基于Unity3D的圖書館虛擬閱讀系統(tǒng)

莊楚鑫　劉宏宇

摘 要：高校圖書館擁有非常豐富的實體圖書資源，一般僅面向本校師生開放，由此出現資源利用率低、分配不均等問題。為解決上述問題，提出一種基于Unity3D的圖書館虛擬閱讀系統(tǒng)，通過Unity3D軟件進行環(huán)境模擬和搭建，再使用C#語言實現人機交互，將虛擬閱讀和虛擬漫游相結合，實現在虛擬環(huán)境中行走與閱讀。實驗表明，該系統(tǒng)可讓用戶沉浸在虛擬環(huán)境中學習和閱讀，能夠滿足大眾閱讀需求。

關鍵詞：虛擬現實;Unity3D;虛擬圖書館;虛擬閱讀;虛擬漫游

DOI：10. 11907/rjdk. 191614

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）003-0168-04

Library Virtual Reading System Based on Unity3D

ZHUANG Chu-xin， LIU Hong-yu

（School of Electronics and Information， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou 510665，China）

Abstract： University libraries are rich in book resources， but because many universities libraries are only open to their teaching staff and students， it often leads to the problem of unequal distribution of resources. Therefore， in order to solve this problem， we proposed a virtual reading system of library based on Unity3D. Through the simulation and construction of environment with Unity3D software， interaction was realized with C# language， so as to complete the combination of virtual reading and virtual tour and meet the needs of walking and reading in the virtual environment. Experiments show that the system can meet the requirements of the public reading books， and users can immerse themselves in the virtual environment for learning and reading.

Key Words： virtual reality;Unity3D;virtual library;virtual reading;virtual？wandering

0 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，簡稱VR技術）是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合[1-4]，是計算機領域中一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科。虛擬現實技術具有沉浸性、構想性和交互性三大特性，簡稱為“3I”特性，如圖1所示。虛擬現實技術主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設備等。模擬環(huán)境是指通過計算機搭建逼真的三維立體模型，為虛擬環(huán)境提供交互場景。目前，三維建模主要通過3DMax和Unity3D等建模軟件搭建，此類軟件能較真實地仿造構建出逼真的立體環(huán)境，給人以身臨其境般的感覺。感知是指利用感官對物體獲得有意義的印象，也指人的聽覺、觸覺、視覺等，而虛擬現實技術可以讓人們在虛擬環(huán)境中接收到這些感覺，因此也稱為多感知。自然技能與傳感設備是一個組合，即通過傳感設備和計算機實現人的頭部轉動和手部活動，從而與虛擬環(huán)境進行即時交互，增加代入感，給人一種身臨其境的感受。

因此，虛擬現實技術既指通過計算機模擬構建三維立體虛擬環(huán)境，借助視覺反饋設備和其它感官反饋設備與其虛擬環(huán)境即時交互，由此給予體驗者一種身臨其境的感知享受，此外還能完成現實生活中難以完成的行為和信息展示[5-7]。

