基于VR技术的长征体验系统

黄军，高雪，刘越，林雪莹

(1.北京理工大学 光电学院，北京 100081；2.中国传媒大学 计算机学院，北京 100024)

1 引言

VR(Virtual Reality)即虚拟现实，它是指以计算机技术为核心，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面近似的数字化环境。用户借助必要的装备与其进行交互，可获得如临其境的感受和体验[20]。2016年是VR大热的一年，在各大厂商与互联网公司的助推下，VR被广泛应用于教育、医疗、娱乐等多个行业，同样它也进入了博物馆数字化的议程中。沉浸性(Immersion)是其基本特征之一，通过模拟视觉、听觉和触觉等多种感官体验，用户可以高度沉浸于虚拟环境中。

长征是人类历史上的伟大奇迹，是中国革命史上的伟大壮举。1934年10月，中央主力红军退出中央根据地进行长征。在敌人的围追堵截下，红军不畏强敌，英勇奋斗，爬雪山、过草地，总行程约二万五千里。1936年10月红军三大主力会师，宣告着长征的胜利结束。“金沙水拍云崖暖，大渡桥横铁索寒”，毛主席的诗便是路途艰辛的真实写照。红军在长征途中表现出的：不怕牺牲、前赴后继、勇往直前、坚韧不拔、众志成城、团结互助、百折不挠、克服困难、忠诚爱国构成了我们伟大的长征精神。这种精神是人类精神发展史上一座靓丽的灯塔，是中华民族精神的典范。是我们党和国家伟大的精神财富。现在的长征主题教育多见于课本形式，老师用文字或者图片资料向学生讲述当年的历史，学生从中学习长征、体会长征精神。爬雪山、过草地……长征路途的种种困难，坐在课堂里的学生往往很难想象。仅仅依靠老师的讲授很难让学生认可思想政治课的内容，大部分学生只是把它当作一个考点。而通过观看博物馆中的展品，辅以影视资料，再利用VR技术，可以让学生如临其境的体验长征的情景，切身感受当时环境的险恶，与红军战士一起经历困难险阻，深刻地理解伟大的长征精神。

2 VR技术在博物馆互动体验中的应用现状

社会的发展伴随着人们日益增长的文化需求，博物馆作为艺术文化的殿堂，是人们获取文化知识的重要场所。博物馆的重要职能之一便是教育。传统的博物馆多以实物展示的方式，将藏品陈列在展厅之上，纵人观览。但就教育职能来说，这种陈列方式略显不足。首先，展品旁的文字介绍限于篇幅，难以让观者了解到其中所蕴含的历史文化价值。很多观赏者只是疲于拍照，走马观花，流于表面，而没有真正的去认识、感受一件文物，去发掘、体会其中的内涵。其次，静态的文物难以让观者感受到其中的精神文化价值。查阅资料可以让我们了解这些文物背后的历史事件，想象出当时的人与物，但是很难有切身的体会。借助于VR技术有望改善这一点。

目前的VR技术多以如下两种形式应用于博物馆互动体验中：

第一，在博物馆原有的实体展览的基础上，引入VR技术作为辅助，对部分内容或者历史故事进行数字化呈现。如首都博物馆展出的《王后·母亲·女将——纪念殷墟妇好墓考古发掘四十周年特展》，参观者只要戴上眼镜，就能“穿越”到妇好墓的虚拟挖掘现场，体验妇好墓的考古过程中，近距离观看墓内摆放的文物。通过这种方式，文物背后的故事直接通过影像呈现给观者，静态的文物重新变得鲜活起来。VR带来的强烈的视觉和听觉刺激能够让观者更加贴近展品，更加深刻的认识文物，感受文物的气息。但是，这种方式只是把VR当作辅助工具，传统方式与新兴技术并没有真正结合起来，观者容易被新鲜事物吸引而忘记了展览本身的意义，本末倒置。

第二，利用博物馆场馆和文物的三维模型，建立数字化的虚拟博物馆，用户戴上VR头盔，足不出户便可以在虚拟展厅中漫游看展。英国自然历史博物馆与谷歌联合，数字化300000件标本，利用虚拟现实技术打造线上VR版侏罗纪公园。如今在“谷歌艺术与文化(Google Arts & Culture)”的网站上，人们可以看到VR版恐龙，还可以在博物馆各展区中漫步。这种方式一方面降低了人们出行的时间成本和空间成本，另一方面有助于博物馆的文化传播，同时一些不便于实体展览的文物也可以得到很好的保护。但三维模型与实物之间毕竟存在差距，现场独特的氛围与文化气息难以虚拟。

为此，我们构建了基于VR技术的长征体验系统，旨在给用户提供沉浸式的学习空间。本工作的意义有以下两点：

(1)高校思想政治课教育改革示范。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调要把思想政治工作贯穿教育教学全过程，开创我国高等教育事业发展新局面。将VR技术运用到思想政治课教育教学中，为学生提供生动形象的思维材料，给学生带来沉浸式的体验，可以让学生在理性和感性两方面得到学习。思想政治课同VR技术融合，原本枯燥的课本内容变得鲜活起来，思想政治课的教学得以真正走入学生心中。

