基于Unity的全景微課虛擬演播室的實現研究

楊芬紅

摘要：為滿足沉浸式多場景觀看需求，該研究在Unity開發平臺基礎上，探索全景微課的實現方法，前期收集和準備全景微課素材，并使用材質紋理和光照烘焙增強虛擬演播室的真實性，接下來使用Unity的Prefabs預制體、交互技術、VideoPlayer組件等關鍵技術，設置微課視頻交互和菜單界面交互，創建基于Unity的全景微課虛擬演播室。全景微課能模擬真實的學習場景，提供沉浸式、交互式和個性化的學習體驗，在教育培訓和展覽展示等多個領域發揮重要作用。

關鍵詞：全景微課；虛擬演播室；多場景

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0124-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

全景微課是一種利用VR技術制作的在線學習平臺，它將全景VR技術與微課視頻相結合，通過360度全景視角展示多個微課影像，為學生提供沉浸式的虛擬學習場景。學生可以通過智能手機或電腦瀏覽器等設備來學習微課內容，感受到仿佛身臨其境的學習體驗，增強學生的學習興趣，提高學習效率。此外，全景微課還可以提供交互式學習功能，進一步增強學習的互動性和參與度。

Unity是一款3D實時交互內容創作平臺，是創建全景微課虛擬演播室的主要軟件，包括以下幾個應用：

1） 場景展示：利用Unity的場景編輯功能，可以創建逼真的虛擬環境。在Unity中創建或導入場景模型，并將其放置到虛擬環境中，通過材質紋理技術和光照烘焙技術模擬真實學習環境。

2） 交互功能添加：Unity提供了豐富的交互功能，可以為全景微課添加互動元素，通過Unity的腳本編程，實現點擊觸發、信息展示、提問答題等功能，使學生能夠主動參與學習，增強學習的互動性和參與度。

3） 虛擬導航：利用Unity的菜單功能，可以為全景微課添加導航元素，使學生能夠在虛擬環境中進行自由導航。這樣學生可以根據自己的興趣和需求選擇學習的路徑，更好地探索學習內容。

Unity在三維交互創作中具有強大的功能，同時也具有易用性和實時性特點，通過虛擬環境的創建和交互功能的添加，增強學生的學習體驗和參與度，為創建全景微課虛擬演播室提供了一個很好的平臺[1]。

1 關鍵技術

使用Unity實現全景微課虛擬演播室需要使用三個關鍵技術，包括Prefabs預制體、交互技術、VideoPlayer組件[2]，下面是關鍵技術的介紹。

1.1 Prefabs預制體

在Unity中，Prefabs預制體是一種用于復用游戲對象Game Objects的資源。它們是將一個或多個游戲對象及其組件的層次結構保存為一個單獨的文件，可以在場景中多次實例化和使用。Prefabs預制體具有繼承和變體、可視化編輯的優勢，為對象復用和嵌套、修改和維護帶來便利，使用Prefabs能高效地管理和修改游戲對象，并減少代碼復制和冗余，有利于進行團隊協作開發，提升創建全景微課虛擬演播室效率。

1.2 交互技術

交互技術是指通過用戶與系統之間的互動，實現信息傳遞、操作控制和反饋交流的技術。在計算機科學和人機交互領域，交互技術是構建良好用戶體驗和方便用戶控制系統運行的關鍵。Unity常見的交互技術包括輸入管理、物體捕捉和碰撞檢測、UI交互、觸控和手勢識別、VR/AR交互、移動設備交互等，實現全景微課虛擬演播室所需用的包括以下兩個交互技術：

1） 輸入管理：Unity提供了強大的輸入管理系統，可以通過檢測鼠標、鍵盤、觸摸屏等輸入設備的輸入來實現用戶交互，為輸入設備的按鍵、點擊、拖動等操作編寫交互代碼，來控制游戲對象的行為。

2） UI交互：Unity的UI系統可用于創建與用戶交互的系統界面，可以添加按鈕、滑塊、輸入框等UI元素，通過編寫代碼來實現觸發事件，響應用戶的交互操作，方便實現菜單界面、按鈕控制等交互功能。

1.3 VideoPlayer組件

VideoPlayer組件是Unity提供的用于播放視頻的組件，它內置了基本的視頻控制和渲染功能，可以實現在虛擬場景中播放視頻的需求。VideoPlayer組件可以播放大多數常見的視頻格式，它也提供了渲染視頻的功能，可以選擇在場景中的指定位置進行渲染，或者將視頻作為紋理應用到3D模型上。VideoPlayer組件提供了許多可用于處理播放事件的回調函數，通過編寫代碼在視頻播放過程中觸發自定義的邏輯。VideoPlayer組件還可以與Unity的UI系統結合使用，通過創建UI控件來控制視頻的播放，建立自定義的播放器控制界面。使用VideoPlayer組件，可以在Unity中實現全景微課視頻播放功能，并可以使用交互技術實現視頻播放控制。