VR技術的概念自1963年被提出以來，經過數十年的理論發(fā)展與應用，已經逐漸應用于教育、房地產、娛樂、影視等各領域。在教育方面，越來越多的學校已將VR技術用于教學以達到擴區(qū)域、超時空、拓展創(chuàng)新教育的目的。2013年，美國Google公司開發(fā)了一款“遠征”教育系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過VR技術實現讓學生足不出戶，就能看到一個繽紛多彩的新世界。美國是VR技術的發(fā)源地，因此美國VR技術水平基本可以代表目前國際VR水平。國內虛擬現實技術發(fā)展起步相對較晚，且其應用場景主要集中在中小型科研團隊和企業(yè)。大企業(yè)中VR產品比較成熟的是HTC廠商，其與Valve游戲公司合作開發(fā)的虛擬現實頭盔VIVE，以及目前迭代比較完善專供游覽參觀的莫高窟“數字敦煌”。在教育領域，圖書館虛擬閱讀相關研究較少：截至2019年5月，在知網檢索“VR”+“圖書館”關鍵詞，僅有35篇相關文章;檢索“Unity3D”+“圖書館”關鍵詞，僅有4篇相關文章;檢索“VR”+“虛擬閱讀”關鍵詞，僅有36篇文章;檢索“虛擬現實”+“圖書閱讀”關鍵詞，只有7篇文章，而且此類文章大多是關于VR+圖書的概念或者圖書館虛擬漫游實現等，并沒有實現圖書館虛擬閱讀的實例化。通過知網和Scholar檢索可以看出，國內在VR技術應用于圖書館方面的研究相比國外有所欠缺。但是，隨著物聯網、傳感器等技術的發(fā)展以及5G技術的布局，VR技術也將日漸普及。雖然VR技術還逐漸趨向成熟，但無論是國內還是國外，仍有較大探索空間，技術的發(fā)展和迭代都需要大量科技人員的努力。本文將VR技術應用于圖書館虛擬閱讀，為用戶提供更好的學習環(huán)境，讓讀者靜心于虛擬學習氛圍中，提高學習效果和學習效率。

近幾年，有很多研究者使用Unity3D開發(fā)室內漫游系統(tǒng)。肖建良[8]開發(fā)了基于Unity3D的室內漫游系統(tǒng)，用戶可以自由地漫游、瀏覽并與環(huán)境交互;李婧暉[9]開發(fā)了基于HTC Vive和Unity3D的虛擬現實校園漫游系統(tǒng)，用戶使用頭戴設備和手柄可在某個空間內實現精準度極高的移動定位，從而實現在虛擬校園環(huán)境中的自由移動并與環(huán)境互動;王愛軍[10]開發(fā)了基于Unity3D的博物館虛擬漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了中國博物館場景漫游系統(tǒng)展示及應用;汪俊峰[11]開發(fā)了基于Unity3D的圖書館三維查詢系統(tǒng)，實現圖書館三維展示和圖書館分布查詢等功能。通過查閱文獻，絕大部分應用于圖書館的虛擬現實技術，仍然只是實現了虛擬漫游或者720°全景觀賞，沒有進一步擴充虛擬閱讀場景。因此，為了有效提高資源利用率、豐富全民閱讀書籍資源，使用Uinty3D技術[12-15]搭建圖書館虛擬閱讀系統(tǒng)，使得讀者既可以在校園內漫游，還能進入圖書館漫游并閱讀書籍，讓讀者真正沉浸于虛擬學習環(huán)境中。在VR技術支持下，資源得以有效合理應用，也有利于營造一種良好的全民閱讀環(huán)境，促進大范圍、跨區(qū)域、全覆蓋的公民素質大提升。

1 系統(tǒng)架構

軟件平臺主要通過3DMax、Unity3D和C#實現，其中3DMax用于一些較復雜模型建模，將建好的模型按FBX格式文件導出，將該格式文件和相應渲染圖等導入Unity3D中，并在Unity3D中進行擺放和進一步渲染。軟件平臺設計如圖2所示。Unity3D主要用來接收3DMax導入的模型，若出現渲染缺失的情況再重新用Unity3D工具渲染，并且對導入的模型作一個總體渲染加調光等操作，使得模型更加逼真，讓用戶視覺體驗更好。一些簡單模型和場景布局也是在Unity3D軟件中完成，最后整合所有模型，完成整個圖書館及書籍建模。系統(tǒng)現有書籍主要以圖片形式插入，因此可以拓展書籍數量及類型等。模型建好后使用C#腳本語言做一個人機交互的腳本，包括行走（主要是攝像機的移動）、場景切換、防碰撞（遇到有阻擋物體時不能通過）以及書籍翻閱（可以通過鼠標或者左右鍵實現該功能）等腳本，以實現用戶在圖書館內進行虛擬漫游和虛擬閱讀，拓展圖書館虛擬場景，提高學習效果。此外，為了讓場景更加豐富，也為了更好地保護珍貴書籍和名畫等，在系統(tǒng)中既實現了圖書館的虛擬漫游和虛擬閱讀，又實現了展覽館的虛擬漫游及虛擬閱讀，拓展了系統(tǒng)應用范圍，使得該系統(tǒng)更加適合大眾學習使用。軟件實現流程如圖3所示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 3DMax建模

