基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的入館教育平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

黃立冬　申小春　楊慧

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；入館教育；“經(jīng)驗之塔”理論

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0100-03

1 概述

目前，圖書館向沉浸式服務(wù)轉(zhuǎn)型已成為了必然，而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的圖書館建設(shè)是邁向沉浸式服務(wù)的第一步。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)，簡稱VR技術(shù)，于20世紀(jì)80年代初被提出，其核心為建模與仿真，是一種計算機人機交互的手段。目前VR技術(shù)在軍事、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校圖書館中的發(fā)展應(yīng)用也逐漸興起，我國第一套可交互虛擬數(shù)字圖書館系統(tǒng)——“國家圖書館虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”于2008年9月正式投入使用[1]。之后，中山大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（徐州）、上海交通大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、常州工學(xué)院等高校圖書館也陸續(xù)開展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在圖書館數(shù)字化工作中的研究與應(yīng)用。

高校圖書館入館教育作為高校圖書館讀者服務(wù)工作的重要內(nèi)容之一，對引導(dǎo)新生入學(xué)后自主學(xué)習(xí)起著積極的作用。傳統(tǒng)的新生入館教育一般通過發(fā)放書面材料，或者輔以講座、實地參觀等方式在新生入校時進(jìn)行，教學(xué)模式較為單一、枯燥，新生讀者容易處于被動的狀態(tài)，教學(xué)效果也不盡如人意。戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論將學(xué)習(xí)得到的經(jīng)驗分為三大類：做的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗和抽象的經(jīng)驗。而將VR技術(shù)應(yīng)用于圖書館入館教育培訓(xùn)中，則更有利于新生讀者獲得做的經(jīng)驗和觀察的經(jīng)驗。同時VR技術(shù)的應(yīng)用使得圖書館入館教育不再受到時間和空間的限制，節(jié)省了學(xué)習(xí)者到館學(xué)習(xí)所需的時間成本，縮減了圖書館人員的工作量，在很大程度上改變了傳統(tǒng)入館教育模式單一、低效的狀況，為新生讀者提供了一個更加生動、更具有沉浸感的學(xué)習(xí)環(huán)境。

教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校圖書館規(guī)程》中指出：“圖書館應(yīng)重視開展信息素質(zhì)教育，采用現(xiàn)代教育技術(shù)，加強信息素質(zhì)課程體系建設(shè)，完善和創(chuàng)新新生培訓(xùn)、專題講座的形式和內(nèi)容”。因此，將VR技術(shù)應(yīng)用在圖書館入館教育中是緊跟時代發(fā)展和要求的，它不僅可以為新生提供數(shù)字化、虛擬化的教學(xué)服務(wù)，帶給新生一種全新的學(xué)習(xí)體驗，還可以促進(jìn)圖書館入館教育的持續(xù)性發(fā)展。

2 入館教育平臺的設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實對教育領(lǐng)域的全方位滲透，從根本上改變了人們的思維習(xí)慣和對傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境的概念[2]。筆者以淮陰師范學(xué)院圖書館為研究對象，參照建筑圖紙、嚴(yán)格按照比例，主要利用3DS MAX和VRP兩個軟件進(jìn)行入館教育平臺的設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)。

2.1 開發(fā)流程設(shè)計

本入館教育平臺的開發(fā)流程由數(shù)據(jù)與材料準(zhǔn)備、三維建模、貼圖與烘焙、功能性交互以及運行測試等五部分構(gòu)成。

1）數(shù)據(jù)與材料準(zhǔn)備

在前期準(zhǔn)備階段需要收集淮陰師范學(xué)院圖書館的建設(shè)圖紙和相關(guān)資料，同時還需要利拍攝大量的實景照片。這些照片一是為建造模型提供參考，二是為了增強本虛擬平臺的沉浸感，模型的貼圖大部分采用位圖貼圖的方法，跟實景盡可能保持一致，因此實景照片也是制作位圖貼圖的重要依據(jù)與素材。

