VR技術(shù)在動(dòng)物園科普平臺(tái)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

謝偉龍，王 慧，劉 奇，姚 文

(鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平得到了的巨大的改善。在旅游娛樂方面的需要也不斷提高。但在疫情防控期間，線下動(dòng)物園的科普作用變的微乎其微，已經(jīng)逐漸不能滿足人們的需求。將VR技術(shù)作為科普保護(hù)教育的平臺(tái)，既能緩解節(jié)假日動(dòng)物園景區(qū)承載的壓力，減少意外事件，也能在特殊時(shí)期，繼續(xù)向人們科普動(dòng)物的相關(guān)信息與保護(hù)理念，補(bǔ)缺傳統(tǒng)線下動(dòng)物園科普教育形式單一的短板，提高人們的游園互動(dòng)體驗(yàn)。

1 VR與VR動(dòng)物園

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)早期譯為“靈境技術(shù)”。VR是多媒體技術(shù)的終極應(yīng)用形式，是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能及行為心理學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展的結(jié)晶，主要依賴于三維實(shí)時(shí)圖形顯示、三維定位跟蹤、觸覺及嗅覺傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、高速計(jì)算與并行計(jì)算技術(shù)以及人的行為學(xué)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。人們戴上VR眼鏡，數(shù)據(jù)手套等特制的傳感設(shè)備，面對(duì)一種三維的模擬現(xiàn)實(shí)，似乎置身于一個(gè)具有三維的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的感覺世界，并且人與這個(gè)環(huán)境可以通過人的自然技能和相應(yīng)的設(shè)施進(jìn)行信息交互[1]。在VR系統(tǒng)中，人在信息處理系統(tǒng)與主觀感受匹配中起著主導(dǎo)作用。根據(jù)呈現(xiàn)方式的不同，VR系統(tǒng)可分為沉浸式和非沉浸式。前者使用頭盔、手柄，后者在屏幕上顯示圖像[2]。本設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的模式屬于非沉浸式。

VR動(dòng)物園顧名思義，就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心手段，形成新的交互和體驗(yàn)方式，實(shí)現(xiàn)人、動(dòng)物和自然在虛擬和現(xiàn)實(shí)空間里和諧共生，以求達(dá)到提升動(dòng)物園科普、科研和園區(qū)管理水平的目的，是探索動(dòng)物園現(xiàn)代化的嶄新嘗試[3]。

2 線下動(dòng)物園面臨的問題

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，每逢節(jié)假日，我國(guó)各大景區(qū)都承載著巨大壓力，從某種意義來說，我國(guó)旅游業(yè)已陷入了旅游規(guī)模大于景區(qū)承載壓力的困境[4]。

目前，很多動(dòng)物園科普教育形式單一，保護(hù)措施并不完善。每年動(dòng)物園都會(huì)有游客受傷等危險(xiǎn)事件發(fā)生，部分動(dòng)物園將向游客科普動(dòng)物知識(shí)建立在利益的基礎(chǔ)上，使觀眾與不熟悉的動(dòng)物再次產(chǎn)生脫節(jié)，影響展覽效果，改變了動(dòng)物園存在的本質(zhì)。

調(diào)查顯示，近9成(89.51%)受訪者攜帶孩子瀏覽動(dòng)物園，其中超過半數(shù)(52.34%)為父母與孩子，近半數(shù)(42.60%)為親戚朋友與孩子，極少數(shù)(5.83%)為祖輩與孩子。孩子進(jìn)入高年級(jí)后，由于學(xué)業(yè)加重等原因，家長(zhǎng)攜帶子女去動(dòng)物園游玩的次數(shù)減少[5]。線下動(dòng)物園的科普作用幾乎變的微乎其微，已經(jīng)逐漸不能滿足人們的需求。

總體而言，利用與時(shí)俱進(jìn)的VR技術(shù)向大眾進(jìn)行科普保護(hù)教育，將VR技術(shù)與線下動(dòng)物園二者相結(jié)合，可以將動(dòng)物的相關(guān)信息與保護(hù)理念傳達(dá)給游客。

3 場(chǎng)景系統(tǒng)