搭建圖書館建筑物時有很多復雜物體，例如書架、桌椅、電腦等實物，因此首要選擇3DMax工具進行建模。3DMax具有性價比高、上手容易以及資源豐富等優(yōu)點，非常適合復雜物體建模。在搭建過程中，圖書館內的桌椅、書架等都使用3DMax建模，并對建模好的實物進行渲染等操作，使得模型更逼真，讓讀者可以沉浸于虛擬環(huán)境中。將所有建好的模型在3DMax軟件中以FBX格式導出，再導入Unity3D中擺放和渲染。Unity3D以厘米為單位，因此在使用3DMax建模時也選擇以厘米為單位，這樣導入Unity3D后才不會出問題。3DMax主要用于書架、圖書館等物體建模，將模型形狀和外觀充分表現出來，給人一種非常真實的感覺。其中，3DMax圖書館樓梯模型如圖4所示。

2.2 Unity3D渲染與建模

復雜物體通過3DMax建模完成后，將所有實物導入Unity3D中。Unity3D主要完成小物體、環(huán)境（如樹木花草等）以及書籍建模，最后整個環(huán)境的渲染也在Unity3D中進行。整個圖書館建模完畢后，再在Unity3D軟件中對相應的物體編寫C#腳本，例如點擊建模好的書籍，插入C#腳本后編寫翻閱書籍等操作，使得系統(tǒng)可以進行虛擬漫游和虛擬閱讀（包括翻書等功能）。其中，書架和書籍模型如圖5所示。

2.3 C#腳本編寫

整個系統(tǒng)中，包括幾個重要腳本編寫，有攝像機前后左右移動代替虛擬漫游、防碰撞代碼、翻書代碼等。通過編寫代碼，可以實現在整個系統(tǒng)中進行虛擬漫游和虛擬閱讀，讓參與者沉浸于虛擬環(huán)境中。虛擬漫游主要是利用鍵盤或者鼠標控制攝像機移動，實現第一人稱視角的觀賞和閱覽。虛擬閱讀主要通過鼠標或者左右鍵實現書籍虛擬翻閱，并閱覽書本里的內容，通過閱讀提升用戶知識面，提高學習效率。防碰撞是指在移動過程中，如遇到阻礙物則無法通過的一種設置。此外，通過場景切換實現進出圖書館和展覽館。攝像機移動部分代碼和翻書部分代碼分別如下：

//攝像機移動部分代碼

Void Update（）{

rotationX += Input.GetAxis（"Mouse X"） + cameraSensitivity * Time.deltaTime;

rotationY += Input.GetAxis（"Mouse Y"） + cameraSensitivity * Time.deltaTime;

…

if （Input.GetKey（KeyCode.LeftShift） || InputGetKey（KeyCode.RightShift））{

transform.position += transform.forward * （normalMoveSpeed * fastMoveFactor） * ?????????????????????????? Input.GetAxis（"Vertical"） * Time.deltaTime;

transform.position += transform.right * （normalMoveSpeed * fastMoveFactor） * ???????????????????????????????? Input.GetAxis（"Horizontal"） * Time.deltaTime;

}

else if （Input.GetKey （KeyCode.LeftControl） || Input.GetKey （KeyCode.RightControl））

{

transform.position += transform.forward * （normalMoveSpeed * slowMoveFactor） * ????????????????????????? Input.GetAxis（"Vertical"） * Time.deltaTime;

transform.position += transform.right * （normalMoveSpeed * slowMoveFactor） * ??????????????????????????????? Input.GetAxis（"Horizontal"） * Time.deltaTime;

}

else {

transform.position += transform.forward * normalMoveSpeed * Input.GetAxis（“Vertical”） * ???????????? ???????? Time.deltaTime;

transform.position += transform.right * normalMoveSpeed * Input.GetAxis（"Horizontal"） * ?????????????? ???????? Time.deltaTime;

