VR虛擬科技館系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：虛擬科技館的出現(xiàn)，一定程度上解決了實體科技館數(shù)量少、城鄉(xiāng)分布差異大、開放時間有限等問題。本文簡要的介紹了VR虛擬科技館的概要，然后分析了構(gòu)建VR虛擬科技館的理論基礎(chǔ)，然后從場景設(shè)計、動畫制作以及交互功能方面完成了VR虛擬科技館的設(shè)計，并邀請用戶進行了體驗。

　　本文源自科學(xué)與技術(shù)【2020年第23期】《科學(xué)與技術(shù)》雜志是經(jīng)國家新聞出版總署批準，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主管，新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主辦的學(xué)術(shù)性期刊。《科學(xué)與技術(shù)》雜志欄目內(nèi)容：主要刊登數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物化學(xué)、自然科學(xué)、工業(yè)科學(xué)、工業(yè)技術(shù)、土木建筑、電氣技術(shù)、電子電信、計算機技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、水利水電、道路橋梁、科學(xué)管理、科學(xué)教學(xué)等學(xué)科的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究方面的科研論文、具有學(xué)術(shù)深度的述評文章。

　　關(guān)鍵詞：科技館;虛擬科技館;虛擬現(xiàn)實

　　一、虛擬科技館的概要與系統(tǒng)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

　　1.VR的概念和特點

　　VR即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是一種集成了計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)的一類人機交互形式，目前來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是最高級別的多媒體展示技術(shù)，其包含了傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能和心理學(xué)等諸多尖端科技。

　　虛擬現(xiàn)實最突出的特點是沉浸性、交互型與構(gòu)想性。沉浸性主要體現(xiàn)在它可以使用戶在虛擬世界中獲得極高的真實感;交互性主要是指用戶可以對虛擬世界中的物品進行操作;構(gòu)想性主要是指用戶可以在虛擬現(xiàn)實的體驗過程中通過在虛擬世界中獲取的信息，進行自主的思考和選擇，進而突破障礙，完成既定任務(wù)。

　　2.虛擬科技館構(gòu)建理論—情境學(xué)習(xí)理論

　　通常情況下，人的特定認知與行為是相對特定的情境而言的，環(huán)境因素會對此產(chǎn)生直接的影響。情境學(xué)習(xí)理論的研究重點在于學(xué)習(xí)者與情境之間的互動，認為人的認知都是以特定的社會情境為基礎(chǔ)的，并認為情境化是形成新的認知的前提條件。同時，該理論還認為行為與認知是相輔相成的，無法撇開其中任何一方去談另外一方。VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以通過現(xiàn)代科技突破環(huán)境與空間的約束，營造出非常接近真實世界的交互情境。在VR虛擬科技館的設(shè)計方案中，設(shè)計者需要注意強化虛擬情境與科普知識的融合，以提高虛擬科技館的教育價值。

　　3.虛擬科技館構(gòu)建理論—具身認知理論

　　具身認知強調(diào)人的心理感受和生理體驗之間具有存在著密切的聯(lián)系，并認為人的認知是基于環(huán)境因素和人本身綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果。同時，認知作為一種心理過程，是通過身體的特定的行為來實現(xiàn)的，因此認知可以理解為是人參與到環(huán)境中特定活動中剝離出來的主觀經(jīng)驗總結(jié)。在VR科技館中，虛擬的交互是通過VR顯示儀器與操作手柄來共同實現(xiàn)的，學(xué)習(xí)者可以借助虛擬視覺設(shè)備從而進入到特定的虛擬情境中去，然后會產(chǎn)生強烈的沉浸式情境體驗。另一方面，操作手柄可以通過振動觸感實現(xiàn)人與情境的認知交互。人與環(huán)境的交互體驗?zāi)軌蛴行岣邔W(xué)習(xí)的效率和質(zhì)量，將那些抽象和復(fù)雜的知識植入到虛擬情境中，然后通過身體與情境的交互，能夠提高人對知識的接納和理解效果。

　　二、虛擬科技館的設(shè)計概述

　　1.構(gòu)成模塊設(shè)計

　　綜合實體科技館與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，本文采用科技館大廳、動物世界、地心探索、地震體驗以及視覺認知等五個子模塊，如下圖1所示。

　　圖 1 虛擬博物館模塊構(gòu)成

　　本文采用Unity 3D VR引擎來實現(xiàn)顯示功能，操作功能與信息的交互則通過VR手柄來實現(xiàn)。

　　2.展廳場景設(shè)計

　　通過發(fā)揮VR技術(shù)構(gòu)想性特征，將現(xiàn)實中受客觀條件限制而無法實現(xiàn)的內(nèi)容設(shè)計在VR虛擬空間中，能夠營造出更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如，體驗者可以通過“乘坐”下降的電梯，體驗地下煤礦的開采環(huán)境，身臨其境的學(xué)習(xí)煤礦開采相關(guān)知識，如下圖2所示。

