VR垃圾分類科普體驗系統(tǒng)的設計與實現

解銀玲 朱成林

摘要：文章所設計的VR垃圾分類體驗系統(tǒng)，是通過VR虛擬現實技術學習垃圾分類知識科普，并通過情景模擬以游戲的形式體驗垃圾分類，通過知識競答的模式加深記憶，讓體驗者對垃圾分類科普知識更容易理解，印象更深刻。 最終系統(tǒng)發(fā)布在HTC VIVE設備上進行了測試和體驗，軟件操作流暢，性能穩(wěn)定，可以讓體驗者身臨其境地在虛擬世界中體驗垃圾分類。

關鍵詞：虛擬現實；垃圾分類；Unity3D

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）29-0039-03

1 引言

近年來，隨著我國經濟水平的高速發(fā)展，人們的物質消費水平不斷提升，相對應的垃圾產生量也在迅速增長，由于垃圾產生的問題日益突出，推行垃圾分類勢在必行，垃圾分類問題也成為社會熱點問題。垃圾分類在改善生活環(huán)境、促進人們健康、節(jié)約使用資源、促進經濟效益等方面有著重要意義。

傳統(tǒng)的垃圾分類科普，大多采用視頻、廣播、紙張等傳統(tǒng)媒介來普及、宣傳知識，這種方式很難讓用戶真實直接地感受垃圾分類的過程，了解的過程比較枯燥乏味，缺乏情趣和互動性[1]。隨著虛擬現實技術的發(fā)展，VR技術所具有的沉浸性、交互性、多感知等特征，使得其在各個領域的應用越發(fā)普及。將虛擬現實技術應用于垃圾分類宣傳中，能夠讓大眾更加真實直觀地學習垃圾分類知識，戴上VR眼鏡在虛擬的世界中以游戲的方式進行垃圾分類實踐，極大地提高了體驗者的學習興趣，達到寓教于樂的效果，起到很好的宣傳和推廣效果[2]。

2 系統(tǒng)開發(fā)工具介紹

1） 虛擬現實開發(fā)引擎Unity3D

Unity 3D是實時3D互動內容創(chuàng)作和運營平臺，具備所有大型3D游戲引擎的基本功能，用戶可以通過Unity輕松實現各種游戲創(chuàng)意和三維交互開發(fā)[3]， Unity適用于游戲開發(fā)、多平臺交互、虛擬現實、增強現實、仿真、建筑可視化等各行各業(yè)，且具有強大的跨平臺性，開發(fā)者只需要開發(fā)一次，就可以發(fā)布到多個平臺上。同時，Unity也是當前業(yè)界領先的VR/AR內容制作工具，它為制作優(yōu)質的VR應用程序提供了一系列先進的解決方案，并且基于跨平臺的優(yōu)勢，Unity支持市面上絕大多數的硬件平臺，如SteamVR/VIVE、Gear VR、Oculus Rift等。本文中的垃圾分類系統(tǒng)做的交互開發(fā)均是基于Unity完成的。

2） 虛擬現實開發(fā)插件VRTK

VRTK是一款強大的VR開發(fā)工具包，使用VRTK能夠實現VR開發(fā)中大部分的交互效果。如瞬移效果、攀爬效果、指針交互、與物體的接觸、抓取等交互方式，以及通過雙手聯動操作物體等，VRTK支持SteamVR、Oculus、Daydream等多種SDK，它還提供了一個VR模擬器，在沒有VR設備的情況下，通過鼠標鍵盤也可以運行VR場景，為開發(fā)人員調試提供了很大的便利性。基于VRTK不僅能快速地實現豐富的VR交互開發(fā)，同時VRTK免費開源、有豐富的文檔支持、40多個示例場景和活躍的社區(qū)，能幫助開發(fā)者快速順利上手。

3 VR垃圾分類科普體驗系統(tǒng)工作流程

VR垃圾分類系統(tǒng)的開發(fā)符合Unity項目的一般制作流程，主要包括資源準備、資源導入、開發(fā)工具導入、場景搭建、交互開發(fā)、應用程序發(fā)布與測試。

1）資源準備：需要根據需求收集相關的資源素材，包括模型、視頻、材質、圖片等資源，將準備好的資源導入到Unity中進行整合。其中，對于模型的制作一方面可以使用3DMax等建模軟件進行手動建模，另一方面可以使用3D掃描等方式進行現實物體數字化。本系統(tǒng)中采用第一種方式，使用3DMax軟件制作場景模型和各類垃圾等物體模型，同時在建模軟件中完成展UV和材質貼圖制作[4]。

