包依勤 陶圣杰 宋萬里 王寅同

摘 要：互聯(lián)網(wǎng)教育的應(yīng)用在生活中越來越常見。學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)學(xué)習(xí)，通過視頻或電子書自學(xué)知識(shí)，但學(xué)習(xí)效果不佳，而運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬教學(xué)，可達(dá)到良好的教學(xué)預(yù)期效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算圖像，借助設(shè)備傳輸影像和聲音，模擬用戶在虛擬環(huán)境中的物理事件。隨著5G互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示變得可能，用戶不必從云服務(wù)器上下載軟件就可以實(shí)時(shí)觀看虛擬現(xiàn)實(shí)圖像，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)與在線教育的結(jié)合將在未來有很大的發(fā)展空間。為了探究虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用和發(fā)展，文中對(duì)虛擬校園系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，以Unity引擎為支撐，HTC Vive作為虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，通過SteamVR實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的交互。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬教育;云服務(wù)器;虛擬校園;三維建模;VR

中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是新興的一門邊緣技術(shù)，它的研究?jī)?nèi)容涉及多個(gè)專業(yè)，應(yīng)用十分廣泛。作為3D技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其在教學(xué)方面有著重要的發(fā)展和應(yīng)用前景。

隨著互聯(lián)網(wǎng)+教育的變化和改革的不斷推進(jìn)，小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)都在使用新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來促進(jìn)現(xiàn)代教育，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的研究和探索也在全面展開。如今，當(dāng)我們談?wù)摻逃龝r(shí)，大家首先想到的就是校園。因?yàn)樾@是培養(yǎng)學(xué)生的地方，校園、教室、食堂、足球場(chǎng)等都能影響著學(xué)生的進(jìn)步。伴隨著每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)生涯，校園在教育行業(yè)的重要性越來越明顯。因而在虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，本文提出了虛擬仿真校園的概念。虛擬現(xiàn)實(shí)可將日常學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)成一種游戲形式，這種游戲形式的學(xué)習(xí)不僅提高了學(xué)生的興趣，而且使學(xué)生能夠選擇自己喜歡的課程來學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率[1-5]。

在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下，首先接觸的是實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新課堂教學(xué)體驗(yàn)。目前在各學(xué)科的教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)人員不斷開發(fā)各種教育課程。比如之前的地理教學(xué)十分抽象，而采用虛擬仿真技術(shù)，能模擬學(xué)生身處不同的地理環(huán)境中，感受到不同的地理、氣候和不同地層的形成，讓學(xué)生感受和體驗(yàn)沉浸式場(chǎng)景描述;如機(jī)械維護(hù)課程，人們可以使用虛擬模擬技術(shù)模擬安裝過程，并與學(xué)生互動(dòng)，有效進(jìn)行虛擬項(xiàng)目的全方位聯(lián)系和體驗(yàn)，使學(xué)生能夠模擬機(jī)器的操作并學(xué)習(xí)如何安裝;外科醫(yī)生從醫(yī)初期手術(shù)機(jī)會(huì)較少，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)習(xí)醫(yī)生可以實(shí)踐各種外科手術(shù)，這些現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景可以幫助實(shí)習(xí)醫(yī)生迅速成長(zhǎng)。這是以前的教育方法無法實(shí)現(xiàn)和媲美的。

虛擬仿真技術(shù)帶來了突破性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，其教學(xué)效果明顯。虛擬仿真技術(shù)作為一門新發(fā)展的技術(shù)，在教育界有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展空間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教育帶來前所未有的發(fā)展，讓學(xué)生在互動(dòng)體驗(yàn)過程中體驗(yàn)和學(xué)習(xí)知識(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為未來教育的發(fā)展趨勢(shì)[6]。因此，研究和開發(fā)更多的虛擬現(xiàn)實(shí)課程，充分開發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)在各個(gè)課程中可以用到的場(chǎng)景，才能更好地將虛擬現(xiàn)實(shí)課程融入教育教學(xué)。本文的主要研究?jī)?nèi)容是以虛擬教育、虛擬仿真為背景，研究此技術(shù)目前的發(fā)展，設(shè)計(jì)出虛擬校園場(chǎng)景，給大家?guī)硖摂M校園體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 校園虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)