(2)传统博物馆与VR技术有机结合的新型博物馆试点。国内外大多数博物馆只是把VR当作一种技术手段来帮助提高展示效果，调动观众的观展兴趣，但是并没有把VR真正融入到展陈的内容中去。本工作将VR作为展陈设计的一部分，由形式设计的层面提高到内容设计的层面，将新媒体技术与实体展览完美结合，构建一个完整的学习空间，能让学生真正从中获取知识，如图1所示。

图1 实体展览与新媒体技术相结合

3 系统结构与实现

3.1 设计理念

系统的设计理念是以教育为目的，以人为中心，以历史为主线，将传统博物馆展陈方式与VR技术有机结合。设计长征体验系统的目的是让用户在体验过程中能够学习长征的历史，感悟长征精神。在设计过程中，用户的体验是系统的首要考虑因素，以人为中心，从用户的角度出发，关注用户的情感体验，从而选择展示内容，设置展陈空间，将真实环境与虚拟环境结合，寓乐于学，让用户在轻松愉悦的氛围中收获知识，如图2所示。尊重历史，以史为骨，重大的历史事件贯穿整个体验流程。

图2 以用户为中心的设计理念

3.2 设计策略

为了让观者对长征路线有整体的认识，了解重要的会议及战役，体验路途的艰辛，理解长征的意义，学有所得，系统选定了四个主要事件节点，分别为：遵义会议，飞夺泸定桥，夹金山雪山草地以及陕北胜利会师。

基于VR的长征体验系统总体结构如图3所示。遵义会议，飞夺泸定桥以及胜利会师部分采用传统博物馆的展陈方式，爬雪山部分使用VR技术。之所以选取这一部分作为VR体验，是因为爬雪山的艰辛仅仅通过课堂的讲述难以变现出来，而VR技术具有高沉浸感的特点，十分适合雪山环境的再现与体验。

雪山行进的虚拟场景体验与遵义会议、泸定桥战役的实体展示相结合，必要的知识点为主线贯穿其中，把观者的情感慢慢带入高潮，学习与欣赏同步进行，体验与感悟同时发生。系统用VR讲述历史故事，VR技术不再是一个简单的辅助工具，而是整个体验流程中必不可少的一部分。

图3 长征体验系统总体结构

3.3 系统实现

系统按照历史事件的发生顺序安排用户的观展顺序，结合展陈空间，设定的用户参观路线如图4所示。

图4 用户参观路线

下面首先介绍遵义会议，飞夺泸定桥以及胜利会师部分，关于VR体验的部分将会在下面章节着重介绍。

(1)遵义会议部分：这一部分内容使用了投影仪等多媒体设备配合展品展示。体验开始，观者的情感难以快速带入，因此在这一部分，展览模拟遵义会议的场景，利用展品辅以文字图像进行说明，介绍遵义会议前的严峻形势。同时利用多媒体设备播放影像资料，借助纪录片《长征》中对红军老兵的采访，利用事件与情感讲述，帮助用户快速释放情感。影片内容中还穿插了遵义会议的过程，毛泽东同志在内的与会人员的发言情况以及会议确定的党的未来的方针路线等知识点。

(2)飞夺泸定桥部分：此处利用展品模拟展示泸定桥作战的情形，陡峭的崖壁，摇晃的铁索，配合昏暗的灯光，利用博物馆独特的展陈设计方法，烘托出当时凶险异常、命悬一线的战斗氛围。在展台旁边还设有专门的文字图片加以辅助说明，同时放置了一本笔记本，供观者记录下自己的学习感悟。

(3)胜利会师：这一部分展览利用展品展示配合文字图片介绍，总结长征的历史过程，明确长征的历史意义与时代价值，引发观者情感上的共鸣，着重培养青年同志坚信正义事业必然胜利的自豪感与历史责任感，新的时代要走好新的长征路。

4 雪山VR体验系统

4.1 雪山体验情节

VR雪山体验系统旨在利用VR技术重现雪山情景，让用户如临其境地体验红军爬雪山的过程，进而获得感性的认知。为此，系统设置了如下体验情节：

利用计算机技术生成三维环境，用户戴上头盔后，首先看到的是一段影片，三分钟左右的影片简要介绍了红军爬雪山这一段历史，学生可从中学习到必要的知识点，影片最后将画面定格在雪山中。随后他们通过“时空隧道”，穿越到了雪地。白雪皑皑，寒风凛冽，此时的他们也是红军战士的一员，在雪地中冒雪行走，战士们穿着破旧的衣服和鞋子，上面都结了一层厚厚的冰，步履维艰。好在身旁有老班长的悉心照料，提醒着他们雪地行进的注意事项，同时也述说着路途的艰险。在这里他们可以深切体会到红军战士顾全大局、严守纪律、紧密团结的长征精神。随着海拔的升高，环境愈加恶劣，行进愈加困难，学生们紧紧跟着前面的战友翻越雪山，令人悲痛的是，中途会有战士失足不慎跌落，学生们可由此体会到雪山的凶险与残酷，感受红军坚忍不拔、众志成城、百折不挠的精神。整个过程如图5所示：