2）將資源和開發(fā)工具包導入Unity。通過將文件直接導入的方式或者通過拖動的方式將資源導入到Unity項目中，對于不同的資源類型，通過創(chuàng)建不同的文件夾進行管理。要實現VR的交互開發(fā)，還需要導入VR開發(fā)工具包，它主要提供了VR開發(fā)的腳本、預制體、材質等，幫助開發(fā)者快速地進行VR應用程序的開發(fā)[5]。本系統(tǒng)是針對HTC VIVE硬件平臺的VR應用，使用SteamVR Plugin和 VRTK開發(fā)工具包進行開發(fā)。

3）場景搭建。場景搭建主要包括模型的擺放、材質的給予、燈光的布置等，主要通過Unity編輯器的Scene面板對游戲對象進行可視化的設置，在Inspector檢視面板對游戲對象的屬性進行設置。

4）交互開發(fā)。VR垃圾分類系統(tǒng)在功能上主要包括垃圾分類知識科普模塊、垃圾分類游戲體驗模塊和垃圾分類知識競答模塊。用戶可以在虛擬世界中通過傳送功能進行位置的瞬移，解決在大的虛擬場景中位移的問題。在交互方式上，系統(tǒng)中主要采用射線和抓取兩種方式，對于UI的控件，如按鈕等的操作使用射線點擊按鈕，而對于垃圾對象則通過抓取操作進行垃圾的拾取和投放。

5）發(fā)布應用程序與測試。基于Unity的跨平臺特性，在Unity編輯器中根據所使用的VR硬件平臺的不同可以將應用程序發(fā)布到不同的系統(tǒng)平臺，如PC平臺、Android平臺、iOS平臺等。本系統(tǒng)中使用HTC VIVE硬件平臺，需要將應用發(fā)布到PC平臺，通過HTC VIVE軟硬件環(huán)境搭建進行系統(tǒng)的測試。

4 VR垃圾分類科普體驗系統(tǒng)實現

本章節(jié)將重點介紹在完成前期資源準備，導入Unity引擎之后主要交互功能的具體實現。

1） 垃圾分類知識科普

垃圾分類知識科普主要以視頻的形式體現，在Unity中使用視頻，需要導入視頻剪輯并使用視頻播放器組件進行配置（圖1）。使用視頻播放器組件（Video Player）可以將視頻文件附加到游戲對象上，并將視頻拖入到Video Clip屬性中作為視頻源文件。在腳本中分別添加播放按鈕點擊事件函數和暫停按鈕點擊事件函數，在兩個事件函數中分別調用VideoPlayer類中的Play（）方法和Pause（）方法來播放視頻和暫停視頻。

VRTK與UI的交互方式主要有：指針交互、手柄交互和指針手柄配合交互三種方式，指針交互適合遠距離的交互，手柄交互適合于近距離交互，對于垃圾分類知識科普，采用指針交互的方式，類似于激光筆，通過指針點擊視頻的播放和暫停按鈕。要實現基于指針的交互方式，需要為控制器對象上添加VRTK_UI Pointer組件，為承載UI控件的畫布對象Canvas添加VRTK_UI Canvas組件，當手柄發(fā)射指針選中播放按鈕時調用播放事件函數，垃圾分類視頻進行播放，當選中暫停按鈕時則調用暫停的事件函數停止視頻播放。

2） 垃圾分類知識競答系統(tǒng)

通過競答系統(tǒng)可以檢驗用戶對垃圾分類知識了解的情況，有針對性地進行查漏補缺，通過正確統(tǒng)計和獎勵機制激發(fā)體驗者的學習積極性（圖2）。用戶在進行答題體驗時，帶上HTC VIVE頭顯設備，通過手柄按下Trigger鍵發(fā)射射線選擇答案選項，根據用戶的選擇跟題庫正確答案比對，顯示答題結果，并且可以通過按鈕切換下一題。答題結束會有正確率的統(tǒng)計計算和排行榜顯示。

垃圾分類知識競答系統(tǒng)在實現上主要包括UI界面設計制作和交互代碼實現兩部分。

UI界面主要使用Unity自帶的UGUI系統(tǒng)進行用戶界面開發(fā)，使用UGUI系統(tǒng)離不開Canvas組件，所有的 UI 元素，要么自己包含 Canvas 組件，要么是 Canvas 組件所在 GameObject 的子節(jié)點。對于Canvas 組件來說，最重要的參數是渲染模式RenderMode 參數，在VR應用開發(fā)中，大多使用World Space渲染模式，此種模式下，Canvas 與場景中其他3D元素沒有區(qū)別，相當于GameObject，可以進行旋轉，移動等操作。UGUI系統(tǒng)中包括多種UI控件，如顯示文本內容的Text控件、可以點擊的Button按鈕控件等。

