VR技術(shù)紅色文化教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)范文

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摘要:紅色革命精神教育意義重大，關(guān)系到國家未來一代的健康成長。傳統(tǒng)的紅色教育通常是圍繞理論灌輸教育的基本模式來實(shí)施的，教育效果差，容易造成青少年的厭煩心理，不能為他們構(gòu)建一個(gè)合理有效的教育平臺(tái)。為此，本文將體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理論與關(guān)鍵vr技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了基于VR的紅色教育互動(dòng)體驗(yàn)式培訓(xùn)系統(tǒng)。結(jié)果表明，該平臺(tái)可以較好實(shí)現(xiàn)紀(jì)念館虛擬仿真與交互，豐富了紅色教育的傳播形式，提升了紅色教育效果。

關(guān)鍵詞:紅色教育;教育平臺(tái);VR;互動(dòng)體驗(yàn)式培訓(xùn)系統(tǒng);虛擬仿真

指出，紅色旅游是紅色文化傳承的生動(dòng)課堂。劉云山在全國紅色旅游工作會(huì)上也強(qiáng)調(diào):在紅色旅游中，紅色是基調(diào)，文化是靈魂，旅游是載體［1］。2018年3月22日國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)全域旅游發(fā)展的指導(dǎo)意見》。(下簡稱意見)，《意見》中指出:推動(dòng)旅游與科技、教育、文化、衛(wèi)生、體育融合發(fā)展?？茖W(xué)利用傳統(tǒng)村落、文物遺跡及博物館、紀(jì)念館、美術(shù)館、藝術(shù)館、世界文化遺產(chǎn)、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)展示館等文化場所開展文化、文物旅游，推動(dòng)劇場、演藝、游樂、動(dòng)漫等產(chǎn)業(yè)與旅游業(yè)融合開展文化體驗(yàn)旅游［2］。因此，將紅色文化與VR技術(shù)相結(jié)合，打造VR+紅色文化虛擬交互平臺(tái)，并通過VR這種沉浸性、交互性的形式進(jìn)行傳播，不僅有助于提升紅色文化品牌實(shí)力，對拓展紅色文化傳播形式，加強(qiáng)青少年愛國主義教育、紅色革命教育更具現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐價(jià)值。通過紅色文化教育平臺(tái)的制作并同步推向中、小學(xué)課堂，讓中、小學(xué)生在課堂上，戴上VR眼鏡就能感受革命圣地的歷史文化。另外，還可以結(jié)合黨內(nèi)“兩學(xué)一做”開展平臺(tái)的VR黨政游學(xué)頻道，讓黨政機(jī)關(guān)及企事業(yè)單位的同事們，通過平臺(tái)就能學(xué)習(xí)和感受紅色景點(diǎn)文化。

一、紅色文化教育互動(dòng)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)

1．工具與方法本研究使用Unity3D作為系統(tǒng)開發(fā)工具。采用AutoCAD完成場景平面圖，導(dǎo)入至3Dmax中完成模型制作，賦予材質(zhì)和燈光，將完成的場景及展品的三維模型導(dǎo)出為FBX文件格式，并導(dǎo)入至Unity3D項(xiàng)目文件中。［3］以C#為腳本語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)博物館場景虛擬交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目中，模型制作以六霍起義紀(jì)念館建筑及館內(nèi)藏品的比例作為建模參考，對部分展品進(jìn)行仿真再現(xiàn)。通過材質(zhì)、燈光賦予模擬出現(xiàn)實(shí)展品的效果［4］，本項(xiàng)目所使用的VR硬件為HtcVive，我們只需佩戴VR硬件，便可完成對紀(jì)念館的虛擬漫游與交互。

2．交互設(shè)計(jì)平臺(tái)場景搭建完成后，賦予相應(yīng)材質(zhì)和燈光，導(dǎo)出為Fbx格式，在Unity3D導(dǎo)入Fbx場景文件，并完成相應(yīng)交互事件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)路線是:首先進(jìn)入場景為紀(jì)念館大門，大門隨即自動(dòng)打開至全開(大約3秒)，此時(shí)可利用HTCVive手柄完成第一人稱視角(攝像機(jī)視角)射線瞬移，瞬移至紀(jì)念館前廳位置，隨即出現(xiàn)紀(jì)念館自定義的文本信息，幾秒過后，文字淡出。此時(shí)參觀者可移動(dòng)至展廳內(nèi)并通過旋轉(zhuǎn)即可參觀展廳內(nèi)墻上的展品。參觀者自主決定在一號(hào)展廳內(nèi)參觀的時(shí)間，當(dāng)參觀完一號(hào)展廳，到達(dá)一號(hào)展廳指定位置，紅色指示箭頭標(biāo)注指向二號(hào)展廳，參觀者此時(shí)可利用射線瞬移的方式，直接跳轉(zhuǎn)至二號(hào)展廳，二號(hào)展廳內(nèi)展品的玻璃外框默認(rèn)閃爍，當(dāng)移至展柜前指定位置時(shí)，展品玻璃外框停止閃爍。此時(shí)利用HTCVive右手手柄可抓取展品(也可釋放)。待參觀者將二號(hào)展廳內(nèi)所有展品抓取(交互)完成后(注:參觀者可以重復(fù)抓取二號(hào)展廳內(nèi)展品，先后順序由參觀者自主選擇，但須完成所有展品的抓取，才能進(jìn)入下一邏輯)，攝像機(jī)返回至二號(hào)展廳指定位置，參觀者可以再次參觀，也可退出平臺(tái)。