3.1 場(chǎng)景系統(tǒng)功能模塊

本場(chǎng)景是使用建模軟件3Dmax建立動(dòng)物模型，圖形編輯編輯軟件Photoshop制作相應(yīng)貼圖，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Ideavr進(jìn)行動(dòng)物園場(chǎng)景的搭建。主要包括漫游、碰撞檢測(cè)、人機(jī)交互、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)等功能模塊，如圖1所示。其中，人機(jī)交互模塊是通過Ideavr里基本平面控件組成，實(shí)現(xiàn)參觀者在視頻播放、音頻播放、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、尋路指引等方面的交互功能。但在保證交互流暢的前提下，也要注意交互是否速度過快，給3D眩暈的參觀者帶來身體不適。

圖1 場(chǎng)景系統(tǒng)功能模塊

3.2 場(chǎng)景所用到的物理系統(tǒng)

本系統(tǒng)所用的物理系統(tǒng)包括物理實(shí)體、觸發(fā)區(qū)域和碰撞體，如圖2所示。系統(tǒng)中用到的碰撞器有CollisionPolygon和CollisionShape系統(tǒng)還給物體加了剛體(Rigidbody)。碰撞檢測(cè)在虛擬環(huán)境中非常重要。當(dāng)人在場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞。如果沒有碰撞檢測(cè)，可能會(huì)發(fā)生“穿墻”現(xiàn)象。因此，為了盡可能地保持虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性，需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。碰撞檢測(cè)的條件：二者均有碰撞組件且至少一個(gè)碰撞器附著有剛體。碰撞器和觸發(fā)器的關(guān)系：碰撞器是觸發(fā)器的載體，觸發(fā)器只是碰撞器的一個(gè)屬性。觸發(fā)器沒有碰撞效果，僅用來檢測(cè)碰撞(相交)，靜態(tài)碰碰撞體主要作用在靜態(tài)物體上。當(dāng)靜態(tài)碰撞體受到剛體等其余部件的沖擊，不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，但會(huì)做碰撞檢測(cè)，防止剛體穿過該靜態(tài)碰撞體。在本場(chǎng)景中，為每個(gè)模型都設(shè)置了碰撞體屬性，從而避免了“穿模”現(xiàn)象的發(fā)生。另外，場(chǎng)景內(nèi)的所有UI都是通過空間觸發(fā)器觸發(fā)，只要進(jìn)入空間觸發(fā)器的觸發(fā)范圍(Area)內(nèi)就會(huì)觸發(fā)其功能，出現(xiàn)對(duì)應(yīng)動(dòng)物信息介紹和模擬人物對(duì)話的UI界面，用戶可以進(jìn)一步通過控制UI上的按鈕來獲得自己需要的動(dòng)物科普信息。

圖2 場(chǎng)景的物理系統(tǒng)

4 VR動(dòng)物園的詳細(xì)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 交互界面的設(shè)計(jì)與觸發(fā)

在VR動(dòng)物園的場(chǎng)景中，UI界面是人機(jī)交互的核心，交互界面作為對(duì)VR動(dòng)物園科普知識(shí)的提煉，VR動(dòng)物園中的大部分功能都是通過操作界面向觀眾展示的。交互界面包括主界面、人物對(duì)話框、路標(biāo)引導(dǎo)、知識(shí)選擇面板、答題選項(xiàng)等。對(duì)于UI界面的設(shè)計(jì)與觸發(fā)，先點(diǎn)擊UI畫布，在菜單窗口點(diǎn)擊快速創(chuàng)建-平面控件，創(chuàng)建一個(gè)紋理圖。在場(chǎng)景面板中找到平面控件的子節(jié)點(diǎn)TextureRect，在其屬性面板點(diǎn)擊紋理導(dǎo)入圖片，UI相關(guān)的節(jié)點(diǎn)具有位置和大小，它們也具有錨點(diǎn)和邊距。錨定義節(jié)點(diǎn)的左、上、右和下邊緣的原點(diǎn)或參考點(diǎn)。選擇節(jié)點(diǎn)后，先在布局按鈕中點(diǎn)擊僅錨點(diǎn)的保持長(zhǎng)寬比，在屬性欄中的“UI組件-矩形”中進(jìn)行調(diào)試，使畫布鋪滿整個(gè)屏幕；再以TextureRect為結(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)button組件，點(diǎn)并在節(jié)點(diǎn)為button連接信號(hào)到Button to connect，從而實(shí)現(xiàn)用戶通過按鈕來觸發(fā)，給用戶帶來人性化的交互體驗(yàn)。