2）三維建模

借助3DS Max對圖書館進(jìn)行三維建模，參照淮陰師范學(xué)院圖書館建設(shè)圖紙，以1：500的比例進(jìn)行場景的模型制作。其中規(guī)則模型利用基本幾何體進(jìn)行變形或者轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形后進(jìn)行修改而成，而不規(guī)則模型則需要利用二維圖形轉(zhuǎn)三維模型得以實現(xiàn)，如擠出、倒角、車削等。此外為了漫游時的流暢性，對于場景中的植物、欄桿等面數(shù)較多的模型運用十字面片法，減少場景中模型的面數(shù)，省時省力。

3）材質(zhì)設(shè)置與貼圖烘焙

在完成三維建模之后就需要對模型進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置與貼圖烘焙。為了使場景中模型與現(xiàn)實中實體盡可能相似，采用位圖貼圖。同時為了更好地表現(xiàn)場景中的真實光照感并且避免場景加載過慢，則使用烘焙后的貼圖。貼圖烘焙技術(shù)也叫Render To Textures，簡單地說就是一種把3DSMax光照信息渲染成貼圖的方式，而后把烘焙后的貼圖再貼回到場景中去的技術(shù)。這樣操作后光照信息變成了普通的貼圖，就不需要CPU再去費時地計算，這種技術(shù)主要應(yīng)用于游戲和建筑漫游動畫里面[3]。

4）功能性交互與平臺架構(gòu)

此階段使用的是中視典數(shù)字科技有限公司所開發(fā)的VRP（Virtual Reality Platform）軟件進(jìn)行交互制作。首先導(dǎo)入3DSMax制作好的三維場景模型，然后使用腳本編輯器為場景添加各種交互功能，如背景音樂、語音提示、相機切換、人物行走等，并且將入館教學(xué)網(wǎng)站信息、教學(xué)視頻等功能集成在一個平臺中，完成平臺的搭建。

5）運行測試

平臺初步搭建好后進(jìn)行打包導(dǎo)出，并測試運行。對試運行中遇到的問題及時進(jìn)行解決，提高平臺的穩(wěn)定性的同時，功能也在不斷地完善與成熟。

本平臺的設(shè)計與制作流程如圖1所示。

2.2 開發(fā)技術(shù)

本平臺主要開發(fā)軟件為VRP即虛擬現(xiàn)實平臺，之所以選擇VRP，是因為它的適用性與功能性都十分強大，同時這款軟件操作簡單，達(dá)到了高度的可視化，所見即所得。開發(fā)者在有良好的3DS Max建模和渲染基礎(chǔ)上僅需對VRP進(jìn)行簡單的學(xué)習(xí)研究就可以基本掌握其操作技術(shù)，迅速進(jìn)入虛擬現(xiàn)實場景的制作階段。VRP中的虛擬現(xiàn)實編輯器可以在制作好的3DS?Max三維場景的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型導(dǎo)入，之后再進(jìn)行交互制作、界面設(shè)計等后期編輯。VRP中的虛擬現(xiàn)實編輯器也可以直接完成打包發(fā)布，整個操作流程簡單方便，使開發(fā)時間大大減少。

此外，平臺不同的功能模塊也還采用其他一些技術(shù)，具體如下。

1）虛擬圖書館的場景搭建

主要利用3DS Max的各種建模方法進(jìn)行虛擬圖書館的場景搭建，虛擬圖書館的所有模型完成后，設(shè)置好燈光，并在3DS Max中完成模型的材質(zhì)貼圖和材質(zhì)烘焙設(shè)置，以便之后在VRP中進(jìn)行模型的導(dǎo)入，圖2即為材質(zhì)烘焙后的圖書館外部效果圖。

2）微課視頻部分

平臺中的微課視頻部分主要利用After Effects進(jìn)行片頭視頻的制作、無縫剪輯，借助Edius進(jìn)行視頻的整合和成品的輸出，最后在VRP中使用相關(guān)腳本代碼實現(xiàn)視頻的加載與播放。

