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VR技术红色文化教育系统设计实现

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摘要:红色革命精神教育意义重大,关系到国家未来一代的健康成长。传统的红色教育通常是围绕理论灌输教育的基本模式来实施的,教育效果差,容易造成青少年的厌烦心理,不能为他们构建一个合理有效的教育平台。为此,本文将体验式学习理论与关键VR技术相结合,构建了基于VR的红色教育互动体验式培训系统。结果表明,该平台可以较好实现纪念馆虚拟仿真与交互,丰富了红色教育的传播形式,提升了红色教育效果。

关键词:红色教育;教育平台;VR;互动体验式培训系统;虚拟仿真

习近平总书记指出,红色旅游是红色文化传承的生动课堂。刘云山在全国红色旅游工作会上也强调:在红色旅游中,红色是基调,文化是灵魂,旅游是载体[1]。2018年3月22日国务院印发了《关于促进全域旅游发展的指导意见》。(下简称意见),《意见》中指出:推动旅游与科技、教育、文化、卫生、体育融合发展。科学利用传统村落、文物遗迹及博物馆、纪念馆、美术馆、艺术馆、世界文化遗产、非物质文化遗产展示馆等文化场所开展文化、文物旅游,推动剧场、演艺、游乐、动漫等产业与旅游业融合开展文化体验旅游[2]。因此,将红色文化与VR技术相结合,打造VR+红色文化虚拟交互平台,并通过VR这种沉浸性、交互性的形式进行传播,不仅有助于提升红色文化品牌实力,对拓展红色文化传播形式,加强青少年爱国主义教育、红色革命教育更具现实意义和实践价值。通过红色文化教育平台的制作并同步推向中、小学课堂,让中、小学生在课堂上,戴上VR眼镜就能感受革命圣地的历史文化。另外,还可以结合党内“两学一做”开展平台的VR党政游学频道,让党政机关及企事业单位的同事们,通过平台就能学习和感受红色景点文化。

一、红色文化教育互动平台的整体设计

1.工具与方法本研究使用Unity3D作为系统开发工具。采用AutoCAD完成场景平面图,导入至3Dmax中完成模型制作,赋予材质和灯光,将完成的场景及展品的三维模型导出为FBX文件格式,并导入至Unity3D项目文件中。[3]以C#为脚本语言设计并实现博物馆场景虚拟交互系统设计。在本项目中,模型制作以六霍起义纪念馆建筑及馆内藏品的比例作为建模参考,对部分展品进行仿真再现。通过材质、灯光赋予模拟出现实展品的效果[4],本项目所使用的VR硬件为HtcVive,我们只需佩戴VR硬件,便可完成对纪念馆的虚拟漫游与交互。

2.交互设计平台场景搭建完成后,赋予相应材质和灯光,导出为Fbx格式,在Unity3D导入Fbx场景文件,并完成相应交互事件设计。本系统平台的整体设计路线是:首先进入场景为纪念馆大门,大门随即自动打开至全开(大约3秒),此时可利用HTCVive手柄完成第一人称视角(摄像机视角)射线瞬移,瞬移至纪念馆前厅位置,随即出现纪念馆自定义的文本信息,几秒过后,文字淡出。此时参观者可移动至展厅内并通过旋转即可参观展厅内墙上的展品。参观者自主决定在一号展厅内参观的时间,当参观完一号展厅,到达一号展厅指定位置,红色指示箭头标注指向二号展厅,参观者此时可利用射线瞬移的方式,直接跳转至二号展厅,二号展厅内展品的玻璃外框默认闪烁,当移至展柜前指定位置时,展品玻璃外框停止闪烁。此时利用HTCVive右手手柄可抓取展品(也可释放)。待参观者将二号展厅内所有展品抓取(交互)完成后(注:参观者可以重复抓取二号展厅内展品,先后顺序由参观者自主选择,但须完成所有展品的抓取,才能进入下一逻辑),摄像机返回至二号展厅指定位置,参观者可以再次参观,也可退出平台。

二、红色文化教育互动平台的系统实现

1.虚拟漫游在纪念馆馆内场景漫游的实现,要运用到SteamVRPlugin组件,并将拖入到assets里,然后从prefabs下将CameraRig拖入。同时在Unity3D中添加名为Movie.cs脚本文件,并将脚本挂载到Main-Camera上,实现场景摄像机随着HTCVive头盔控制左右旋转和前后移动的功能,从而使场景在运行时具有第一人称视觉观察的效果。具体的做法分两步:(1)要实现HTCVive下控制玩家的位置及移动,首先要获取头部Y轴方向的转动,以及头部在x、z轴方向的移动,并将这个信息赋值给这个脚本绑定的对象身上。(2)移动的方向是依据绑定ChildTransform这个脚本的transform信息。这样就能实现,头盔转动控制移动的方向,手柄中的上、下、左、右控制移动的向前、向左、向右、向后移动。这里需要注意的是,Movie.cs脚本中有3个公共变量:Player:需将[CameraRig]赋值给它。