2 實現過程

創建全景微課虛擬演播室主要軟件是Unity，另外還需一些輔助軟件如 Substance Designer、Substance Sample、Adobe Photoshop等，用來對紋理、材質和圖片進行處理。在全景微課實現過程中，Unity需要安裝Modern UI Pack、ArtWorks和SketchfabForUnity等插件[3]，下面介紹詳細實現過程。

2.1 準備素材視頻

首先需要收集和準備全景微課素材，包括室內模型，圖片紋理和7個以上微課視頻。在Unity中創建一個新的項目，然后將準備好的素材導入Unity項目中。這里使用通用渲染管線URP創建項目，它是Unity中一種可配置的渲染管線，能方便配置和優化Unity項目的渲染流程，并獲得出色的視覺效果和性能。

2.2 真實化室內環境

Unity采用材質紋理技術對虛擬演播室進行真實化處理，下面是材質、紋理這兩個概念的介紹。

1） 材質（Material） 是指定義了一個物體的外觀和其他視覺屬性的集合。它可以包括顏色、光照、透明度、反射等信息，用于描述物體在光照和渲染過程中的行為。在Unity中，材質是一個可以被應用到3D模型上的資源，用于決定模型的渲染效果。

2） 紋理（Texture） 是一種2D圖像或圖案，用于模擬或增強3D模型的外觀。它可以用來表現物體的表面細節、顏色、光照和其他視覺特征。紋理通常包含在一個圖像文件中，如PNG或JPEG，并且在游戲中被應用在材質上，用于模擬真實世界中的物體。

虛擬演播室墻面使用Substance Designer紋理創作軟件進行紋理制作，然后導入到Unity，把制作好的紋理圖片賦予墻面材質，如果發現效果不是很理想，可以在屬性窗口調整紋理的各項參數，使墻面呈現比較真實自然的效果。另外使用Substance Sample軟件制作虛擬演播室地板紋理，這款軟件能使用任意的照片，采用人工智能技術，能迅速制作出細節豐富的紋理，在軟件中導入一張地板照片，結合智能創建，參數設置，制作一個理想的地板紋理，然后把制作完成的地板紋理導出到Unity中，并將它賦予地面材質，結合屬性設置，完成室內地板制作。

2.3 烘焙光照貼圖

烘焙光照貼圖（Baked Lightmaps） 是一種在Unity中實現高質量光照效果的技術。它通過預計算光照信息，并將結果保存在紋理貼圖中，然后將該貼圖應用到模型上，以實現模型的真實感和細節。在全景微課的虛擬演播室創建中，烘焙光照貼圖的過程如下：

1） 首先需要設置場景中的平行光（Directional Light） 的光照方向，根據實際需求調整到合適位置。

2） 將游戲對象標記為Contribute GI靜態類型，方便后續的烘焙光照。

3） 在Lighting屬性窗口中設置參數，在Scene選項中將Lighting Mode設置為Baked Indirect，然后根據設備的性能和具體需求分別設置參數，設置完成后按Generate Lighting按鈕，等待幾分鐘，光照貼圖已經加載到演播室天花板，墻面和地板等材質上，完成烘焙過程。

4） 為了呈現真實的光照效果，可以為場景添加面光源（Area Light） ，呈現漫反射光照效果。

烘焙光照貼圖的優點是可以在運行時快速呈現高品質的光照效果，減少了實時計算光照的開銷，烘焙光照貼圖是Unity中實現高質量光照效果的重要技術。但它也有限制，由于是預計算的結果，燈光移動或場景改變時，需要重新烘焙光照貼圖。

2.4 設置微課視頻及交互

1） 創建微課視頻

首先在場景中創建一個Plane，設置大小和位置，放置在墻面適當位置，將微課視頻拖放到Plane上，查看Plane屬性窗口，會發現系統自動增加了一個VideoPlayer組件，微課視頻已被添加到VideoPlayer視頻播放器組件中。為了避免在視頻播放時受光照影響，可以創建一個材質賦予Plane，材質的著色器設置為URP下的Unlit，貼圖通道自動改為Baseup，并設置VideoPlayer組件材質屬性為相同的Baseup，運行后可以查看微課視頻播放狀態。用相同的方法在墻面上再添加6個微課視頻，使微課視頻排列在適當位置。

2） 控制視頻播放

為了方便師生觀看微課，需要在微課視頻下方添加播放停止按鈕，控制微課視頻播放，然后添加腳本實現以下功能，如表1所示[4]。

全景微課視頻播放/停止狀態如圖1所示，中間墻面的微課視頻是停止播放時的狀態，左右墻面的微課視頻是正在播放時的狀態。

2.5 創建導航菜單及交互

1） 導航菜單結構

前期通過個別訪談調研全景微課播放需求，結合全景微課具體應用情景，設計導航菜單結構，包括三個部分，分別為微課布局、微課播放、場館導航，結構如表2所示：

2） 創建菜單界面

全景微課菜單外觀創建使用Modern UI Pack插件，它是一款為Unity開發者提供的插件，這個插件通常包含一系列預制的UI元素和組件，如按鈕、滑塊、文本框、下拉菜單等，以及現代風格的UI模板和圖標。全景微課菜單基礎界面使用Modern UI Pack的Windows Manager組件創建，Windows Manager組件能方便地創建菜單界面，不添加腳本就能實現不同窗口的切換，也可以根據需求添加其他Modern UI Pack組件。

