基于HTC Vive的虚拟校园系统的研究与设计

包依勤 陶圣杰 宋万里 王寅同

摘 要：互联网教育的应用在生活中越来越常见。学生可以通过互联网进行互动学习，通过视频或电子书自学知识，但学习效果不佳，而运用虚拟现实技术进行虚拟教学，可达到良好的教学预期效果。虚拟现实技术通过计算机实时计算图像，借助设备传输影像和声音，模拟用户在虚拟环境中的物理事件。随着5G互联网的出现，虚拟现实场景实时显示变得可能，用户不必从云服务器上下载软件就可以实时观看虚拟现实图像，因此，虚拟现实与在线教育的结合将在未来有很大的发展空间。为了探究虚拟现实在教育中的应用和发展，文中对虚拟校园系统进行了研究与设计，以Unity引擎为支撑，HTC Vive作为虚拟现实硬件设备，通过SteamVR实现与硬件设备的交互。

关键词：虚拟现实;虚拟教育;云服务器;虚拟校园;三维建模;VR

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

虚拟现实技术是新兴的一门边缘技术，它的研究内容涉及多个专业，应用十分广泛。作为3D技术的一项重要内容，其在教学方面有着重要的发展和应用前景。

随着互联网+教育的变化和改革的不断推进，小学、中学和大学都在使用新的虚拟现实技术来促进现代教育，虚拟现实技术在教学领域的研究和探索也在全面展开。如今，当我们谈论教育时，大家首先想到的就是校园。因为校园是培养学生的地方，校园、教室、食堂、足球场等都能影响着学生的进步。伴随着每个学生的学习生涯，校园在教育行业的重要性越来越明显。因而在虚拟现实的应用中，本文提出了虚拟仿真校园的概念。虚拟现实可将日常学习过程设计成一种游戏形式，这种游戏形式的学习不仅提高了学生的兴趣，而且使学生能够选择自己喜欢的课程来学习，提高学习效率[1-5]。

在虚拟学习环境下，首先接触的是实验和创新课堂教学体验。目前在各学科的教学中，虚拟现实开发人员不断开发各种教育课程。比如之前的地理教学十分抽象，而采用虚拟仿真技术，能模拟学生身处不同的地理环境中，感受到不同的地理、气候和不同地层的形成，让学生感受和体验沉浸式场景描述;如机械维护课程，人们可以使用虚拟模拟技术模拟安装过程，并与学生互动，有效进行虚拟项目的全方位联系和体验，使学生能够模拟机器的操作并学习如何安装;外科医生从医初期手术机会较少，借助虚拟现实技术，实习医生可以实践各种外科手术，这些现实场景可以帮助实习医生迅速成长。这是以前的教育方法无法实现和媲美的。

虚拟仿真技术带来了突破性的学习体验，其教学效果明显。虚拟仿真技术作为一门新发展的技术，在教育界有着长远的发展空间。虚拟现实技术为教育带来前所未有的发展，让学生在互动体验过程中体验和学习知识，虚拟现实技术将成为未来教育的发展趋势[6]。因此，研究和开发更多的虚拟现实课程，充分开发出虚拟现实在各个课程中可以用到的场景，才能更好地将虚拟现实课程融入教育教学。本文的主要研究内容是以虚拟教育、虚拟仿真为背景，研究此技术目前的发展，设计出虚拟校园场景，给大家带来虚拟校园体验。

1 系统架构设计

1.1 校园虚拟环境设计

为了保证场景能在多种计算机上运行，同时增加环境的真实感，本文将虚拟校园系统分为场景模型子系统、漫游引擎子系统、渲染输出子系统等。它们在功能上相对独立，通过数据接口互联[7]。系统总体结构如图1所示。

场景调度：在虚拟校园搭建场景之前，必须先对要搭建的场景做一个全面的分析，包括教室数量，所用道具，建模模式等，把所有需要用到的建筑物以及物品列入表中，完成场景总体调度。

碰撞检测：碰撞检测是构造虚拟漫游系统不可缺少的重要部分，它可以使用户以更自然的方式与三维场景中的对象进行交互。如果没有碰撞检测，当一个对象碰到另一个对象时，往往会“穿透而过”，而不会产生碰撞的效果，这在现实中是不存在的[8]。所以，在虚拟校园漫游的过程中，要能实时检测人物本身的碰撞体和场景中物品会不会发生碰撞，比如身体碰到墙，头部碰到物体等，要分别对碰撞的种类做出不同的检测。

物体交互：为了让学生能在虚拟校园中感受到真实性，必须增加物体的可交互性，比如可使用物品、可抓取物品等。在每个教室中，也要制作每个教室对应的所需物体，来丰富教学场景，以便学生在校园中进行仿真实验。