}

…

}

//翻書部分代碼

public void FlipRightPage（）{

float Fr = （ContriledBook.EndBottomRight.x + ContriledBook.EndBottomLeft.x）/2;

float Fl = （（ContriledBook.EndBottomRight.x + ContriledBook.EndBottomLeft.x）/2）*0.9f;

…

Timing.RunCoroutine（FlipRTL（Fr， Fl， …））;

}

Public void FlipLeftPage（）{

float Fr = （ControledBook.EndBottomRight.x + ControledBook.EndBottomLeft.x） / 2;

float Fl = （（ControledBook.EndBottomRight.x - ControledBook.EndBottomLeft.x） / 2）*0.9f;

…

Timing.RunCoroutine（FlipLTR（Fr， Fl， …））;

}

3 實驗結果

通過整個系統(tǒng)建模和腳本代碼編寫，基本完成了圖書館的虛擬漫游和虛擬閱讀。用戶可以通過點擊鍵盤的前后左右或者W、S、A、D 4個鍵位完成虛擬漫游，通過點擊鼠標轉換選擇觀賞方向;使用者還可以通過點擊鼠標完成書籍選擇和翻書閱讀功能，沉浸在閱讀的過程中，享受閱讀帶來的愉悅;此外，系統(tǒng)還能調整燈光的亮暗程度。通過系統(tǒng)開發(fā)，可以對高校圖書館的圖書資源進行有效整合利用，開放虛擬化的高校圖書館，激發(fā)讀者學習和閱讀興趣，從而提升公民整體素養(yǎng)。系統(tǒng)測試結果如圖6和圖7所示。

圖6展示了系統(tǒng)完成翻書功能，通過點擊相應書籍，再通過鼠標移動完成書籍翻閱，從而實現虛擬閱讀。如果需要增加書籍張數，可以通過添加相應圖片等方式，將其添加到書本相應位置，既滿足人們對珍貴書籍的閱讀和觀賞需求，還能保護珍貴書籍不受破壞。圖7是圖書館外部部分模型，當攝像機移動到圖書館門前設定位置時，則會切換到圖書館內部場景，然后在圖書館內進行漫游并點擊書籍閱讀。

實驗證明，使用Unity3D技術完成圖書館虛擬漫游和虛擬閱讀是可行的，且非常有價值和意義。將虛擬閱讀和虛擬漫游進行結合，完成在圖書館內進行自由虛擬漫游及虛擬閱讀，基本滿足了大眾書籍閱讀需求。而且，為了拓展場景的廣泛性，系統(tǒng)還構建了展覽館建筑，完成展覽館的虛擬漫游以及珍貴名畫的虛擬觀賞。

4 結語

系統(tǒng)主要以3DMax作為建模工具，完成復雜物體建模。利用Unity3D進行整個圖書館環(huán)境布置及渲染，最后通過C#腳本語言與系統(tǒng)進行交互，完成圖書館虛擬閱讀系統(tǒng)開發(fā)。本實驗主要實現圖書的虛擬閱讀及虛擬漫游，使得圖書館的實體圖書資源可以得到合理利用，方便在校學生學習。并且，該系統(tǒng)還可以滿足普通大眾的閱讀需求。通過虛擬現實技術實現虛擬圖書閱讀還能保護稀有和珍貴書籍不受破壞。后續(xù)研究中將加入硬件模塊，通過虛擬眼鏡和手柄，完成進一步虛擬閱讀和書籍翻閱等操作，拓展系統(tǒng)應用范圍。

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（責任編輯：孫 娟）

收稿日期：2019-05-17

基金項目：“攀登計劃”廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金資助項目（pdjh2018b0296）

作者簡介：莊楚鑫（1993-），男，廣東技術師范大學電子與信息學院碩士研究生，研究方向為區(qū)塊鏈、信息安全、虛擬現實;劉宏宇（1995-），男，廣東技術師范大學電子與信息學院碩士研究生，研究方向為深度學習、信息安全、虛擬現實。