為了保證場(chǎng)景能在多種計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，同時(shí)增加環(huán)境的真實(shí)感，本文將虛擬校園系統(tǒng)分為場(chǎng)景模型子系統(tǒng)、漫游引擎子系統(tǒng)、渲染輸出子系統(tǒng)等。它們?cè)诠δ苌舷鄬?duì)獨(dú)立，通過數(shù)據(jù)接口互聯(lián)[7]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

場(chǎng)景調(diào)度：在虛擬校園搭建場(chǎng)景之前，必須先對(duì)要搭建的場(chǎng)景做一個(gè)全面的分析，包括教室數(shù)量，所用道具，建模模式等，把所有需要用到的建筑物以及物品列入表中，完成場(chǎng)景總體調(diào)度。

碰撞檢測(cè)：碰撞檢測(cè)是構(gòu)造虛擬漫游系統(tǒng)不可缺少的重要部分，它可以使用戶以更自然的方式與三維場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互。如果沒有碰撞檢測(cè)，當(dāng)一個(gè)對(duì)象碰到另一個(gè)對(duì)象時(shí)，往往會(huì)“穿透而過”，而不會(huì)產(chǎn)生碰撞的效果，這在現(xiàn)實(shí)中是不存在的[8]。所以，在虛擬校園漫游的過程中，要能實(shí)時(shí)檢測(cè)人物本身的碰撞體和場(chǎng)景中物品會(huì)不會(huì)發(fā)生碰撞，比如身體碰到墻，頭部碰到物體等，要分別對(duì)碰撞的種類做出不同的檢測(cè)。

物體交互：為了讓學(xué)生能在虛擬校園中感受到真實(shí)性，必須增加物體的可交互性，比如可使用物品、可抓取物品等。在每個(gè)教室中，也要制作每個(gè)教室對(duì)應(yīng)的所需物體，來豐富教學(xué)場(chǎng)景，以便學(xué)生在校園中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)的開發(fā)流程關(guān)系到該系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和有效程度。為了合理開發(fā)虛擬校園漫游系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程包括三維建模、紋理貼圖、空間漫游、人機(jī)交互等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在三維建模之前，必須對(duì)校園環(huán)境進(jìn)行分析，選取最合適的建模方案。在三維建模完成之后，還要考慮系統(tǒng)的可行性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些必要的優(yōu)化。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備

目前，主流的PC型VR有HTC Vive、 Oculus Rift兩類。除此之外還有其他PC型VR可供選擇，例如 Hypereal Pano、Pico、小怪獸2等。PC端VR是比較主流的虛擬設(shè)備[9]。

本系統(tǒng)選用HTC Vive做為虛擬校園的硬件設(shè)備。HTC Vive在計(jì)算機(jī)端開發(fā)，因此它與計(jì)算機(jī)的交互反映在輸入設(shè)備和輸出設(shè)備上。HTC Vieve是如今市場(chǎng)上較先進(jìn)，使用較廣泛的VR設(shè)備，具有很多其他VR設(shè)備無法媲美的地方，比如高分辨率、定位追蹤、強(qiáng)大的SteamVR平臺(tái)等，大大方便了HTC Vive的使用。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 校園環(huán)境搭建

虛擬場(chǎng)景模型是整個(gè)漫游系統(tǒng)的基礎(chǔ)。模型的質(zhì)量直接影響到場(chǎng)景的順暢程度和逼真效果。過多的細(xì)節(jié)模式將降低網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景圖形表示的效率，所以經(jīng)常需要在建模過程中，在模型的細(xì)節(jié)度和復(fù)雜性之間找到平衡，并在必要時(shí)更換紋理模型的詳細(xì)信息。在Unity建立與集成復(fù)雜的3D模型相當(dāng)繁瑣，但用3DS MAX強(qiáng)大的三維建模功能可以彌補(bǔ)這一缺陷。3DS MAX是一個(gè)強(qiáng)大的視覺建模工具，可根據(jù)用戶的需要來制作模型。3DS MAX支持Prefab文件格式的輸出，可以直接拖到Unity中使用，直接輸出場(chǎng)景，包括幾何造型、材質(zhì)、動(dòng)畫等。虛擬現(xiàn)實(shí)中三維場(chǎng)景建筑結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在構(gòu)建虛擬校園系統(tǒng)場(chǎng)景時(shí)，3DS MAX為用戶提供的建模方法如下所示。

