《VR平院校史馆》的设计与实现

彭伟国 李文松

平顶山学院 计算机学院（软件学院） 河南 平顶山 467000

引言

在平顶山学院60华诞之际，2019年10月平顶山学院（以下简称平院）校史馆正式落成开放。开发一款VR版的平院校史馆，校内外师生和游客可通过网络身临其境的去参观校史馆，是线上展示校情的平台和窗口，以增强师生的集体荣誉感、时代责任感，提升学校的社会美誉度，达到良好的教育宣传效果。

1 项目策划

通过已有校园虚拟漫游项目分析，可知大部分项目在场景上主要呈现的是三维模型、图片、文字等，在交互功能上主要有交互式地图、漫游路线、图片展示、语音解说等。VR平院校史馆在项目策划上，吸取了已有类似项目交互设计的先进经验，将VR项目交互形式分成图文交互、视频观看、语音解说、答题测试、图片消消乐等多种形式，在不失趣味性的前提下，真实还原平院校史馆的实际场景布局。为此，本项目在功能策划上有注册与登录、虚拟漫游、虚拟交互、校史导学、小游戏等。

2 项目实现技术

本项目使用主流的Unity引擎进行开发；用户借助HTC VIVE设备，可以通过戴头盔、拿手柄的方式实现对角色的控制；开发过程中采用单例设计模式，使项目满足“高内聚、低耦合”的需求。本项目的3D场景使用Maya建模软件进行制作，然后使用C#编程语言实现交互功能。

3 项目详细设计

3.1 场景设计

本项目的场景主要由房屋建筑、展板、桌子、灯等一些物品组成。房屋建筑主要是参考现实中的校史馆进行设计，场景总共分为四个部分。第一个部分主要是由一间房子划分开来，中间竖立着平顶山学院的牌子；第二个部分是一个走廊加一个方形的房子，中间竖立一个圆柱，圆柱上面是一个像扇子一样的建筑；第三个部分是一个走廊和一个圆形展台建筑；第四个部分是一个圆形建筑加上一个圆台。

VR校史馆虚拟场景里面有许多展板，分为前言展板、内容展板、后记展板。前言展板主要介绍校徽、校训、校歌、校史的简介；内容展板主要有校史模块、院系模块、党建模块、民主管理、团学活动、学校规划；后记展板主要是回望历史、审视当下和展望未来，全力谱写新时代平顶山学院的绚丽华章。

玩家以虚拟的第一视角的形式，在场景里面游走，手握HTCVIVE手柄、头戴头显设备来操作虚拟人物以达到体验的效果。

3.2 功能设计

依据项目交互功能设计，项目设计了登录注册界面、开始界面、加载界面、视频播放界面、答题界面、消消乐界面、柱状图界面等UI界面。在功能设计上，以面向对象程序设计思想为指导，运用C#语言编写交互脚本，通过类图的形式设计了登录与注册功能、虚拟漫游功能、虚拟交互功能、校史导学功能、小游戏功能等方面。在此，以虚拟交互功能设计为例进行详细阐述。

在虚拟现实系统中，用户与虚拟世界之间要实现自然的交互，必须采用特殊的输入输出设备，用以识别用户的各种信息输入，并实时生成逼真的反馈信息。VR输入设备如动作捕捉、手势识别、声音感知等体感类设备，通过感知用户输入信息，与虚拟世界进行交互，输入设备是实现消费者交互、沉浸感的重要技术[1]。

根据设计，本项目就是要借助HTC VIVE设备来实现这个功能。两个带有按钮和振动反馈的手柄，一个可以看见虚拟场景的头盔，它们会实现用户与虚拟世界的交互。首先就是设备如何使用，怎么才算连接成功，其次是怎么获取手柄的接口，最后就是通过按钮与虚拟世界的交互。

虚拟交互功能是在Control Manage类里面实现，hand变量是指两个手柄，m_pose变量是指手柄的动作，m_Touch变量是指手柄圆盘的位置，类图如图1所示：

图1 虚拟交互功能类图

4 项目详细实现

4.1 场景实现

场景中主要由房子、展台、圆柱、展板、灯等物体组成，对于场景的实现，一是模型的制作、贴图的制作，二是场景的布局（展板的位置、大小等内容）。

根据项目设计总共有四个房间，运用Maya软件先制作出墙体的形状，然后通过复制、移动、压扁、调整位置，制作出房子形状；通过Maya多切割工具和挤压工具形成房顶上的各种形状；然后，创建几个立方体，用来制作展板、展台、摄像头等房屋设施；针对房屋每个部分进行UV操作，保存图片在Photoshop软件里做贴图，然后在Maya里面添加材质；最后，在Maya里将模型导出，格式为fbx，然后将它导入到Unity。