在垃圾分類題目類別上均為單選題，UI制作使用 UGUI的Toggle控件，四個選項分別對應四個Toggle控件，然后創(chuàng)建Toggle Group ，將四個選項設置為同一個Toggle Group，從而實現答題的單選功能。

垃圾分類知識競答系統(tǒng)實現流程：

將垃圾分類題目錄入文檔中，將生成的題庫文檔保存到項目工程中。題庫文檔格式如下：

世界環(huán)境日是幾月幾日？（A、 6月5日 ：B、6月6日：C、6月7日 ：D、6月8日）（冒號分開選項和題目，答案在最后）。

②從本地題庫中讀取題目存放TextAssert對象中，將TextAssert對象內容逐行讀取到二維數組中，按冒號分隔。

③加載題目并顯示在UI界面上，當顯示到最后一題時顯示“已經是最后一題了”。

④判斷題目對錯。當用戶操作選擇某個選項時，將選擇的答案和題目答案進行比較，若相同則顯示“恭喜你，答對了！”，否則，提示“對不起，答錯了，正確答案是：”。

3） 垃圾拾取與投放，積分系統(tǒng)

在垃圾分類小游戲體驗系統(tǒng)中，最關鍵的交互就是垃圾的拾取（圖3）。基于VRTK插件實現物體的抓取，需要對手柄控制器和交互物體分別進行配置。手柄控制器需要添加VRTK_Interact Touch、VRTK_Interact Grab組件；而對于交互物體垃圾對象來說，需要添加Collider組件防止垃圾穿模，添加Rigidbody組件使其受重力影響自由下落，然后通過快速設置配置窗口的方式為垃圾對象添加VR交互組件。至此，就可以實現通過手柄控制器對垃圾模型進行抓取操作，被抓取的垃圾模型將作為控制器的子物體，隨著控制器一起移動。

對于垃圾桶對象，同樣需要為其添加碰撞器組件，通過動畫編輯窗口為其添加打開和關閉動畫，當射線點擊垃圾桶蓋的時候，觸發(fā)垃圾桶蓋的打開或關閉。系統(tǒng)中對垃圾分類的結果判斷主要使用觸發(fā)器和標簽判斷來實現，為垃圾對象添加Box Collider組件，并勾選is Trigger，將其設置為觸發(fā)器，按照可回收垃圾、不可回收垃圾、有害垃圾，廚余垃圾，分別給每個垃圾添加Tag標簽進行分類。為垃圾對象添加腳本，當垃圾進入垃圾桶時，在垃圾的OnTriggerEnter事件函數中通過標簽tag判斷垃圾和垃圾桶是否匹配，垃圾是否分類成功，如果垃圾的tag和垃圾桶匹配，垃圾投放成功加20分，反之則減10分。當積分累計達到100分時，垃圾分類游戲闖關成功。

4） 應用發(fā)布與測試

在VR垃圾體驗系統(tǒng)的最后階段需要將Unity中的項目導出發(fā)布，然后使用HTC VIVE設備進行測試，此時需要安裝相應的軟硬件環(huán)境，軟件環(huán)境主要包括SteamVR客戶端，在初始安裝完畢后，需要對控制器進行配對，然后對VIVE硬件進行房型設置，HTC VIVE提供了兩種體驗模式：房間規(guī)模和僅站立。本系統(tǒng)中用戶在進行垃圾分類體驗時需要進行位移，采用房間規(guī)模的體驗模式，用手柄控制器劃定一個可移動的區(qū)域，體驗者在該區(qū)域內可以自由移動進行垃圾的拾取和投放。

5 總結

垃圾分類作為環(huán)境保護的重要環(huán)節(jié)，將會越來越受到社會的關注，通過VR設備體驗垃圾分類科普體驗將會作為一種全新的學習垃圾分類科普體驗的方式，它打破了傳統(tǒng)以圖片、文字、視頻等教學的方式，以游戲的形式進行垃圾處理學習，這種寓教于樂的方法不僅適用于成年人，也適用于孩子。VR技術在垃圾分類科普知識的宣傳和推廣中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 吳婧予.VR技術在垃圾分類宣傳教育中的應用實踐[J].科技與創(chuàng)新，2020（24）：157-158.

[2] 曹昕昕，李小紅，董保蓮，等.基于Android的垃圾分類App的設計與實現[J].數字技術與應用，2022，40（4）：152-154.

[3] 李勝男，王硯，王茂慧.Unity & VR游戲美術設計實戰(zhàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[4] 馮啟榮，劉螢.基于Unity3D引擎的科普交互游戲設計與實現[J].信息與電腦（理論版），2021，33（2）：114-116.

[5] 蔡鑫穎.“互聯網+”垃圾智能分類模式在社區(qū)中的應用分析[J].產業(yè)創(chuàng)新研究，2021（20）：40-42.

【通聯編輯：聞翔軍】