一種VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統設計與實現

左德遙　高峰

摘? 要： 為彌補當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開發平臺，結合虛擬現實、增強現實關鍵技術，開發出VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統。PC端VR系統實現了沉浸式體驗，手機端AR系統使學生能隨時觀看學習。該系統不僅提高了學生學習興趣，拓展學生新型技術應用視野，也為高校課程思政教學改革提供支持。

關鍵詞： 紅色文化; 虛擬現實; 增強現實; Unity3D; 虛擬仿真

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR），是指運用計算機生成的一種虛擬環境，該虛擬環境能夠給人提供多感官刺激，與人實時交互，從而使人產生強烈的沉浸感。增強現實（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圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。虛擬現實技術憑借其沉浸性、交互性、多感知性、構想性和自主性的特點，充分滿足了現代教育的需求，因此將其融入機械工程類實踐課程、智能制造類實踐教學中，構建虛實結合的多層次教學平臺，滿足工程實踐課程的教學需求[1-2]。AR是把虛擬信息融入現實環境中的一種全新的交互方式。AR具有虛實結合、實時交互、三維注冊這三個基本特征，已經在醫療、教育、工業等方面有了廣泛應用[3-4]。此外，近幾年有不少關于VR技術在具體某個景區或博物館應用的研究[5-6]。2021年恰逢中國共產黨建黨100周年，紅色文化資源內容豐富、形式多樣，研究VR產業如何助力紅色資源開發，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，本文將借助虛擬現實和增強現實技術實現紅色資源的具象化呈現，將紅色資源貫穿到高校實踐課程的教學過程中，構建體驗式教育教學系統，有利于增強教學吸引力，提高學生參與度。

1 紅色文化虛擬仿真教育系統整體設計

1.1 總體思路

我們創作了以長征為主題的紅色文化虛擬仿真教育系統，該系統設計并開發了兩種展示交互系統，具有沉浸式體驗HTC VIVE VR紅色文化虛擬仿真教育系統和便于學生隨時觀看學習的手機App端AR紅色文化虛擬仿真教育系統，具體功能如圖1所示。

1.2 技術路線與系統架構

技術路線與系統架構，主要包括軟件建設部分和硬件支撐部分。第1部分軟件建設部分，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設計等美術資源導入Unity3D引擎完成項目的UI界面搭建、場景設置;最后完成主程序、交互邏輯程序構建，在程序開發過程中還需要導入SteamVR Plugin和VRTK插件完成VR項目的開發，導入Vuforia SDK完成AR項目的開發;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部分共同構成了紅色文化虛擬仿真教育系統VR/AR開發的軟、硬件平臺支撐。

VR紅色文化虛擬仿真教育系統，主要通過主場景設置和VR過草地場景設置完成，運用VRTK插件實現場景漫游和傳送、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，利用移動設備攝像頭獲取現實環境，并將虛擬場景與現實環境疊加融合，主要通過主場景設置和AR場景設置完成，運用Vuforia插件實現二維圖像掃描對應、觸屏控制等功能。

2 VR紅色文化虛擬仿真教育系統開發實現

2.1 系統開發流程

系統分為PC端VR系統和手機APP端AR系統，由于采用Unity3D開發平臺，支持PC端、Web端、APP端的全平臺發布，且AR系統是基于VR系統內容開發，因此，重點以PC端VR系統開發為主闡述，并在第三部分單獨進一步闡述AR系統。

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置的基礎，場景模型包括紅軍戰士、馬、旗幟。主體交互模型是場景預設三種交互道具，包括草鞋、背帶水壺、沖鋒號，觸發后可出現對應的物品簡介和語音介紹。三維模型的建立是后續VR/AR紅色文化虛擬仿真教育系統實現基礎，可基于3ds Max三維建模軟件進行建模，構成紅色文化虛擬仿真教育系統三維模型庫。

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中把低模進行UV的拆分，在3ds Max中將高模拓撲為低模，并在3ds Max中烘焙法線貼圖。第三、可進一步利用Photoshop軟件制作一些貼圖，并將模型和PS中處理后的貼圖進一步導入到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界面設計、VR場景制作

將模型、貼圖、視頻、音頻等資源導入到Unity3D引擎中進行UI界面搭建、場景內容制作、VR交互設計，使用C#腳本編程語言完成VR系統的開發。

⑷ VR系統的打包與發布

將開發調試好的VR系統選擇在PC端平臺發布，生成可直接執行的VR紅色文化虛擬仿真教育系統。

2.2 系統設計及功能實現

2.2.1 主場景設計與實現

主界面設計采用界面特效和UI設計的方式進行設計，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、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、人物簡介等長征紀錄片和革命先烈生平紀要實現媒體播放功能與文字展示功能。UI界面交互使用VRTK實現與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場景設計與實現

VR過草地場景采用Unity Terrain工具繪制出草原及周圍環境，添加合適的貼圖素材進行場景的著色處理，為場景添加合適的天空盒，添加雨點、水霧等粒子效果，制作出雨天動態效果，為地面材質添加水漬效果和動態水紋。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，實現鏡頭動畫的制作。

VR交互漫游具體功能實現如下：在VR環境中，使用VRTK搭建和配置項目環境，添加相應的組件，實現場景的漫游和傳送;移動區域顯示與隱藏實現玩家碰到限定區域，該物體的透明度會增大，顯示區域的顏色，玩家離開限定區域，該物體的透明度變為0，從而會隱藏;VR場景中實現與物體的交互主要包括使用VRTK_InteractTouch組件實現與物體觸碰，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傳送對象設置是指用戶按住圓盤鍵發射射線，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者自定義相應事件處理方法。

3 AR紅色文化虛擬仿真教育系統開發實現

基于手機APP端的AR紅色文化虛擬仿真教育系統主要包括主場景和AR場景，主場景的開發實現與PC端主場景類似，此部分主要闡述AR場景設計與實現。AR場景實現了紅軍過草地、地理環境、長征精神等歷史事件的學習;AR功能包括AR模型展示、AR視頻播放、觸屏交互設計等。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，則出現與識別圖所關聯的模型和視頻。觸屏交互設計，通過添加手指觸屏功能在手機端對模型進行交互操作：單擊實現模型脫卡;雙擊模型實現物品的簡介與語音的介紹;單指滑動實現模型的旋轉;雙指實現模型的放大縮小;長按實現模型的銷毀等功能。

模型旋轉的核心代碼如下：

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是否滑動

{? //單點觸摸，水平上下旋轉

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 系統測試與發布

系統開發完成后，將VR系統發布到PC端生成.exe格式文件，將AR系統發布到安卓端生成.apk文件。用戶只需點擊軟件，就進入了紅色文化虛擬仿真教育系統界面，PC端用戶只需拿著HTC VIVE操控手柄/鼠標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。

經過反復運行測試，系統運行流暢，功能滿足了基本的設計要求。

5 結束語

本文設計與實現了基于Unity3D VR/AR紅色文化的虛擬仿真教育系統。該系統通過三維軟件建模、Unity3D開發平臺、SteamVR Plugin、VRTK插件、Vuforia SDK實現，整理并設計了一套紅色教育課程思政資源庫，打破傳統紅色教育的時空限制，讓學生足不出戶，既學習了專業知識，又體驗了紅色主題教育，教學形式受到學生的普遍歡迎。該系統與專業教學的深度融合，是需要進一步研究的內容。

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