前言展板、内容展板、后记展板制作步骤几乎一样，都是创建Text和Image，并改变其内容和参数。

4.2 功能实现

从VR环境搭建、VR按键和头盔、VR视频播放三方面为例分析本项目功能的实现。

（1）VR环境搭建

HTC VIVE是一款虚拟头盔，是VR虚拟现实交互设备，HTC Vive套件由头戴式显示器（HMD)、两个基站、两个无线操控手柄和一个串流盒构成[2]。VR环境搭建分为两个步骤，第一步骤是SteamVR的导入，第二步骤是Player的设置。

1）SteamVR的导入

从Unity Asset资源商店里导入SteamVR插件；在Unity中将PlayerSetting的设置为OpenVR；打开Window下的SteamVRInput编辑界面，默认的default不用改，Actions 下In则为要输入的事件，out为输出事件；点击In里面的“+”，Name为当前事件的名字，Type为事件的返回值类型，Required目前测试3种选择没有区别，Localized String直接设置为当前事件的名字一样即可；定义一个触摸板触摸事件，类型为boollean，编辑完后点击save and generate按钮就可以把这个事件写入到SteamVR_Input_ActionSet_default_In；点击Open binding UI按钮，进行手柄按键的操作。

2）Player的设置

找到SteamVR示例场景Player，将其拖到场景中即可实现基础的浏览；调整合适大小，然后将其放入场景的第一个地方；选中Player添加相应的代码，对其进行设置；运行场景，如果能够在头盔里面看到场景的话，表示设置成功。

（2）VR手柄按键

1）获取手柄按键的方法是声明一个Hand类型的变量，通过SteamVR_Input.GetStateDown方法获取手柄按键。

2）手柄按键获取后就要检测与场景中UI的交互了，此时向Canvas物体中挂在SteamVRLaserWrapper脚本。

3）SteamVRLaserWrapper脚本主要实现射线与UI的碰撞问题，首先引出OnPointerClick、OnPointerOut、OnPointerIn三个方法，然后连接EventSystem中的检测方法，最后添加到相应的事件上。

（3）VR视频播放

视频播放子功能主要是指用户点击按钮进行视频的播放，它主要把视频渲染到了UI界面上，然后将内容展现给用户。

本功能在PlayVideoOnUGUI类和SliderEvent类里面实现，PlayVideoOnUGUI类和SliderEvent类是依赖关系。PlayVideoOnUGUI类处理是视频加载逻辑，SliderEvent类处理的是进度条逻辑，ShowVideoTime方法处理的是进度条显示视频时间的逻辑，类图如图2所示：

图2 视频播放功能类图

该功能的主要实现，有以下几个步骤：

1）在video组件里挂上PlayVideoOnUGUI脚本并且将相应的Button添加上实践。

2）在PlayVideoOnUGUI类里面，首先将视频渲染到原先定义好的UI界面上，获取videoPlayer组件和rawImage组件，然后在Update里面将videoPlayer的texture赋值给rawImage的texture，最后在场景中就可以看到视频在播放。

3）在PlayVideoOnUGUI类里面，实现播放、暂停、关闭功能就要用到Bool指isPause和isClose，当isPause为false且isClose为false时，用Play()方法来让视频播放；当isPause为true且isClose为false时，用Pause()方法来让视频暂停；当isPause为true且isClose为true时，用Stop()方法来让视频暂停并且让原先的图片将视频替换掉。

4）实现进度条功能，首先是ShowVideoTime方法，先获取当前的视频播放时间，再将当前视频播放的时间显示在 Text上，后把当前视频播放的时间比例赋值到Slider 上，然后就是在Update方法里面调用此方法，最后实现时间实时更新的效果。

5）在SliderEvent类里面，创建SetVideoTimeValueChange方法，目的是当前的 Slider 比例值转换为当前的视频播放时间，然后在OnDrag方法里调用此方法并将isPause改为true，最后再OnEndDrag方法里将isPause改为false。

6）最后通过运行场景，用户可以点击这些按钮。界面效果如图3所示：

图3 VR视频播放效果图

5 结束语

VR平院校史馆项目的实现，用户从入馆前到入馆后有十几个任务点，用户完成一个任务之后才能进入下一个任务点。任务分为图文交互、视频观看、答题测试、图片消消乐等。技术实现上，该项目使用主流的Unity引擎进行开发，用户可以通过戴头盔、拿手柄的方式在VR校史馆内进行虚拟漫游和交互，能让平院师生去通过虚拟环境了解平院六十年的发展史，增强了平院师生的集体荣誉感和时代责任感。