二、紅色文化教育互動(dòng)平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1．虛擬漫游在紀(jì)念館館內(nèi)場景漫游的實(shí)現(xiàn)，要運(yùn)用到SteamVRPlugin組件，并將拖入到assets里，然后從prefabs下將CameraRig拖入。同時(shí)在Unity3D中添加名為Movie．cs腳本文件，并將腳本掛載到Main-Camera上，實(shí)現(xiàn)場景攝像機(jī)隨著HTCVive頭盔控制左右旋轉(zhuǎn)和前后移動(dòng)的功能，從而使場景在運(yùn)行時(shí)具有第一人稱視覺觀察的效果。具體的做法分兩步:(1)要實(shí)現(xiàn)HTCVive下控制玩家的位置及移動(dòng)，首先要獲取頭部Y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及頭部在x、z軸方向的移動(dòng)，并將這個(gè)信息賦值給這個(gè)腳本綁定的對象身上。(2)移動(dòng)的方向是依據(jù)綁定ChildTransform這個(gè)腳本的transform信息。這樣就能實(shí)現(xiàn)，頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)控制移動(dòng)的方向，手柄中的上、下、左、右控制移動(dòng)的向前、向左、向右、向后移動(dòng)。這里需要注意的是，Movie．cs腳本中有3個(gè)公共變量:Player:需將［CameraRig］賦值給它。

2．拋物線瞬移為盡可能減少VR硬件佩戴者在行走漫游過程中的不適感，在進(jìn)行紀(jì)念館館外場景的漫游方式設(shè)置時(shí)，選用了拋物線瞬移的方法(通過點(diǎn)按HTCVive手柄顯示的射線瞬間跳轉(zhuǎn)至拋物線終點(diǎn)端)，這里需要運(yùn)用到ViveNavMesh、ParabolicPointer、ViveTele-porter三個(gè)組件。ViveNavMesh組件控制Unity的NavMesh系統(tǒng)到可渲染網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。它還能計(jì)算NavMesh的邊界，所以當(dāng)玩家選擇傳送位置時(shí)可以被顯示出來。ParabolicPointer組件生成/顯示一個(gè)指示網(wǎng)格并從ViveNavMesh進(jìn)行采樣。ViveTeleporter組件控制實(shí)際傳送機(jī)制。TeleportVive和ParabolicPointer組件會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)BorderRenderer組件。這個(gè)組件可生成并渲染出顯示ViveNavMesh邊界的網(wǎng)格和SteamVR游戲區(qū)域。接下來需要在Unity中分別配置好對應(yīng)組件，同時(shí)在Unity中烘焙一個(gè)導(dǎo)航網(wǎng)格，并通過AreaMask屬性選擇確定哪些區(qū)域是可傳送，哪些區(qū)域不被傳送。在本平臺(tái)漫游中，確定了可傳送路徑為通向一號(hào)展廳的路面，其中大門、墻面、樹、植被等都設(shè)置了碰撞器，皆不可被傳送。