1.2 系统开发流程

系统的开发流程关系到该系统的开发时间和有效程度。为了合理开发虚拟校园漫游系统，该系统设计流程包括三维建模、纹理贴图、空间漫游、人机交互等功能。系统设计流程如图2所示。

在三维建模之前，必须对校园环境进行分析，选取最合适的建模方案。在三维建模完成之后，还要考虑系统的可行性，对系统进行一些必要的优化。

1.3 虚拟现实硬件设备

目前，主流的PC型VR有HTC Vive、 Oculus Rift两类。除此之外还有其他PC型VR可供选择，例如 Hypereal Pano、Pico、小怪兽2等。PC端VR是比较主流的虚拟设备[9]。

本系统选用HTC Vive做为虚拟校园的硬件设备。HTC Vive在计算机端开发，因此它与计算机的交互反映在输入设备和输出设备上。HTC Vieve是如今市场上较先进，使用较广泛的VR设备，具有很多其他VR设备无法媲美的地方，比如高分辨率、定位追蹤、强大的SteamVR平台等，大大方便了HTC Vive的使用。

2 系统实现

2.1 校园环境搭建

虚拟场景模型是整个漫游系统的基础。模型的质量直接影响到场景的顺畅程度和逼真效果。过多的细节模式将降低网络场景图形表示的效率，所以经常需要在建模过程中，在模型的细节度和复杂性之间找到平衡，并在必要时更换纹理模型的详细信息。在Unity建立与集成复杂的3D模型相当繁琐，但用3DS MAX强大的三维建模功能可以弥补这一缺陷。3DS MAX是一个强大的视觉建模工具，可根据用户的需要来制作模型。3DS MAX支持Prefab文件格式的输出，可以直接拖到Unity中使用，直接输出场景，包括几何造型、材质、动画等。虚拟现实中三维场景建筑结构如图3所示。

在构建虚拟校园系统场景时，3DS MAX为用户提供的建模方法如下所示。

（1）直接创建几何对象。3DS MAX具有许多基本几何模块，例如球体、立方體、圆柱体、三角形锥体等。用户可以拖动鼠标来定义对象的大小，或者直接在命令面板中输入位置和大小。3DS MAX可以生成一些基本几何体，并对此基本几何体进行一系列编辑以获取要创建的对象。

（2）使用样条图形。样条曲线是一种特殊类型的曲线，根据数学原理弯曲。它们通常是在三维空间中绘制的二维曲线，3DS MAX通过给二维图形添加厚度（Extrude）、旋转（Lathe）样条曲线，从而创建三维对象。

（3）使用网格对象。网格对象是大多数类型3D文件使用的默认模型类型，目前流行的3D格式也存储为网格。

模型做好后，就可以把各种场景道具加入到虚拟校园里，搭建完的场景如图4所示。

为了让虚拟校园可交互的物体更多，本系统还制作了导线、黑板擦、笔、地球仪等教学工具。

2.2 交互功能的实现

虚拟校园中，为了体现真实性，物体均可交互。比如，学生可以在校园中跟门、黑板、显示屏、教学器材等互动，所以物体与手的交互十分关键。本系统将交互式对象划分为几个类别，应用不同的代码实现。

（1）手柄可抓取物体

当学生操作手柄时，使用相应的抓取键即可将物体抓在手中。物体在手中同样具有碰撞效果，如果碰撞到遮挡物，则不能再继续拖动。

（2）凝视交互物体

凝视是一种在没有手柄等输入设备的情况下，可以通过眼睛盯着某个物体看，与物体进行交互的体验[10]。我们只需将各辅助类工具条添加到我们想要凝视的物体上，比如菜单等，就可以实现凝视的功能[11]。可使用物体是指学生可通过各种形式，跟教室中的物体交互，比如通过手柄按键打开屏幕，选择观看相应的教学课程。

（3）人物移动控制实现

学生在移动时，同时要进行多项判定。首先是建筑物和教学场景的碰撞：当人物撞到不可移动的物体，则限制学生无法前行;如果在移动时接触到可交互物体，比如球、纸盒，则交互物体会跟人物碰撞，移动到另一位置。其次是头部碰撞：当头顶有物体时，会检测头顶的碰撞，如果碰撞则会短暂黑屏，回到正确的位置。

人们进入虚拟校园有两种移动方式。

第一种移动方式：触摸板移动。学生通过右手的触摸板操作主角进行移动，模拟平时校园中走路的动作。

第二种移动方式：射线碰撞瞬移。如果学生想以最快速度移动到某一点，则可通过触摸板上方向键，指向需要移动的点。如果句柄指向的点在可移动区域，学生就会瞬间移动到指定位置;如果句柄指向的位置不在可移动区域，则无法移动，学生需要重新指定移动的区域。

