VR技术在红色旅游展示交互系统中的应用研究

王爱军，李中永，颜世波

（安徽国防科技职业学院 信息技术学院，安徽 六安 237000）

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称 VR[1]，是一项综合了计算机图形学，多媒体，人工智能等多种技术的，用于构建一个虚拟环境的新技术[2].通过外设设备，如传感式眼镜头盔，手套等设备，用户可沉浸虚拟环境中并与虚拟环境进行交互[3].目前已经广泛应用于游戏、建筑、教育、医疗等行业.

VR+红色旅游是利用当前流行的VR技术结合红色旅游开发的一种全新的体验方式，戴上VR眼镜就可以让人们身临其境地体验红色旅游文化，是一种沉浸式、交互式的VR红色旅游模式.2018年3月22日国务院印发了《关于促进全域旅游发展的指导意见》（以下简称意见）.《意见》中指出：推动旅游与科技、教育、文化、卫生、体育融合发展.科学利用传统村落、文物遗迹及博物馆、纪念馆、美术馆、艺术馆、世界文化遗产、非物质文化遗产展示馆等文化场所开展文化、文物旅游，推动剧场、演艺、游乐、动漫等产业与旅游业融合开展文化体验旅游[4].因此，将红色文化与VR技术相结合，将红色旅游产品通过VR这种沉浸性、互动性的展示平台进行传播，对增强红色旅游产品吸引力，提升区域红色文化品牌竞争力，具有较强的实践意义.

目前，红色旅游内容和形式主要包括：红色革命纪念馆、战争遗迹、革命领袖和英雄故居的参观等.由于受到文虎遗产和文物保护等方面限制，游客的参观仅仅限于“看”和“听”两种方式，即“看橱窗”和“听导游”.而这已显局限的游览方式，质量难以得到保证.红色旅游最终变成走马观花时式的参观.本研究即从这一角度出发，提出了红色纪念馆的VR互动展示平台建设方案.通过视、听、触等多感觉通道的调用，为游客打造一个兼具沉浸性、互动性的参观环境.由于篇幅所限，本文仅对红色纪念馆的VR互动展示平台建设方案进行详述.本平台在建设过程中所使用的方法对其他红色旅游产品的开发同样适用.

1 系统设计

1.1 硬件系统

本平台的设计运行包括硬件系统与软件系统两部分.其中硬件环境包括：可运行VR虚拟现实产品高配置电脑一台，虚拟现实交互设计外设一套（包含三星Gear VR眼镜和Galaxy S6手机）.此外，硬件场地需大于20m2，以保证VR交互外设无障碍运行.硬件系统详细参数见表1.

1.2 软件系统

本研究使用Unity 3D虚拟现实引擎作为系统开发工具.采用3Dmax作为模型制作工具，并赋予材质和灯光，将完成的场景及展品的三维模型导出为FBX文件格式，并将其导入至Unity 3D项目文件中[5]，以C#为脚本开发工具实现纪念馆场景虚拟交互系统设计.在本项目中，模型制作以纪念馆建筑及展品的比例作为建模参考，对部分展品进行一比一的仿真再现.通过材质、灯光赋予模拟出展品的效果[6].需要特别指出的是：本项目中系统实现基于Gear VR硬件，因此本平台中涉及部分系统代码从Gear SDK中调用，且仅适用于Gear VR硬件.

表1 运行VR硬件环境配置

图1 系统开发流程图

2 关键技术

2.1 场景仿真制作

为了能准确直观地进行纪念馆场景的搭建，在建模时借鉴了洪学智将军纪念馆的布局以及对部分展品进行了仿真建模.通过材质、灯光赋予模拟出现实展品的效果.场景设计效果如图2所示.需要特别提出的是：由于真实的纪念馆场景、展品极其丰富，完成纪念馆的全仿真，势必大大加剧软、硬件的损耗成本，而本研究重点为系统设计的实验性和方法论的可行性探索，因此，在模型搭建过程中未做大量模型仿真制作.

纪念馆建筑平面图采用AutoCAD完成，随后将其导入至3Dmax中建模，纪念馆外部结构采用粗略建模完成，内部结构及布局根据实地采集的纪念馆照片采用精细建模、次精细建模方式完成，同时赋予材质和贴图.为了提高平台交互运行时的流畅度，对部分展品进行了层级细节（LOD）的使用.目的是为了当摄像机距离物体近时，显示精细模型效果，当摄像机距离物体较远时，显示模型粗模效果，以降低资源损耗，提高平台运行速度.具体做法和步骤是：

图2 纪念馆仿真场景效果图

（1）首先利用3Dmax制作分别完成2组不同精度的同一模型，并按照精细程度自高向低的为模型命名，如“模型名称LODO”“模型名称LOD1”等.不同精度模型命名如图3所示.

图3 不同精度模型命名

（2）再将不同精度的模型，拖拽到空对象的LODGroup组件的各个级别上，给LOD组件的“LOD 0”（LOD 0表示摄像机近距离时显示）添加对应的模型，完成在LOD组件添加对应模型操作.注：在完成模型的LOD组件添加后，为使构造的LOD模型对象显示得更加真实自然，需要把LOD下的两个子物体进行对齐处理，即将其相对于父物体的坐标置为0.

（3）随后执行unity编辑器菜单：Edit/Project Settings/Quality，打开Quality Setting窗口，设置Maximum LOD Level和BiasLOD数值取值范围，以确定摄像机离物体距离数值大小不同，不同细节物体会切换.参数设置如图4所示.

