歷史，感悟長征精神。在設(shè)計(jì)過程中，用戶的體驗(yàn)是系統(tǒng)的首要考慮因素，以人為中心，從用戶的角度出發(fā)，關(guān)注用戶的情感體驗(yàn)，從而選擇展示內(nèi)容，設(shè)置展陳空間，將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境結(jié)合，寓樂于學(xué)，讓用戶在輕松愉悅的氛圍中收獲知識(shí)，如圖2所示。尊重歷史，以史為骨，重大的歷史事件貫穿整個(gè)體驗(yàn)流程。

圖2 以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念

3.2 設(shè)計(jì)策略

為了讓觀者對長征路線有整體的認(rèn)識(shí)，了解重要的會(huì)議及戰(zhàn)役，體驗(yàn)路途的艱辛，理解長征的意義，學(xué)有所得，系統(tǒng)選定了四個(gè)主要事件節(jié)點(diǎn)，分別為：遵義會(huì)議，飛奪瀘定橋，夾金山雪山草地以及陜北勝利會(huì)師。

基于VR的長征體驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。遵義會(huì)議，飛奪瀘定橋以及勝利會(huì)師部分采用傳統(tǒng)博物館的展陳方式，爬雪山部分使用VR技術(shù)。之所以選取這一部分作為VR體驗(yàn)，是因?yàn)榕姥┥降钠D辛僅僅通過課堂的講述難以變現(xiàn)出來，而VR技術(shù)具有高沉浸感的特點(diǎn)，十分適合雪山環(huán)境的再現(xiàn)與體驗(yàn)。

雪山行進(jìn)的虛擬場景體驗(yàn)與遵義會(huì)議、瀘定橋戰(zhàn)役的實(shí)體展示相結(jié)合，必要的知識(shí)點(diǎn)為主線貫穿其中，把觀者的情感慢慢帶入高潮，學(xué)習(xí)與欣賞同步進(jìn)行，體驗(yàn)與感悟同時(shí)發(fā)生。系統(tǒng)用VR講述歷史故事，VR技術(shù)不再是一個(gè)簡單的輔助工具，而是整個(gè)體驗(yàn)流程中必不可少的一部分。

圖3 長征體驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)按照歷史事件的發(fā)生順序安排用戶的觀展順序，結(jié)合展陳空間，設(shè)定的用戶參觀路線如圖4所示。

圖4 用戶參觀路線

下面首先介紹遵義會(huì)議，飛奪瀘定橋以及勝利會(huì)師部分，關(guān)于VR體驗(yàn)的部分將會(huì)在下面章節(jié)著重介紹。

(1)遵義會(huì)議部分：這一部分內(nèi)容使用了投影儀等多媒體設(shè)備配合展品展示。體驗(yàn)開始，觀者的情感難以快速帶入，因此在這一部分，展覽模擬遵義會(huì)議的場景，利用展品輔以文字圖像進(jìn)行說明，介紹遵義會(huì)議前的嚴(yán)峻形勢。同時(shí)利用多媒體設(shè)備播放影像資料，借助紀(jì)錄片《長征》中對紅軍老兵的采訪，利用事件與情感講述，幫助用戶快速釋放情感。影片內(nèi)容中還穿插了遵義會(huì)議的過程，毛澤東同志在內(nèi)的與會(huì)人員的發(fā)言情況以及會(huì)議確定的黨的未來的方針路線等知識(shí)點(diǎn)。

(2)飛奪瀘定橋部分：此處利用展品模擬展示瀘定橋作戰(zhàn)的情形，陡峭的崖壁，搖晃的鐵索，配合昏暗的燈光，利用博物館獨(dú)特的展陳設(shè)計(jì)方法，烘托出當(dāng)時(shí)兇險(xiǎn)異常、命懸一線的戰(zhàn)斗氛圍。在展臺(tái)旁邊還設(shè)有專門的文字圖片加以輔助說明，同時(shí)放置了一本筆記本，供觀者記錄下自己的學(xué)習(xí)感悟。

(3)勝利會(huì)師：這一部分展覽利用展品展示配合文字圖片介紹，總結(jié)長征的歷史過程，明確長征的歷史意義與時(shí)代價(jià)值，引發(fā)觀者情感上的共鳴，著重培養(yǎng)青年同志堅(jiān)信正義事業(yè)必然勝利的自豪感與歷史責(zé)任感，新的時(shí)代要走好新的長征路。