2.3 场景传送功能的实现

场景传送界面可方便学生快速移动到各个教室场景。学生按下手柄上的菜单按钮，默认打开场景传送界面。学生可以通过射线移动到想要到达的场景，扣动扳机，直接移动到想要到达的教室。菜单传送界面由多个控件，如Button、Toggle Group、Scroll View、Label组成，每个教学场景的图片相当于一个Toggle单选按钮。因为有多个场景无法同时在场景中显示，所以将Toggle Group放入Scroll View，选定属性，使其成为水平输入框。由于Scroll View控件不会根据已有的界面和控件自动调整各个控件的位置，所以本系统还加入了Content Size Fitter，设置最佳显示尺寸，自动调整菜单中的控件。场景传送界面如图5所示。

3 教学场景实现

3.1 物理教室实现

为了实现学生或老师通过笔在白板上实时绘制，制作了多种颜色的绘笔。每个绘笔有不同的颜色可选。绘笔添加了Box Coilder组件，使用者用手柄控制手在触碰到笔时，就会触发抓取事件。编写通过绘画脚本实现在白板上的绘制逻辑。物理教室场景如图6所示。

Painter脚本含有 Raycast函数，用来发射射线，实时计算返回笔触碰到白板时的坐标。画笔脚本识别与手部的连接点需贴合手的动作。当笔和白板碰撞时，会在白板上写字。橡皮擦脚本类似于画笔，但是喷出的颜色与白板颜色相同，通过覆盖实现擦除效果。

3.2 体育教室实现

模拟投篮球、踢足球等各种运动，首先要对球的材质和弹射力度进行设置和编写。为了让球的弹射更加逼真，运用了Untiy的碰撞事件OnCollisionEnter进行监听，并根据碰撞的角度、速度进行反弹点的实时计算。通过Vector向量获得弹射角度和值，再转换成Quaternion四元数，以避免万象角死锁。因为球被赋予了刚体属性，所以通过Untiy的righdbody施加力，可以模拟真实的施加场景。体育教室场景如图7所示。

3.3 多媒体教室实现

多媒体教室主要有2D投影和3D 360°全景视频两块。2D投影主要可以通过手柄射线的交互，观看视频录像。在投影屏上，添加Canvas组件ScreenCanvas，即可实现投影屏效果。为了实现ScreenCanvas，必须设置挂在 VRTK的VRTK_ UI Canvas脚本，这样手柄发出的射线才可以跟ScreenCanvas交互。设计中共有Buttom、Panel、Sliders三种控件，主要用来监控按钮的响应时间和视频拖拽条的响应时间。多媒体教室场景如图8所示。

4 结 语

虚拟现实技术作为新兴技术，有很好的发展前景。本文以虚拟教育、虚拟仿真为背景，研究和设计了虚拟校园，带来了虚拟的真实校园环境。虚拟校园是运用虚拟现实技术，结合现代教育的一种新型教育方式，未来很有可能让学生足不出户，就能学习各种知识。本文通过搭建Unity 3D环境，并使用HTC Vive设备交互，模拟了真实的校园环境，与多个教学场景，学生通过这个系统可以更好地学习知识。

注：本文通讯作者为包依勤。

参考文献

[1]宣雨松.Unity 3D游戏开发[M]. 2版.北京：人民邮电出版社，2018.

[2]胡良云.HTC Vive VR游戏开发实战[M].北京：清华大学出版社，2017.

[3]吴亚峰，刘亚志，于复兴.VR与AR开发高级教程基于Unity[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[4] [美]乔纳森·林诺维斯.Unity虚拟现实开发实战[M].北京：机械工业出版社，2016.

[5]王寒，曾坤，张义红.Unity AR＼＼VR开发（从新手到专家）/游戏开发与设计[M].北京：机械工业出版社，2018.

[6] [英]Alan Thorn. Unity 5.x游戏开发实战[M].北京：电子工业出版社，2017.

[7]姜雪伟.Unity 3D实战核心技术详解[M].北京：电子工业出版社.2016.

[8] [美] Robert Nystrom.游戏编程模式[M].北京：人民邮电出版社，2015.

[9] [日] 岩井雅幸.精解uGUI-Unity UI设计与开发从入门到精通[M].北京：电子工业出版社，2017.

[10]何伟.Unity虚拟现实开发圣典[M].北京：中国铁道出版社，2016.

[11]陈嘉栋.Unity 3D脚本编程：使用C#语言开发跨平台游戏[M].北京：电子工业出版社，2016.