一種VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

左德遙　高峰

摘? 要： 為彌補當(dāng)前高校紅色文化資源傳播手段和形式的不足，拓展紅色文化的覆蓋面，加強紅色文化與課程思政的深度融合。文章借助3ds Max建模軟件和Unity3D開發(fā)平臺，結(jié)合虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)。PC端VR系統(tǒng)實現(xiàn)了沉浸式體驗，手機端AR系統(tǒng)使學(xué)生能隨時觀看學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生新型技術(shù)應(yīng)用視野，也為高校課程思政教學(xué)改革提供支持。

關(guān)鍵詞： 紅色文化; 虛擬現(xiàn)實; 增強現(xiàn)實; Unity3D; 虛擬仿真

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2022）02-66-04

Design and implementation of VR/AR red culture virtual simulation education system

Zuo Deyao， Gao Feng

（Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Dongyang， Zhejiang 322100， China）

Abstract： In order to make up for the lack of the means and forms of the red culture resources in colleges and universities， expand the coverage of the red culture， and strengthen the deep integration of the red culture and the ideological and political education. In this paper， a VR/AR red culture virtual simulation education system is developed by means of 3ds Max modeling software and Unity3D development platform， combined with virtual reality and augmented reality key technologies. The VR system on the PC side realizes immersive experience， and the AR system on the mobile side enables students to watch and learn at any time. The system not only improves students' learning interest， expands students' vision of new technology application， but also provides support for the teaching reform with ideological and political education in colleges and universities.

Key words： red culture; VR（Virtual Reality）; AR（augmented reality）; Unity3D; virtual simulation

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR），是指運用計算機生成的一種虛擬環(huán)境，該虛擬環(huán)境能夠給人提供多感官刺激，與人實時交互，從而使人產(chǎn)生強烈的沉浸感。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱 AR），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進(jìn)行互動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借其沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性的特點，充分滿足了現(xiàn)代教育的需求，因此將其融入機械工程類實踐課程、智能制造類實踐教學(xué)中，構(gòu)建虛實結(jié)合的多層次教學(xué)平臺，滿足工程實踐課程的教學(xué)需求[1-2]。AR是把虛擬信息融入現(xiàn)實環(huán)境中的一種全新的交互方式。AR具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊這三個基本特征，已經(jīng)在醫(yī)療、教育、工業(yè)等方面有了廣泛應(yīng)用[3-4]。此外，近幾年有不少關(guān)于VR技術(shù)在具體某個景區(qū)或博物館應(yīng)用的研究[5-6]。2021年恰逢中國共產(chǎn)黨建黨100周年，紅色文化資源內(nèi)容豐富、形式多樣，研究VR產(chǎn)業(yè)如何助力紅色資源開發(fā)，研究紅色資源如何豐富高校思政課堂，具有十分突出的育人價值[7]。

基于以上研究，本文將借助虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)紅色資源的具象化呈現(xiàn)，將紅色資源貫穿到高校實踐課程的教學(xué)過程中，構(gòu)建體驗式教育教學(xué)系統(tǒng)，有利于增強教學(xué)吸引力，提高學(xué)生參與度。

1 紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 總體思路

我們創(chuàng)作了以長征為主題的紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計并開發(fā)了兩種展示交互系統(tǒng)，具有沉浸式體驗HTC VIVE VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)和便于學(xué)生隨時觀看學(xué)習(xí)的手機App端AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，具體功能如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線與系統(tǒng)架構(gòu)

技術(shù)路線與系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括軟件建設(shè)部分和硬件支撐部分。第1部分軟件建設(shè)部分，首先需要在3ds Max建模軟件里完成三維模型制作以及在Substance Painter中完成貼圖制作;其次將模型、UI設(shè)計等美術(shù)資源導(dǎo)入Unity3D引擎完成項目的UI界面搭建、場景設(shè)置;最后完成主程序、交互邏輯程序構(gòu)建，在程序開發(fā)過程中還需要導(dǎo)入SteamVR Plugin和VRTK插件完成VR項目的開發(fā)，導(dǎo)入Vuforia SDK完成AR項目的開發(fā);第2部分硬件支撐部分，主要包括HTC VIVE頭盔、VIVE定位器、操控手柄、安卓手機、臺式或筆記本電腦。第1部分和第2部分共同構(gòu)成了紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)VR/AR開發(fā)的軟、硬件平臺支撐。

VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，主要通過主場景設(shè)置和VR過草地場景設(shè)置完成，運用VRTK插件實現(xiàn)場景漫游和傳送、物體交互、UI交互等交互功能。AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)，利用移動設(shè)備攝像頭獲取現(xiàn)實環(huán)境，并將虛擬場景與現(xiàn)實環(huán)境疊加融合，主要通過主場景設(shè)置和AR場景設(shè)置完成，運用Vuforia插件實現(xiàn)二維圖像掃描對應(yīng)、觸屏控制等功能。

2 VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)分為PC端VR系統(tǒng)和手機APP端AR系統(tǒng)，由于采用Unity3D開發(fā)平臺，支持PC端、Web端、APP端的全平臺發(fā)布，且AR系統(tǒng)是基于VR系統(tǒng)內(nèi)容開發(fā)，因此，重點以PC端VR系統(tǒng)開發(fā)為主闡述，并在第三部分單獨進(jìn)一步闡述AR系統(tǒng)。

⑴ 場景模型制作、主體交互模型制作

場景模型制作是鏡頭動畫設(shè)置的基礎(chǔ)，場景模型包括紅軍戰(zhàn)士、馬、旗幟。主體交互模型是場景預(yù)設(shè)三種交互道具，包括草鞋、背帶水壺、沖鋒號，觸發(fā)后可出現(xiàn)對應(yīng)的物品簡介和語音介紹。三維模型的建立是后續(xù)VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)實現(xiàn)基礎(chǔ)，可基于3ds Max三維建模軟件進(jìn)行建模，構(gòu)成紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)三維模型庫。

⑵ 三維模型UV拆分、貼圖繪制

第一、在3ds Max中制作同一個模型的高模和低模。第二、在Unfold3D中把低模進(jìn)行UV的拆分，在3ds Max中將高模拓?fù)錇榈湍?，并?ds Max中烘焙法線貼圖。第三、可進(jìn)一步利用Photoshop軟件制作一些貼圖，并將模型和PS中處理后的貼圖進(jìn)一步導(dǎo)入到Substance Painter中制作基于PBR通道的貼圖，配合模型在Unity3D引擎中使用。

⑶ UI界面設(shè)計、VR場景制作

將模型、貼圖、視頻、音頻等資源導(dǎo)入到Unity3D引擎中進(jìn)行UI界面搭建、場景內(nèi)容制作、VR交互設(shè)計，使用C#腳本編程語言完成VR系統(tǒng)的開發(fā)。

⑷ VR系統(tǒng)的打包與發(fā)布

將開發(fā)調(diào)試好的VR系統(tǒng)選擇在PC端平臺發(fā)布，生成可直接執(zhí)行的VR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計及功能實現(xiàn)

2.2.1 主場景設(shè)計與實現(xiàn)

主界面設(shè)計采用界面特效和UI設(shè)計的方式進(jìn)行設(shè)計，背景采用的是沈堯伊先生油畫作品《而今邁步從頭越》作為軟件的主界面背景，通過增加披風(fēng)、旗幟動畫方式，以及添加硝煙、火焰、飛舞的火星、漫開的煙霧等粒子特效讓畫面更具動感。主場景主要通過歷史沿革、人物簡介等長征紀(jì)錄片和革命先烈生平紀(jì)要實現(xiàn)媒體播放功能與文字展示功能。UI界面交互使用VRTK實現(xiàn)與UI元素的交互，除需要在控制器對象上添加VRTK_UIPointer組件外，還需要在UI容器Canvas上添加VRTK_UICanvas組件。

2.2.2 VR場景設(shè)計與實現(xiàn)

VR過草地場景采用Unity Terrain工具繪制出草原及周圍環(huán)境，添加合適的貼圖素材進(jìn)行場景的著色處理，為場景添加合適的天空盒，添加雨點、水霧等粒子效果，制作出雨天動態(tài)效果，為地面材質(zhì)添加水漬效果和動態(tài)水紋。該場景通過鏡頭動畫+VR交互漫游的形式帶觀眾體驗紅軍過草地的場景。通過設(shè)置Timeline用于管理鏡頭組及人物動畫，添加Alembic插件適配人物的ABC動畫格式，實現(xiàn)鏡頭動畫的制作。

VR交互漫游具體功能實現(xiàn)如下：在VR環(huán)境中，使用VRTK搭建和配置項目環(huán)境，添加相應(yīng)的組件，實現(xiàn)場景的漫游和傳送;移動區(qū)域顯示與隱藏實現(xiàn)玩家碰到限定區(qū)域，該物體的透明度會增大，顯示區(qū)域的顏色，玩家離開限定區(qū)域，該物體的透明度變?yōu)?，從而會隱藏;VR場景中實現(xiàn)與物體的交互主要包括使用VRTK_InteractTouch組件實現(xiàn)與物體觸碰，使用VRTK_InteractGrab組件使控制器能夠抓取和釋放物體，VR物品簡介與語音介紹使用VRTK_InteractUse組件使控制器能夠使用物體。VR傳送對象設(shè)置是指用戶按住圓盤鍵發(fā)射射線，射線懸停物體時，按住Trigger鍵打開提示窗口，該交互行為需要開發(fā)者自定義相應(yīng)事件處理方法。