4 雪山VR體驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 雪山體驗(yàn)情節(jié)

VR雪山體驗(yàn)系統(tǒng)旨在利用VR技術(shù)重現(xiàn)雪山情景，讓用戶如臨其境地體驗(yàn)紅軍爬雪山的過程，進(jìn)而獲得感性的認(rèn)知。為此，系統(tǒng)設(shè)置了如下體驗(yàn)情節(jié)：

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成三維環(huán)境，用戶戴上頭盔后，首先看到的是一段影片，三分鐘左右的影片簡要介紹了紅軍爬雪山這一段歷史，學(xué)生可從中學(xué)習(xí)到必要的知識(shí)點(diǎn)，影片最后將畫面定格在雪山中。隨后他們通過“時(shí)空隧道”，穿越到了雪地。白雪皚皚，寒風(fēng)凜冽，此時(shí)的他們也是紅軍戰(zhàn)士的一員，在雪地中冒雪行走，戰(zhàn)士們穿著破舊的衣服和鞋子，上面都結(jié)了一層厚厚的冰，步履維艱。好在身旁有老班長的悉心照料，提醒著他們雪地行進(jìn)的注意事項(xiàng)，同時(shí)也述說著路途的艱險(xiǎn)。在這里他們可以深切體會(huì)到紅軍戰(zhàn)士顧全大局、嚴(yán)守紀(jì)律、緊密團(tuán)結(jié)的長征精神。隨著海拔的升高，環(huán)境愈加惡劣，行進(jìn)愈加困難，學(xué)生們緊緊跟著前面的戰(zhàn)友翻越雪山，令人悲痛的是，中途會(huì)有戰(zhàn)士失足不慎跌落，學(xué)生們可由此體會(huì)到雪山的兇險(xiǎn)與殘酷，感受紅軍堅(jiān)忍不拔、眾志成城、百折不撓的精神。整個(gè)過程如圖5所示：

圖5 雪山體驗(yàn)過程

4.2 雪山VR體驗(yàn)系統(tǒng)需求分析

根據(jù)上述情節(jié)構(gòu)建VR雪山體驗(yàn)系統(tǒng)，首先要對其功能進(jìn)行細(xì)化，分析目標(biāo)需求，以便滿足用戶的體驗(yàn)和理解訴求。

(1)功能性需求：①虛擬場景重現(xiàn)功能：提供雪山情景，戰(zhàn)士狀態(tài)等逼真的展示效果，其中雪山的環(huán)境條件，戰(zhàn)士的服裝裝備等細(xì)節(jié)應(yīng)該符合歷史事實(shí)。②第一人稱移動(dòng)功能：用戶戴上頭盔后，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取用戶在真實(shí)環(huán)境中的位置信息與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將其反饋給虛擬世界，實(shí)現(xiàn)兩者之間的運(yùn)動(dòng)同步，帶給用戶舒適真實(shí)的體驗(yàn)。③學(xué)習(xí)教育功能：用戶體驗(yàn)過后，能從中學(xué)習(xí)到相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，而不是單純的娛樂。④情感帶入功能：作為整個(gè)展覽的一部分，VR體驗(yàn)區(qū)應(yīng)該能承上啟下，把用戶的情感帶入高潮，讓用戶在體驗(yàn)之后對長征精神有切身的感悟。

(2)非功能性需求：①性能需求：模型的加載與腳本的運(yùn)行必然會(huì)耗費(fèi)一定的時(shí)間與計(jì)算資源，這就對虛擬模型的設(shè)計(jì)以及硬件計(jì)算平臺(tái)的配置提出了一定的要求。②安全性需求：由于用戶需要在真實(shí)場景中移動(dòng)，因此需要保證用戶在移動(dòng)過程中的安全。

4.3 雪山VR體驗(yàn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照上述需求分析，雪山VR體驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 雪山VR體驗(yàn)子系統(tǒng)架構(gòu)