（1）直接創(chuàng)建幾何對(duì)象。3DS MAX具有許多基本幾何模塊，例如球體、立方體、圓柱體、三角形錐體等。用戶可以拖動(dòng)鼠標(biāo)來定義對(duì)象的大小，或者直接在命令面板中輸入位置和大小。3DS MAX可以生成一些基本幾何體，并對(duì)此基本幾何體進(jìn)行一系列編輯以獲取要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象。

（2）使用樣條圖形。樣條曲線是一種特殊類型的曲線，根據(jù)數(shù)學(xué)原理彎曲。它們通常是在三維空間中繪制的二維曲線，3DS MAX通過給二維圖形添加厚度（Extrude）、旋轉(zhuǎn)（Lathe）樣條曲線，從而創(chuàng)建三維對(duì)象。

（3）使用網(wǎng)格對(duì)象。網(wǎng)格對(duì)象是大多數(shù)類型3D文件使用的默認(rèn)模型類型，目前流行的3D格式也存儲(chǔ)為網(wǎng)格。

模型做好后，就可以把各種場(chǎng)景道具加入到虛擬校園里，搭建完的場(chǎng)景如圖4所示。

為了讓虛擬校園可交互的物體更多，本系統(tǒng)還制作了導(dǎo)線、黑板擦、筆、地球儀等教學(xué)工具。

2.2 交互功能的實(shí)現(xiàn)

虛擬校園中，為了體現(xiàn)真實(shí)性，物體均可交互。比如，學(xué)生可以在校園中跟門、黑板、顯示屏、教學(xué)器材等互動(dòng)，所以物體與手的交互十分關(guān)鍵。本系統(tǒng)將交互式對(duì)象劃分為幾個(gè)類別，應(yīng)用不同的代碼實(shí)現(xiàn)。

（1）手柄可抓取物體

當(dāng)學(xué)生操作手柄時(shí)，使用相應(yīng)的抓取鍵即可將物體抓在手中。物體在手中同樣具有碰撞效果，如果碰撞到遮擋物，則不能再繼續(xù)拖動(dòng)。

（2）凝視交互物體

凝視是一種在沒有手柄等輸入設(shè)備的情況下，可以通過眼睛盯著某個(gè)物體看，與物體進(jìn)行交互的體驗(yàn)[10]。我們只需將各輔助類工具條添加到我們想要凝視的物體上，比如菜單等，就可以實(shí)現(xiàn)凝視的功能[11]。可使用物體是指學(xué)生可通過各種形式，跟教室中的物體交互，比如通過手柄按鍵打開屏幕，選擇觀看相應(yīng)的教學(xué)課程。

（3）人物移動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)

學(xué)生在移動(dòng)時(shí)，同時(shí)要進(jìn)行多項(xiàng)判定。首先是建筑物和教學(xué)場(chǎng)景的碰撞：當(dāng)人物撞到不可移動(dòng)的物體，則限制學(xué)生無法前行;如果在移動(dòng)時(shí)接觸到可交互物體，比如球、紙盒，則交互物體會(huì)跟人物碰撞，移動(dòng)到另一位置。其次是頭部碰撞：當(dāng)頭頂有物體時(shí)，會(huì)檢測(cè)頭頂?shù)呐鲎?，如果碰撞則會(huì)短暫黑屏，回到正確的位置。

人們進(jìn)入虛擬校園有兩種移動(dòng)方式。

第一種移動(dòng)方式：觸摸板移動(dòng)。學(xué)生通過右手的觸摸板操作主角進(jìn)行移動(dòng)，模擬平時(shí)校園中走路的動(dòng)作。

第二種移動(dòng)方式：射線碰撞瞬移。如果學(xué)生想以最快速度移動(dòng)到某一點(diǎn)，則可通過觸摸板上方向鍵，指向需要移動(dòng)的點(diǎn)。如果句柄指向的點(diǎn)在可移動(dòng)區(qū)域，學(xué)生就會(huì)瞬間移動(dòng)到指定位置;如果句柄指向的位置不在可移動(dòng)區(qū)域，則無法移動(dòng)，學(xué)生需要重新指定移動(dòng)的區(qū)域。

2.3 場(chǎng)景傳送功能的實(shí)現(xiàn)