图5 雪山体验过程

4.2 雪山VR体验系统需求分析

根据上述情节构建VR雪山体验系统，首先要对其功能进行细化，分析目标需求，以便满足用户的体验和理解诉求。

(1)功能性需求：①虚拟场景重现功能：提供雪山情景，战士状态等逼真的展示效果，其中雪山的环境条件，战士的服装装备等细节应该符合历史事实。②第一人称移动功能：用户戴上头盔后，系统需要实时获取用户在真实环境中的位置信息与运动状态，并将其反馈给虚拟世界，实现两者之间的运动同步，带给用户舒适真实的体验。③学习教育功能：用户体验过后，能从中学习到相应的知识点，而不是单纯的娱乐。④情感带入功能：作为整个展览的一部分，VR体验区应该能承上启下，把用户的情感带入高潮，让用户在体验之后对长征精神有切身的感悟。

(2)非功能性需求：①性能需求：模型的加载与脚本的运行必然会耗费一定的时间与计算资源，这就对虚拟模型的设计以及硬件计算平台的配置提出了一定的要求。②安全性需求：由于用户需要在真实场景中移动，因此需要保证用户在移动过程中的安全。

4.3 雪山VR体验系统总体架构

按照上述需求分析，雪山VR体验系统的设计架构如图6所示。

图6 雪山VR体验子系统架构

其中HMD设备与PC机之间通过串流盒连接。绿色幕布覆盖了用户的移动区域，一为提示，二为美观。

系统要求主机能够实时处理大量的三维图像数据，硬件配置如下：

GPU：NVIDIA GTX1060；CPU：Intel Core i7-7700

为了满足用户的移动需求，系统还使用了HTC Vive VR设备，其中包括头戴式显示器，控制手柄和基站。这款设备显示效果好，画质清晰逼真，可以给用户带来很好的沉浸式体验。其基站主要用于实时定位功能，用户在其限定范围内可自由移动。

图7 HTC Vive装置图

系统开发软件主要有Autodesk Maya用于三维建模，Unity 3D用于虚拟现实开发引擎。

4.4 雪山VR体验系统实现

VR体验内容的开发流程如图8所示，首先需要收集长征方面的历史素材，主要包括介绍长征的纪录片、雪山的地形地貌以及红军爬雪山时的精神面貌。然后结合收集的素材，在Maya中建立人物以及场景的三维模型，包括设计纹理材质、刻画面部细节等操作。第三步则是将收集的视频资料、人物模型、场景模型和音频资源导入Unity3D中，这里的音频资源包括老班长鼓励年轻战士的话语以及整个体验过程中的背景音乐，其中老班长的台词由专业的配音演员为其配音，而背景音乐主要用来渲染情感氛围。在Unity3D中，需要添加专用的VR组件，添加摄像头，设置模型比例。还需要设置烘焙场景的光照，添加人物和飘雪的动画，编写运动和交互脚本等。第四步是对系统进行测试，优化模型及代码。最后将其发布成可执行文件，在windows7系统中可以直接运行，系统运行画面如图9所示。

图8 VR体验内容开发流程

图9 系统运行画面截图

4.5 体验效果

系统将VR技术与传统的展览方式相结合，学生们边看边学，在体验中学习历史，在虚拟与现实中感悟长征精神。思想政治课授课不再是生硬的讲授，而是“活”的教学。项目成果获得了老师和学生们的一致好评，体验过的学生纷纷表示，不仅牢记了关于长征的知识点，而且对于长征精神的内涵有了更加深刻的理解。项目也引发了媒体的广泛关注，人民网、新华网等媒体都进行了相应的报道。有学生在接受采访时说，“以前我从来没有见过雪山，也没想过做一名红军战士是什么体验，通过VR技术，我对他们那时面临的困难有了更深的认识，更能从情感上产生共鸣”。有授课老师也表示，通过VR技术，学生可以在虚拟环境中充分利用人的感知功能，深刻理解事件的发生经过，教学效果比以往的方式好得多。

5 结束语

新兴技术推动着各行各业的发展，在高校思想政治课教育教学上，我们也要敢于尝试，敢于创新，摆脱单一枯燥的教学模式，运用新媒体新技术，寓学于乐，让学生得到充分学习，为社会培养综合型人才。博物馆作为艺术文化的圣地、文化传播的风向标，在自身的发展建设上也要善于运用VR等新技术，尝试不同的模式，以便让更多的人获益其中。