2.抛物线瞬移为尽可能减少VR硬件佩戴者在行走漫游过程中的不适感,在进行纪念馆馆外场景的漫游方式设置时,选用了抛物线瞬移的方法(通过点按HTCVive手柄显示的射线瞬间跳转至抛物线终点端),这里需要运用到ViveNavMesh、ParabolicPointer、ViveTele-porter三个组件。ViveNavMesh组件控制Unity的NavMesh系统到可渲染网格的转换。它还能计算NavMesh的边界,所以当玩家选择传送位置时可以被显示出来。ParabolicPointer组件生成/显示一个指示网格并从ViveNavMesh进行采样。ViveTeleporter组件控制实际传送机制。TeleportVive和ParabolicPointer组件会自动添加一个BorderRenderer组件。这个组件可生成并渲染出显示ViveNavMesh边界的网格和SteamVR游戏区域。接下来需要在Unity中分别配置好对应组件,同时在Unity中烘焙一个导航网格,并通过AreaMask属性选择确定哪些区域是可传送,哪些区域不被传送。在本平台漫游中,确定了可传送路径为通向一号展厅的路面,其中大门、墙面、树、植被等都设置了碰撞器,皆不可被传送。

3.实现抓取在平台应用中,要实现在二号展厅中对玻璃展柜中展品利用手柄抓取物品的交互设计效果,同样需要使用到SteamVRPlugin这个组件,将CameraRig对象拖至该组件中,以便获得HeadLeft和Right,创建Grab.cs脚本,将代码挂载至此组件上,找到Left和选项下可以选择物体,即实现扣动HTCVive手柄扳机可拿起物体,放下扳机键物体坠落效果。在本系统中,手柄抓取动作是否精准是系统能否实现的关键技术,所以,如何精准判断碰撞体的位置是手柄抓取的条件,在程序运行中加入了相对比较成熟的模糊算法,可以帮助手柄精准拾取Object。具体做法是,根据HTCVive实时位置(Unity3D与HTCVive无缝连接,并根据佩戴者所处位置计算为机器赋值参数),本研究以此位置参数作为监听事件依据,来完成逻辑的连接。具体流程如下(见图5-图6):进入虚拟纪念馆前厅,前厅大门打开,纪念馆前牌匾上随即出现纪念馆文字介绍(文字与人声同时出现):“六霍起义是以六安、霍山为中心区域,以农民暴动为主体与民团兵变相结合的一系列武装起义的总称。这次起义创建了红三十二师和皖西革命根据地,为鄂豫皖革命根据地的统一和发展打下了基础。”几秒过后,文字淡出。这里具体的逻辑安排是:(1)首先确定人物(摄像机)与前厅大门产生碰撞,如果碰撞,大门打开;(2)当大门打开,触发牌匾纪念馆文字介绍显示;(3)文字显示一定时间后淡出。具体流程如图7。

4.展柜闪烁为了引发参观者的注意,在平台中将二号展厅中所有展品的玻璃展柜均设置了闪烁效果,当参观者进入场景后,玻璃外框默认开始闪烁。当人物移动至展品展示柜前想要参观该展品时,可利用HTCVive手柄拾取展品,当展品被拾取时,玻璃展示柜外框停止闪烁。这里创建了Playermoves.cs和flicker.cs两个脚本。具体思路是当参观者(摄像机)位置到达二号展厅指定位置,所有展品的玻璃外框都在闪烁,这时,参观者可走近任一展柜前,利用HTCVive手柄拾取展品,当展品被拾取,玻璃展柜停止闪烁,再次扣动扳机并释放展品,展品脱落并复位。具体设计流程如图9。“flicker”的系统代码挂载在玻璃外框上,其效果是当玻璃外框开始闪烁,那么其闪烁的频率为每帧闪烁一次,其具体过程是:1)首先确保将上一个脚本“Playermoves.cs”挂载到摄像机上,开始运行后,代码在固定时间内循环执行,用于记录摄像机的位置,当摄像机位置数值在确定数值范围内,那么可产生碰撞并触发下一逻辑。2)将“flicker.cs”脚本挂载到玻璃外框上,当前一逻辑运行正常即可触发本逻辑运行,如果前一逻辑无法运行,将不会触发本逻辑。效果如图10。本文主要研究基于Unity3D的红色旅游纪念馆仿真设计与应用,通过三维软件再现了红色纪念馆的模型及空间布局,并以动作、特效、语音的行为平台增加了虚拟展览的交互性,完成了虚拟纪念馆展示及交互平台设计。在本设计中,当HTCVive释放物体后,如何实现更为逼真的物体坠落的效果,是一个难题,目前可用的比较常见的方法有两种:一是使用VRTK插件;另一种是利用Unity自带重力通过设置刚体,但是,实验效果都不太理想。因此,如何使获得更为真实的物体坠落的效果,这对编程有一定难度,是笔者今后需要进一步研究的问题。

参考文献:

[3]李春晓,等.基于Unity3D的中国古代农耕虚拟场景智能展示平台[J].农业工程学报,2017,(2):308~314.

[4]郭丹.服装博物馆虚拟展示系统平台研究[D].北京:北京服装学院,2016.

作者:王爱军 李中永 颜世波 单位:安徽国防科技职业学院

VR技术红色文化教育系统设计实现责任编辑:张雨    阅读:人次
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