3）移動終端主體網(wǎng)站部分

網(wǎng)站的制作主要使用Dreamweaver、HBuider 和Html5技術(shù)。網(wǎng)頁實現(xiàn)了響應(yīng)式布局，以適應(yīng)各種移動終端，讓新生學(xué)習(xí)者可以隨時隨地了解更多信息，帶給他們更好的用戶體驗。

在這個過程中，各個功能模塊就像是拼圖的不同零片，最后將所有的功能在VRP軟件中進(jìn)行整合，完成整個入館教育平臺的搭建。

3 入館教育平臺的功能

在淮陰師范學(xué)院入館教育平臺的功能設(shè)計中，筆者主要著眼于虛擬場景的仿真性和平臺的交互性。首先，虛擬現(xiàn)實平臺應(yīng)打破傳統(tǒng)的以試題考試、觀摩引導(dǎo)為主的學(xué)習(xí)模式，而采用以富媒體技術(shù)為支撐的虛擬化場景、微視頻、電子書、課件等多種形式相結(jié)合的方式豐富入館教育的內(nèi)容與教學(xué)形式[4]，提高新生學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣與效率。本平臺集成了入館教學(xué)網(wǎng)站信息、教學(xué)視頻及3D 虛擬仿真，生動形象地展示了圖書館的館藏布局、規(guī)章制度、借閱書籍的流程等內(nèi)容，能充分調(diào)動新生學(xué)習(xí)者的積極性，為其全方位、多途徑地了解淮陰師范學(xué)院圖書館，更好地完成圖書館入館教育提供了保障。

其次，平臺采用3DS Max作為三維建模工具，參照建筑圖紙，嚴(yán)格按照比例進(jìn)行模型搭建，同時在材質(zhì)、貼圖、燈光方面均進(jìn)行了精細(xì)的設(shè)定。再利用VRP-BUILDER（虛擬現(xiàn)實編輯器）進(jìn)行交互制作，添加了豐富的交互方式，除了傳統(tǒng)的相機漫游，用戶還可以利用方向鍵或W/S/A/D鍵控制人物進(jìn)行上下左右的行走方向，配合鼠標(biāo)可以模擬人物視角的轉(zhuǎn)換，控制角色人物在虛擬場景中漫游。

本平臺要求新生登錄淮陰師范學(xué)院入館教育網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，新生可以進(jìn)入本平臺自行完成入館教育，平臺使用流程如圖3所示。

1）主界面

主界面由操作說明、視頻介紹、虛擬體驗、移動學(xué)習(xí)以及退出界面等內(nèi)容組成。

2）操作說明

操作說明為視頻形式，避免了文字帶來的枯燥感，可以讓學(xué)習(xí)者通過視頻生動直觀地了解各種操作，快速掌握本平臺使用方法，為下一步的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3）視頻介紹和移動學(xué)習(xí)

平臺中包含視頻介紹和移動學(xué)習(xí)部分，其中視頻介紹部分可以幫助學(xué)習(xí)者了解淮陰師范學(xué)院圖書館的歷史與發(fā)展，而移動學(xué)習(xí)部分，學(xué)習(xí)者僅需掃描二維碼即可進(jìn)行淮陰師范學(xué)院圖書相關(guān)信息的學(xué)習(xí)。

3）虛擬體驗

此部分為本平臺的重點，其中界面上方有四個固定按鈕和一個返回主頁面的箭頭，學(xué)習(xí)者可以通過鼠標(biāo)單擊完成相應(yīng)命令，在界面左下角還有一個觸發(fā)面板，在漫游時此面板為隱藏狀態(tài)，不會影響學(xué)習(xí)者的視覺效果，而在學(xué)習(xí)者有其他操作需求時則可以利用鼠標(biāo)進(jìn)行觸發(fā)。其界面如下圖5所示，其中任務(wù)部分包括查詢、借書、還書等內(nèi)容，視頻則包括代書板的使用、借閱流程和還書流程等內(nèi)容。