3．實(shí)現(xiàn)抓取在平臺(tái)應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)在二號(hào)展廳中對玻璃展柜中展品利用手柄抓取物品的交互設(shè)計(jì)效果，同樣需要使用到SteamVRPlugin這個(gè)組件，將CameraRig對象拖至該組件中，以便獲得HeadLeft和Right，創(chuàng)建Grab．cs腳本，將代碼掛載至此組件上，找到Left和選項(xiàng)下可以選擇物體，即實(shí)現(xiàn)扣動(dòng)HTCVive手柄扳機(jī)可拿起物體，放下扳機(jī)鍵物體墜落效果。在本系統(tǒng)中，手柄抓取動(dòng)作是否精準(zhǔn)是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，所以，如何精準(zhǔn)判斷碰撞體的位置是手柄抓取的條件，在程序運(yùn)行中加入了相對比較成熟的模糊算法，可以幫助手柄精準(zhǔn)拾取Object。具體做法是，根據(jù)HTCVive實(shí)時(shí)位置(Unity3D與HTCVive無縫連接，并根據(jù)佩戴者所處位置計(jì)算為機(jī)器賦值參數(shù))，本研究以此位置參數(shù)作為監(jiān)聽事件依據(jù)，來完成邏輯的連接。具體流程如下(見圖5－圖6):進(jìn)入虛擬紀(jì)念館前廳，前廳大門打開，紀(jì)念館前牌匾上隨即出現(xiàn)紀(jì)念館文字介紹(文字與人聲同時(shí)出現(xiàn)):“六霍起義是以六安、霍山為中心區(qū)域，以農(nóng)民暴動(dòng)為主體與民團(tuán)兵變相結(jié)合的一系列武裝起義的總稱。這次起義創(chuàng)建了紅三十二師和皖西革命根據(jù)地，為鄂豫皖革命根據(jù)地的統(tǒng)一和發(fā)展打下了基礎(chǔ)?！睅酌脒^后，文字淡出。這里具體的邏輯安排是:(1)首先確定人物(攝像機(jī))與前廳大門產(chǎn)生碰撞，如果碰撞，大門打開;(2)當(dāng)大門打開，觸發(fā)牌匾紀(jì)念館文字介紹顯示;(3)文字顯示一定時(shí)間后淡出。具體流程如圖7。

4．展柜閃爍為了引發(fā)參觀者的注意，在平臺(tái)中將二號(hào)展廳中所有展品的玻璃展柜均設(shè)置了閃爍效果，當(dāng)參觀者進(jìn)入場景后，玻璃外框默認(rèn)開始閃爍。當(dāng)人物移動(dòng)至展品展示柜前想要參觀該展品時(shí)，可利用HTCVive手柄拾取展品，當(dāng)展品被拾取時(shí)，玻璃展示柜外框停止閃爍。這里創(chuàng)建了Playermoves．cs和flicker．cs兩個(gè)腳本。具體思路是當(dāng)參觀者(攝像機(jī))位置到達(dá)二號(hào)展廳指定位置，所有展品的玻璃外框都在閃爍，這時(shí)，參觀者可走近任一展柜前，利用HTCVive手柄拾取展品，當(dāng)展品被拾取，玻璃展柜停止閃爍，再次扣動(dòng)扳機(jī)并釋放展品，展品脫落并復(fù)位。具體設(shè)計(jì)流程如圖9?！癴licker”的系統(tǒng)代碼掛載在玻璃外框上，其效果是當(dāng)玻璃外框開始閃爍，那么其閃爍的頻率為每幀閃爍一次，其具體過程是:1)首先確保將上一個(gè)腳本“Playermoves．cs”掛載到攝像機(jī)上，開始運(yùn)行后，代碼在固定時(shí)間內(nèi)循環(huán)執(zhí)行，用于記錄攝像機(jī)的位置，當(dāng)攝像機(jī)位置數(shù)值在確定數(shù)值范圍內(nèi)，那么可產(chǎn)生碰撞并觸發(fā)下一邏輯。2)將“flicker．cs”腳本掛載到玻璃外框上，當(dāng)前一邏輯運(yùn)行正常即可觸發(fā)本邏輯運(yùn)行，如果前一邏輯無法運(yùn)行，將不會(huì)觸發(fā)本邏輯。效果如圖10。本文主要研究基于Unity3D的紅色旅游紀(jì)念館仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用，通過三維軟件再現(xiàn)了紅色紀(jì)念館的模型及空間布局，并以動(dòng)作、特效、語音的行為平臺(tái)增加了虛擬展覽的交互性，完成了虛擬紀(jì)念館展示及交互平臺(tái)設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)HTCVive釋放物體后，如何實(shí)現(xiàn)更為逼真的物體墜落的效果，是一個(gè)難題，目前可用的比較常見的方法有兩種:一是使用VRTK插件;另一種是利用Unity自帶重力通過設(shè)置剛體，但是，實(shí)驗(yàn)效果都不太理想。因此，如何使獲得更為真實(shí)的物體墜落的效果，這對編程有一定難度，是筆者今后需要進(jìn)一步研究的問題。

參考文獻(xiàn):

［3］李春曉，等．基于Unity3D的中國古代農(nóng)耕虛擬場景智能展示平臺(tái)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，(2):308～314．

［4］郭丹．服裝博物館虛擬展示系統(tǒng)平臺(tái)研究［D］．北京:北京服裝學(xué)院，2016．

作者：王愛軍 李中永 顏世波 單位：安徽國防科技職業(yè)學(xué)院