首先在場景窗口創建能承載菜單的Canvas，在屬性窗口中調整Canvas的大小和位置，然后添加Windows Manager組件，默認三個按鈕三個窗口，接下來設置按鈕的名稱，在窗口中添加具體內容。由于Windows Manager組件對中文支持不理想，這些窗口內容預先使用PS軟件做成圖片形式，然后導入窗口組件中。最后在菜單右上角添加停止按鈕，完成菜單界面創建，如圖2所示。

3） 創建菜單交互

菜單交互需要實現以下三個功能，功能一：在規定的距離內顯示導航菜單；功能二：單擊關閉按鈕或超出規定距離隱藏導航菜單；功能三：菜單始終顯示在觀察者前方固定位置，菜單跟隨觀察者旋轉，使菜單始終朝向觀察者。交互控制的功能名稱及關鍵代碼如表3所示。

2.6 導出項目

完成全景微課制作后，可以通過Unity的Build功能將微課導出為可執行程序或Web內容，以供用戶使用和瀏覽。可以選擇編譯到不同平臺，如Windows、Mac、iOS或Android等。

3 應用情景

全景微課能模擬真實的演播室環境，通過交互技術控制播放多個微課視頻，讓學習者能同時進行多場景觀看，因此全景微課具有豐富的應用情景，下面是常見幾個應用[5]。

3.1 在線學習平臺

全景微課是很好的在線學習平臺，教師可以在虛擬演播室上傳多個微課視頻，根據自身不同水平和能力，讓學生選擇不同的微課進行學習，提高學習的個性化和自主性。

3.2 方案演示

設計、營銷等領域可以利用全景微課虛擬演播室同時播放多個方案演示，讓客戶比較不同的選項，提供更全面的決策依據。

3.3 項目管理

企業可以利用全景微課虛擬演播室同時播放多個項目的進展情況和管理內容，方便管理人員全面了解各個項目的情況，提高項目管理效率。

3.4 場館展覽

博物館、展覽等場所可以利用全景微課虛擬演播室同時播放多個視頻，讓觀眾可以同時瀏覽多個展覽內容，豐富觀展體驗。

3.5 多學科交叉

利用全景微課虛擬演播室同時播放多個微課程，可以實現不同學科之間的交叉和綜合，促進知識和思維的融合，讓學生在跨學科的背景中進行綜合學習和思考。

3.6 多媒體交互展示

利用全景微課虛擬演播室同時播放多個微課，結合音頻、視頻、圖像等多媒體元素，提供更豐富的展示效果，增強參與感和記憶效果。

3.7 創作展示

創意、設計等行業可以利用全景微課虛擬演播室同時播放多個作品展示，讓觀眾可以同時欣賞多個角度和風格的創作，促進藝術交流和創新思維。

除上述應用情景之外，全景微課還可以應用在企業培訓、語言學習、多人協同工作、多時區教學、多元化體驗活動、多職業模擬實踐、多元化演藝、模擬訓練等領域，應用非常廣泛。

4 總結及展望

基于Unity的全景微課制作在教育培訓和展覽展示等多個領域具有廣闊的應用前景。接下來可以進一步發展和改進全景微課制作技術，包括以下幾個方面：

4.1 增加互動性

進一步提升微課的互動性，探索更多的交互方式，如手勢識別、虛擬現實設備等，讓學習者能夠更直觀地參與其中。

4.2 增加場景個性化定制

提供更多的場景個性化定制選項，例如增加可調整的燈光效果、天氣和季節變化等，使得微課更加豐富多樣。

4.3 引入多媒體元素

除了音頻和文字，可以進一步引入多媒體元素，如視頻片段、3D模型、虛擬現實互動元素等，為學習者提供更立體和多樣的學習內容。

4.4 支持多平臺

進一步擴展支持的平臺，包括移動設備、虛擬現實設備等，使學習者可以根據自己的喜好和需求選擇合適的平臺進行學習。

基于Unity的全景微課制作在教育和培訓領域具有巨大潛力，未來可以通過不斷創新和改進，為學習者提供更豐富、生動和個性化的學習體驗。

參考文獻：

[1] 朱天玉.高校思政課VR場館教學平臺建設的思考[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2023，22（2）：68-72.

[2] 陳龍，房琛琛，黃鑫.問題導向及虛擬仿真模式下大學計算機實驗教學案例設計與探索[J].工業和信息化教育，2023（5）：90-94.

[3] 王建秀，劉琦，周潔，等.基礎地質實習：實驗一體化虛擬仿真教學系統設計與實現[J].科教文匯，2023（20）：81-84.

[4] 陳星宇.沉浸式交互設計在虛擬現實技術中的應用研究[J].軟件，2023，44（9）：95-97.

[5] 葉劍青.虛擬現實技術在展館設計中的創新及應用[J].商展經濟，2023（20）：11-13.

【通聯編輯：謝媛媛】