图4 输入LOD取值范围

2.2 交互设计

本平台参观具体设计路径是:当进入纪念馆场景，首先设置了“准星对焦”纪念馆前厅内的人物雕像，待“准星对焦”完成，人物雕像上方随即出现纪念馆文字介绍，一段时间后文字消失，摄像机移动，参观者（摄像机）穿过一号展厅、二号展厅，直接到达三号展厅、四号展厅中间位置（指定位置），此时参观者可移动、旋转参观展厅内墙上的展品.参观者自主决定在三、四号展厅内参观的时间，当参观者参观完三、四号展厅到达三、四号展厅中间位置（指定位置），摄像机开始移动，并返回至二号展厅指定位置，此时参观者可以参观二号展厅的展品，展厅内展品的玻璃外框默认闪烁，当“准星对焦”某一展品时，展品玻璃外框停止闪烁.展品随即移动至参观者眼前，此时利用Gear VR触摸板可旋转、放大、缩小、归位展品.待参观者将二号展厅内所有展品“准星对焦”完成后（注：参观者可以重复“准星对焦”二号展厅内展品，先后顺序由参观者自主选择，但须完成所有展品的“准星对焦”，才能进入下一逻辑），摄像机返回至一号展厅指定位置，参观者可以再次参观，也可退出平台.

图5 纪念馆展示交互平台运行逻辑图

2.2.1 文字互动

进入虚拟纪念馆展示平台，画面开始动作为：准星对焦人物雕像，人物雕像显示闪烁效果，待进度条加载完毕，人物雕像同时停止闪烁，雕像后方的牌匾显示红色文字“洪学智将军：中国共产党的优秀党员，久经考验的忠诚的共产主义战士，无产阶级革命家、军事家，我军现代后勤工作的奠基人和开拓者.”一段时间后，文字消失.准星对焦进度加载效果如下图：

图5 准星进度条加载效果

建立Box1.cs脚本，并将其挂载到人物雕像上.此时摄像机（镜头）就相当于射线点，射线点即我们的视线，当我们注视在Object（人物雕像）上时触发准星进度加载动画，同时人物雕像闪烁出铜色的光，进度加载动画大约3秒左右时间完成，随即可触发下一逻辑，即显示文字.这里具体的逻辑安排有三个层面：其一是确定摄像机是否凝视在人物雕像上，如果凝视，准星进度条开始加载；其二是当我们进入场景，人物雕像便开始闪烁，待准星进度条加载完毕的同时，人物雕像停止闪烁；其三是待准星进度条加载完毕后，开始出现纪念馆文字介绍.涉及关键技术代码如下：

2.2.2 实时漫游

待上文中纪念馆文字介绍显示消失后，摄像机开始漫游并开始穿越前厅（一号展厅）、二号展厅到达指定的三、四号展厅中间位置.完成脚本Box1Text.cs并将其挂载在摄像机上.其中关键技术代码如下：

以上方法很好的实现了漫游功能，并且移动流畅不卡顿，相较HtcVive等虚拟现实硬件的体验来看，人们佩戴Gear VR时可以更轻便灵活的实现漫游，然而值得注意的是，参观者沉浸在Gear VR环境中的漫游极易造成佩戴者的眩晕不适感，这也是Gear VR官方一直以来最需要克服的技术问题.硬件技术问题，在此不作深入讨论，本文仅对软件系统的进一步优化展开分析.通过反复实验数据证明：在确定了漫游路径后，将漫游时间数值设置的越大，漫游时的眩晕不适感将会随之降低.这实际上就是处理漫游的速度的方法，因此，为了最大程度减轻在漫游过程中这种眩晕感，我们建议在确定漫游路径以后，尽可能将漫游的时间合理设置最大化.

2.2.3 触摸板应用

在平台的漫游过程中，可实现利用Gear VR触摸板与指定展品进行交互，具体效果是：使用触摸板可控制展品的向上、向下、向左、向右的位置属性，双击触摸板，可实现展品的前进放大、后退缩小以及物品归位.这里涉及的触摸板的使用系统代码部分从Gear SDK中调用，因此在这里不再赘述，我们只需将这个脚本挂载在对应物体上，即可实现相应效果.这里涉及的触摸板的使用系统代码部分从Gear SDK中调用，因此在这里不再赘述，具体效果如图6.

图6 触摸板控制效果

以上代码的实施，是平台中主要交互功能的实现思路，实际开发过程中还要考虑物体显隐、物体复位、旋转复位、放大缩小与复位、平台结束方式等方面问题.由于篇幅所限，在此，仅对涉及关键技术点展开详述.

3 结论

本研究很好地实现了纪念馆的虚拟漫游展示，同时在漫游过程中加入了人机交互动作事件设计，通过运行虚拟现实外设设备就可以展现纪念馆内的场景，并完成人机交互的体验，提高人们学习参观的兴趣[7]，以“身临其境”的方式感知红色文化的魅力，与此同时，将虚拟现实技术运用于纪念馆的再现技术，也不失为探索红色文化遗产保护领域的一条可行路径.

通过本平台的设计与应用，我们发现，Unity 3D几乎支持所有自定义素材，对模型、材质、灯光甚至动画等均可以以脚本的形式调用及管理，此外，Unity 3D与三星GearVR、HtcVive等虚拟现实体感设备的无缝连结，都为本系统平台的设计乃至众多相近平台的设计实践提供了更多思路.