3 AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)

基于手機APP端的AR紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)主要包括主場景和AR場景，主場景的開發(fā)實現(xiàn)與PC端主場景類似，此部分主要闡述AR場景設(shè)計與實現(xiàn)。AR場景實現(xiàn)了紅軍過草地、地理環(huán)境、長征精神等歷史事件的學(xué)習(xí);AR功能包括AR模型展示、AR視頻播放、觸屏交互設(shè)計等。AR場景利用Vuforia SDK中的AR Camera（AR攝像頭）取代Unity3D引擎中的Main Camera（主攝像頭），使用Image Target作為AR Camera的識別對象，即特定的識別圖。掃描識別圖，識別圖識別成功后，則出現(xiàn)與識別圖所關(guān)聯(lián)的模型和視頻。觸屏交互設(shè)計，通過添加手指觸屏功能在手機端對模型進(jìn)行交互操作：單擊實現(xiàn)模型脫卡;雙擊模型實現(xiàn)物品的簡介與語音的介紹;單指滑動實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn);雙指實現(xiàn)模型的放大縮小;長按實現(xiàn)模型的銷毀等功能。

模型旋轉(zhuǎn)的核心代碼如下：

if（Input.GetMouseButton（0）） //是否觸摸屏幕

{? if （Input.touchCount == 1）//是否單指觸摸

{? if （Input.GetTouch（0）.phase == TouchPhase.Moved）

//第一個觸摸的手指狀態(tài)是否滑動

{? //單點觸摸，水平上下旋轉(zhuǎn)

transform.Rotate（Vector3.up * Input.GetAxis

（"Mouse X"） *-xSpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

transform.Rotate（Vector3.right * Input.GetAxis

（"Mouse Y"） * ySpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

}

}

}

4 系統(tǒng)測試與發(fā)布

系統(tǒng)開發(fā)完成后，將VR系統(tǒng)發(fā)布到PC端生成.exe格式文件，將AR系統(tǒng)發(fā)布到安卓端生成.apk文件。用戶只需點擊軟件，就進(jìn)入了紅色文化虛擬仿真教育系統(tǒng)界面，PC端用戶只需拿著HTC VIVE操控手柄/鼠標(biāo)體驗沉浸式主場景和VR場景，手機端的用戶可以使用手指完成主場景、AR場景的體驗與交互。

經(jīng)過反復(fù)運行測試，系統(tǒng)運行流暢，功能滿足了基本的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計與實現(xiàn)了基于Unity3D VR/AR紅色文化的虛擬仿真教育系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過三維軟件建模、Unity3D開發(fā)平臺、SteamVR Plugin、VRTK插件、Vuforia SDK實現(xiàn)，整理并設(shè)計了一套紅色教育課程思政資源庫，打破傳統(tǒng)紅色教育的時空限制，讓學(xué)生足不出戶，既學(xué)習(xí)了專業(yè)知識，又體驗了紅色主題教育，教學(xué)形式受到學(xué)生的普遍歡迎。該系統(tǒng)與專業(yè)教學(xué)的深度融合，是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 蔡寶，朱文華，孫張馳，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在銑削加工實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（1）：137-140

[2] 劉繼忠，曠有濤，金穎，等.一種VR/AR液壓拆裝實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)[J].南昌大學(xué)學(xué)報（工科版），2021，43（1）：79-84

[3] 郭曉敏，申閆春.基于Unity/Vuforia的AR導(dǎo)覽系統(tǒng)研究[J].計算機仿真，2019（8）：165-169

[4] 方艷紅，莊永智，王學(xué)淵，等.基于增強現(xiàn)實的汽車駕駛仿真實驗系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（4）：147-150

[5] 王愛軍，李中永，顏世波.基于Unity 3D的博物館虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，29（1）：49-53，59

[6] 金曉明，吳成浩.基于VR/AR實感交互設(shè)計的八大山人紀(jì)念館視覺導(dǎo)覽研究[J].包裝工程，2019，40（6）：87-93

[7] 范小青.網(wǎng)絡(luò)時代紅色資源在高校思政課中的應(yīng)用[J].學(xué)校黨建與思想教育，2021（6）：51-52