場(chǎng)景傳送界面可方便學(xué)生快速移動(dòng)到各個(gè)教室場(chǎng)景。學(xué)生按下手柄上的菜單按鈕，默認(rèn)打開場(chǎng)景傳送界面。學(xué)生可以通過射線移動(dòng)到想要到達(dá)的場(chǎng)景，扣動(dòng)扳機(jī)，直接移動(dòng)到想要到達(dá)的教室。菜單傳送界面由多個(gè)控件，如Button、Toggle Group、Scroll View、Label組成，每個(gè)教學(xué)場(chǎng)景的圖片相當(dāng)于一個(gè)Toggle單選按鈕。因?yàn)橛卸鄠€(gè)場(chǎng)景無法同時(shí)在場(chǎng)景中顯示，所以將Toggle Group放入Scroll View，選定屬性，使其成為水平輸入框。由于Scroll View控件不會(huì)根據(jù)已有的界面和控件自動(dòng)調(diào)整各個(gè)控件的位置，所以本系統(tǒng)還加入了Content Size Fitter，設(shè)置最佳顯示尺寸，自動(dòng)調(diào)整菜單中的控件。場(chǎng)景傳送界面如圖5所示。

3 教學(xué)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

3.1 物理教室實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生或老師通過筆在白板上實(shí)時(shí)繪制，制作了多種顏色的繪筆。每個(gè)繪筆有不同的顏色可選。繪筆添加了Box Coilder組件，使用者用手柄控制手在觸碰到筆時(shí)，就會(huì)觸發(fā)抓取事件。編寫通過繪畫腳本實(shí)現(xiàn)在白板上的繪制邏輯。物理教室場(chǎng)景如圖6所示。

Painter腳本含有 Raycast函數(shù)，用來發(fā)射射線，實(shí)時(shí)計(jì)算返回筆觸碰到白板時(shí)的坐標(biāo)。畫筆腳本識(shí)別與手部的連接點(diǎn)需貼合手的動(dòng)作。當(dāng)筆和白板碰撞時(shí)，會(huì)在白板上寫字。橡皮擦腳本類似于畫筆，但是噴出的顏色與白板顏色相同，通過覆蓋實(shí)現(xiàn)擦除效果。

3.2 體育教室實(shí)現(xiàn)

模擬投籃球、踢足球等各種運(yùn)動(dòng)，首先要對(duì)球的材質(zhì)和彈射力度進(jìn)行設(shè)置和編寫。為了讓球的彈射更加逼真，運(yùn)用了Untiy的碰撞事件OnCollisionEnter進(jìn)行監(jiān)聽，并根據(jù)碰撞的角度、速度進(jìn)行反彈點(diǎn)的實(shí)時(shí)計(jì)算。通過Vector向量獲得彈射角度和值，再轉(zhuǎn)換成Quaternion四元數(shù)，以避免萬象角死鎖。因?yàn)榍虮毁x予了剛體屬性，所以通過Untiy的righdbody施加力，可以模擬真實(shí)的施加場(chǎng)景。體育教室場(chǎng)景如圖7所示。

3.3 多媒體教室實(shí)現(xiàn)

多媒體教室主要有2D投影和3D 360°全景視頻兩塊。2D投影主要可以通過手柄射線的交互，觀看視頻錄像。在投影屏上，添加Canvas組件ScreenCanvas，即可實(shí)現(xiàn)投影屏效果。為了實(shí)現(xiàn)ScreenCanvas，必須設(shè)置掛在 VRTK的VRTK_ UI Canvas腳本，這樣手柄發(fā)出的射線才可以跟ScreenCanvas交互。設(shè)計(jì)中共有Buttom、Panel、Sliders三種控件，主要用來監(jiān)控按鈕的響應(yīng)時(shí)間和視頻拖拽條的響應(yīng)時(shí)間。多媒體教室場(chǎng)景如圖8所示。

4 結(jié) 語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新興技術(shù)，有很好的發(fā)展前景。本文以虛擬教育、虛擬仿真為背景，研究和設(shè)計(jì)了虛擬校園，帶來了虛擬的真實(shí)校園環(huán)境。虛擬校園是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代教育的一種新型教育方式，未來很有可能讓學(xué)生足不出戶，就能學(xué)習(xí)各種知識(shí)。本文通過搭建Unity 3D環(huán)境，并使用HTC Vive設(shè)備交互，模擬了真實(shí)的校園環(huán)境，與多個(gè)教學(xué)場(chǎng)景，學(xué)生通過這個(gè)系統(tǒng)可以更好地學(xué)習(xí)知識(shí)。

注：本文通訊作者為包依勤。

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