　　圖 2 地心探索館乘坐地下電梯

　　本設(shè)計通過VR技術(shù)模擬了原始的自然環(huán)境，極大了增加了體驗者的真實感。如下圖3所示：

　　圖 3 動物世界館

　　3.交互導(dǎo)覽設(shè)計

　　虛擬科技館中的情境引導(dǎo)主要包括指示牌、虛擬地圖設(shè)計、智能尋路以及行走設(shè)計等。交互式導(dǎo)覽平臺的設(shè)計與實現(xiàn)是VR虛擬技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到VR沉浸式體驗的效果。交互式的沉浸性體驗最大的特點就是能夠引導(dǎo)體驗者從被動式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動探索，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的黏度，并有助于體驗者創(chuàng)新能力和想象力的激發(fā)。如下圖4所示的地震體驗館，體驗者在穿戴VR設(shè)備后，系統(tǒng)會進行震感的模擬，并同步提示體驗者按照地面標識的路線躲避在墻腳等安全性相對較高的位置。

　　圖 4 地震體驗館訓(xùn)練模式

　　4.場館教學(xué)設(shè)計

　　無論是實體科技館還是虛擬科技館，其初衷都是為了科普知識，教育大眾。因此，在虛擬科技館的設(shè)計中，教育的植入尤為重要。在虛擬科技館的設(shè)計中，可以將問題植入到虛擬任務(wù)關(guān)卡中，引導(dǎo)體驗者積極的思考和尋找答案，完成問題才能進入到后道關(guān)卡。如下圖5所示的地心探索主題館，系統(tǒng)將目標問題懸浮在虛擬場景中，體驗者可以通過操作手柄進行作答，增強了學(xué)習(xí)的體驗感。

　　圖5地心探索館答題界面

　　三、虛擬科技館的開發(fā)

　　選取Unity 3D作為虛擬科技館的開發(fā)平臺，開發(fā)語言選擇C#，開發(fā)軟件選擇3dMax，同時結(jié)合SteamVR、VRTK等插件，完成虛擬科技館的虛擬情境構(gòu)建和人機交互功能。電氣硬件則選擇HTC VIVE，具體的系統(tǒng)研發(fā)流程如下：

　　1.構(gòu)建場景

　　導(dǎo)入模型

　　首先創(chuàng)建一個Unity工程，然后導(dǎo)入3dMax中的模型，同時選中Assets文件夾中的import newAsset文件和導(dǎo)入的模型，即可在Project窗口中預(yù)覽模型。

　　(2)創(chuàng)建場景

　　在上文新增的Unity工程中添加新的場景，使用Scene編輯器處理導(dǎo)入的資源并完成模型的編輯，添加模型的物理屬性。例如，在地震體驗館(如下圖6)中設(shè)置硬性物體，以增加模擬地震時的真實感。

　　圖 6 地震體驗館地震模擬

　　2.設(shè)置動畫

　　3ds Max Unity中的Animation組件一般用來控制單個動畫的播放，Animator組件則用來控制多個動畫的輪播。

　　(1)在Unity中創(chuàng)建Animation動畫

　　將Animation組件植入模型中，并進行動畫賦值，勾選Play Automatically即可實現(xiàn)動畫自動播放。

　　(2)Unity 中創(chuàng)建 Animator 動畫

　　在模型上添加 Animator組件，在Project 面板中創(chuàng)建 Animator Controller， 將 Animator Controller賦值給到Animator 組件。接著選中 Animator Controller文件，點擊Open即打開控制器，在 Animator Controller 中創(chuàng)建一個新狀態(tài)，為其指定一個動作，添加動畫，并設(shè)置按箭頭控制動畫的流向，添加觸發(fā)的事件。完成上面的設(shè)置后，即可通過代碼控制動畫狀態(tài)的切換。

　　3.交互的實現(xiàn)

　　場館漫游的實現(xiàn)

　　將SteamVR與VRTK 插件植入到Unity 3D編輯平臺中，完成VR場景的構(gòu)建，然后使用SteamVR和VRTK代替舊版場景中的Main Camera，再將 “CameraRig”應(yīng)用到場景中，即可完成VRTK設(shè)置。

　　(2)觸摸抓取的實現(xiàn)

　　通過HTC Vive手柄與虛擬場景中的物體接觸來完成觸摸、跨越、撿拾等操作。需要注意的是，“VRTK_Interact Grab”和“VRTK_Interact Touch”腳本需要預(yù)先植入手柄控制器中，撿拾功能可以設(shè)置在“Grab Button”下拉菜單中。

　　(3)UI點擊的實現(xiàn)

　　此處UI點擊的實現(xiàn)是通過扣動手柄上的扳機來實現(xiàn)的，瞄準則通過手柄上發(fā)射的射線與Unity 3D中的Canvas的碰撞檢測來完成。

　　4.產(chǎn)品調(diào)試與輸出

　　系統(tǒng)配置完成后在Game窗口下運行，按照一定順序測試所有功能;然后，在Console窗口下檢查是否有錯誤信息輸出;最后，在Unity 3D編輯器中點擊“File/BuildSetting”，并添加不同場景，使用PCStandalone平臺輸出。

　　四、試用評價

　　整個VR系統(tǒng)測試完成后，隨機邀請了部分觀眾進行了體驗。在沉浸性方面，體驗者表示沉浸效果較好，真實感很強;在人與情景的交互方面，體驗者認為此VR系統(tǒng)交互較為簡單，交互的模式與實際較為接近，體驗感十足;在教育性方面，體驗者表示虛擬科技館的教育是一種與實體科技館完全不同的模式，很喜歡這種親身經(jīng)歷的教育模式;滿意度方面，VR虛擬科技館在參與體驗的觀眾中反響較好。

　　參考文獻：

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