其中HMD設(shè)備與PC機(jī)之間通過串流盒連接。綠色幕布覆蓋了用戶的移動(dòng)區(qū)域，一為提示，二為美觀。

系統(tǒng)要求主機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理大量的三維圖像數(shù)據(jù)，硬件配置如下：

GPU：NVIDIA GTX1060；CPU：Intel Core i7-7700

為了滿足用戶的移動(dòng)需求，系統(tǒng)還使用了HTC Vive VR設(shè)備，其中包括頭戴式顯示器，控制手柄和基站。這款設(shè)備顯示效果好，畫質(zhì)清晰逼真，可以給用戶帶來很好的沉浸式體驗(yàn)。其基站主要用于實(shí)時(shí)定位功能，用戶在其限定范圍內(nèi)可自由移動(dòng)。

圖7 HTC Vive裝置圖

系統(tǒng)開發(fā)軟件主要有Autodesk Maya用于三維建模，Unity 3D用于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎。

4.4 雪山VR體驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

VR體驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)流程如圖8所示，首先需要收集長征方面的歷史素材，主要包括介紹長征的紀(jì)錄片、雪山的地形地貌以及紅軍爬雪山時(shí)的精神面貌。然后結(jié)合收集的素材，在Maya中建立人物以及場景的三維模型，包括設(shè)計(jì)紋理材質(zhì)、刻畫面部細(xì)節(jié)等操作。第三步則是將收集的視頻資料、人物模型、場景模型和音頻資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，這里的音頻資源包括老班長鼓勵(lì)年輕戰(zhàn)士的話語以及整個(gè)體驗(yàn)過程中的背景音樂，其中老班長的臺(tái)詞由專業(yè)的配音演員為其配音，而背景音樂主要用來渲染情感氛圍。在Unity3D中，需要添加專用的VR組件，添加攝像頭，設(shè)置模型比例。還需要設(shè)置烘焙場景的光照，添加人物和飄雪的動(dòng)畫，編寫運(yùn)動(dòng)和交互腳本等。第四步是對系統(tǒng)進(jìn)行測試，優(yōu)化模型及代碼。最后將其發(fā)布成可執(zhí)行文件，在windows7系統(tǒng)中可以直接運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行畫面如圖9所示。

圖8 VR體驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)流程

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行畫面截圖

4.5 體驗(yàn)效果

系統(tǒng)將VR技術(shù)與傳統(tǒng)的展覽方式相結(jié)合，學(xué)生們邊看邊學(xué)，在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)歷史，在虛擬與現(xiàn)實(shí)中感悟長征精神。思想政治課授課不再是生硬的講授，而是“活”的教學(xué)。項(xiàng)目成果獲得了老師和學(xué)生們的一致好評(píng)，體驗(yàn)過的學(xué)生紛紛表示，不僅牢記了關(guān)于長征的知識(shí)點(diǎn)，而且對于長征精神的內(nèi)涵有了更加深刻的理解。項(xiàng)目也引發(fā)了媒體的廣泛關(guān)注，人民網(wǎng)、新華網(wǎng)等媒體都進(jìn)行了相應(yīng)的報(bào)道。有學(xué)生在接受采訪時(shí)說，“以前我從來沒有見過雪山，也沒想過做一名紅軍戰(zhàn)士是什么體驗(yàn)，通過VR技術(shù)，我對他們那時(shí)面臨的困難有了更深的認(rèn)識(shí)，更能從情感上產(chǎn)生共鳴”。有授課老師也表示，通過VR技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中充分利用人的感知功能，深刻理解事件的發(fā)生經(jīng)過，教學(xué)效果比以往的方式好得多。

5 結(jié)束語

新興技術(shù)推動(dòng)著各行各業(yè)的發(fā)展，在高校思想政治課教育教學(xué)上，我們也要敢于嘗試，敢于創(chuàng)新，擺脫單一枯燥的教學(xué)模式，運(yùn)用新媒體新技術(shù)，寓學(xué)于樂，讓學(xué)生得到充分學(xué)習(xí)，為社會(huì)培養(yǎng)綜合型人才。博物館作為藝術(shù)文化的圣地、文化傳播的風(fēng)向標(biāo)，在自身的發(fā)展建設(shè)上也要善于運(yùn)用VR等新技術(shù)，嘗試不同的模式，以便讓更多的人獲益其中。