學(xué)習(xí)者進(jìn)入虛擬體驗界面后，可以控制人物隨意行走，并且人物進(jìn)行行走后可以觸發(fā)場景中的黃色光束粒子標(biāo)簽，了解相關(guān)內(nèi)容。如：入館須知、樓層索引、區(qū)域介紹（檢索區(qū)、總服務(wù)臺等），場景中的語音或文字講解會跟隨學(xué)習(xí)者漫游所觸發(fā)的區(qū)域同步進(jìn)行，讓學(xué)習(xí)者在虛擬的圖書館場景中輕松完成學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者也可以通過體驗漫游直觀了解淮陰師范學(xué)院圖書館的館內(nèi)設(shè)施、館藏建設(shè)、服務(wù)內(nèi)容，快速地了解如何使用圖書館。

4平臺特點與需改進(jìn)的問題

4.1 平臺特點

本平臺初步建成后，曾邀請本校學(xué)生進(jìn)行體驗，并根據(jù)他們的反饋總結(jié)出以下平臺的四個特色。

1）使用便捷，無時空限制

本平臺的使用僅需個人電腦和網(wǎng)絡(luò)即可完成，學(xué)習(xí)者可以隨時隨地進(jìn)入學(xué)習(xí)，新生在收到錄取通知書后即可進(jìn)入平臺，提前完成入館教育學(xué)習(xí)，突破了時間和地域的限制，大大減輕了傳統(tǒng)入館教育圖書館場地和人員的壓力，也為后疫情時代的入館教育提供了便利。

2）人性化、個性化人機交互設(shè)置

本平臺設(shè)計時充分考慮學(xué)習(xí)者初次接觸VR，對于相關(guān)操作進(jìn)行了詳細(xì)的講解。為營造個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，本平臺的人機交互界面設(shè)計了很多自定義選項，如背景音樂的切換、音量大小的調(diào)整等。

3）資源豐富，涵蓋面廣

本虛擬平臺包含了館內(nèi)3D漫游、教學(xué)網(wǎng)站、教學(xué)視頻等，能充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和積極性，讓學(xué)習(xí)者能多途徑、多角度了解圖書館。

4）虛擬仿真，身臨其境

本平臺的建設(shè)嚴(yán)格按照圖書館建筑圖紙比例進(jìn)行，并且館內(nèi)的各種設(shè)施均采用實體照片的位圖貼圖仿真，盡量做到還原現(xiàn)實場景。

4.2 需要改進(jìn)的問題

雖然相較于傳統(tǒng)入館教育，本平臺在技術(shù)和教學(xué)效果上均有了很大突破，但也存在一些問題，仍需不斷完善和改進(jìn)。

1）運行空間和運行速度

由于本平臺包含較多模型數(shù)據(jù)與位圖貼圖，數(shù)據(jù)量較大，加載速度相對較慢，在使用時會造成電腦運行速度緩慢、場景加載卡頓、畫面不流暢等情況發(fā)生，很大程度上影響學(xué)習(xí)者的體驗，筆者認(rèn)為可以減少復(fù)雜材質(zhì)和模型的使用，并且對于面數(shù)較多的模型可以進(jìn)行適當(dāng)簡化。

2）未開發(fā)移動學(xué)習(xí)端

隨著時代進(jìn)步，手機、平板等移動學(xué)習(xí)端更受大家喜愛，當(dāng)代大學(xué)生也更喜歡利用手機進(jìn)行碎片化學(xué)習(xí)，但由于VRP軟件打包發(fā)布時僅提供在線發(fā)布和EXE文件打包發(fā)布兩種方法，本平臺暫未開發(fā)移動端的學(xué)習(xí)平臺，這樣的技術(shù)限制使學(xué)習(xí)者無法利用手機、平板等移動設(shè)備開展入館教育。

3）無法實時在線

由于技術(shù)限制等原因，目前本平臺無法提供實時在線服務(wù)，學(xué)習(xí)者僅能通過下載EXE文件，進(jìn)行安裝體驗，需要耗費一定的時間和精力，在一定程度上給學(xué)習(xí)者帶來不便。期待隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高，本平臺可以提供多用戶同時在線的實時服務(wù)，豐富平臺功能，并給廣大學(xué)習(xí)者提供便利。