4.2 3D場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與搭建

4.2.1 動(dòng)物園場(chǎng)景

首先，利用3DMAX軟件制作模型，可以用貼圖的方式來彌補(bǔ)紋理的一些細(xì)節(jié)，以達(dá)到所建模型既布線合理，既能讓造型貼合實(shí)際，又能以較少的面刻畫較多的細(xì)節(jié)。將做好的人物模型、動(dòng)植物模型和建筑模型以FBX格式導(dǎo)入到Ideavr引擎中。這些模型包括動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。為了讓模型有重力及防止穿模現(xiàn)象的出現(xiàn)，還需給模型添加剛體組件并新建碰撞形狀。其次，動(dòng)物園的部分山地地形是使用Ideavr的地形系統(tǒng)(terrain)的筆刷的功能屬性來繪制，通過調(diào)節(jié)地形節(jié)點(diǎn)屬性里的環(huán)境風(fēng)屬性來實(shí)現(xiàn)草隨風(fēng)動(dòng)，使場(chǎng)景逼真、自然。

4.2.2 答題場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)

在動(dòng)物園的出口動(dòng)物管理員提示游客開始考試的環(huán)節(jié)，主要是通過Ideavr的場(chǎng)景樹來實(shí)現(xiàn)，文件打開場(chǎng)景中找到并復(fù)制考試場(chǎng)景spatial.scene路徑，打開動(dòng)物園主場(chǎng)景的腳本，新建可視化腳本SceneTree.change_scene，將控制考試的按鈕button_down與Get Scene Tree分別連接到SceneTree.change_scene上，path選項(xiàng)粘貼考試場(chǎng)景路徑，用戶即可通過按鈕控制場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)完成答題互動(dòng)，如圖3所示。跳轉(zhuǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)界面為場(chǎng)景加載進(jìn)度條，該系統(tǒng)用的是異步加載。當(dāng)進(jìn)度條加載滿時(shí)，進(jìn)入考試場(chǎng)景，從而使場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)更加流暢。

圖3 場(chǎng)景樹腳本交互編輯

4.3 模型動(dòng)畫的編輯

在場(chǎng)景的模型中，無論是動(dòng)物動(dòng)畫的制作，還是人物動(dòng)畫的制作都是使用3DMAX軟件創(chuàng)建骨骼、蒙皮、權(quán)重繪制、控制器綁定以及關(guān)鍵幀動(dòng)畫、曲線編輯器等。把骨骼動(dòng)畫導(dǎo)入Ideavr引擎，以熊貓模型為例，如圖4所示。為其創(chuàng)建一個(gè)AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)，通過AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)可以創(chuàng)建任何簡(jiǎn)單或復(fù)雜的動(dòng)畫效果，AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)可以理解為存放動(dòng)畫數(shù)據(jù)的容器。一個(gè)AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)可以存放多組動(dòng)畫數(shù)據(jù)，這些動(dòng)畫可以相互轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫依賴于關(guān)鍵幀，要使新建節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)畫效果，應(yīng)在動(dòng)畫軌道上為該節(jié)點(diǎn)的某些特定屬性設(shè)置關(guān)鍵幀，即關(guān)鍵幀定義了節(jié)點(diǎn)屬性在某一時(shí)間點(diǎn)的值。為熊貓建立動(dòng)畫播放器，并在動(dòng)畫軌道上為該熊貓節(jié)點(diǎn)的特定屬性設(shè)置關(guān)鍵幀，從而實(shí)現(xiàn)熊貓坐立吃竹子、兔子蹦跳、牡鹿奔跑等動(dòng)作。

圖4 熊貓坐立吃竹子

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的虛擬動(dòng)物園內(nèi)容豐富，在一定程度上可以緩解旅游旺季景區(qū)壓力。與線下動(dòng)物園相比，本虛擬動(dòng)物園既能大幅度降低體驗(yàn)者的危險(xiǎn)系數(shù)，又能使用戶在人物漫游及交互過程中，增加觀看興趣，加深對(duì)動(dòng)物的認(rèn)知理解。在動(dòng)物園場(chǎng)景開發(fā)的過程中，縱觀整體，下一步將會(huì)把計(jì)劃放在場(chǎng)景的合理搭建與環(huán)境的優(yōu)化渲染上，給用戶更真實(shí)的VR體驗(yàn)感。在科普教育層次，將會(huì)增加滅絕動(dòng)物與瀕臨滅絕動(dòng)物的相關(guān)科普知識(shí)，并在模型制作方面運(yùn)用更多建模功能提升模型的細(xì)節(jié)，搭建滅絕動(dòng)物紀(jì)念館，讓參觀者感受到保護(hù)動(dòng)物的重要性。