基于虚拟现实技术的红色文化教育云平台的设计与实践——以四川红色文化资源为例

樊 梅，蒋宝晴

（四川大学 华西基础医学与法医学院，四川 成都610041）

四川是红军长征历时最久、行程最长、活动区域最广、发生重要事件最多的省份。爬雪山、过草地、强渡大渡河、飞夺泸定桥、巧渡金沙江、彝海结盟、四渡赤水等经典战例和革命奇迹至今闻名遐迩。由于地域限制，且在当今疫情常态化防控背景下，其他地区的党员很难有机会亲身体验到四川的红色文化精神。利用虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术实现对四川红色文化的虚拟漫游，打破地域限制，大大降低以往教育形式的枯燥感，提高广大党员学习的热情。通过构建虚拟场景，带给用户生动逼真的沉浸式体验，让一个个历史人物和故事都更加立体生动。让用户置身于虚拟现实的情境中，作用于用户的视、听、触等各感官系统，使其身临其境般地体验历史事件，体会老一辈共产党人的革命斗争精神。

1 平台设计思路

红色文化教育云平台立足于四川丰富的红色文化资源，以推广红色革命精神为先导、新时代党的精神为导向、创新为引领、学习教育为中心，依托虚拟现实、云计算、人工智能和大数据等前沿技术，与红色文化资源管理部门共同打造集“展示、教育、文化宣传”为一体的红色文化教育云平台。按照面向党政机关、面向学校、面向群众的定位，全面拓展红色文化教育领域，营造共建、共享、共赢的红色文化教育生态圈。红色文化教育云平台以历史事件为核心素材，以云计算和实时渲染引擎等为技术支撑，结合多种硬件终端为用户提供高质量服务，具体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

1.1 平台架构设计与应用规划

基于云端的系统架构对海量数据存储与管理、并发任务渲染、复杂场景渲染等具有较好的支撑作用[1]。如图2所示，为提高红色文化教育云平台的灵活性，降低平台对应用终端的性能要求，平台将采用云端部署多端使用的应用模式。

图2 系统应用模式

1.1.1 云端部署

平台包含多个红色革命旧址的数据资源，后续可扩展覆盖四川四十余个红色革命旧址。采用云端部署的方式存储在云服务器中。可根据用户使用情况完成资源数据下载、场景渲染、视频流分发等任务，以满足不同的应用场景。

1.1.2 大屏展示

大屏展示系统具有分辨率高、画质细腻、应用模式单一等特征，对计算机的渲染能力要求很高，一般是部署在展厅等固定场所。该模式下将采用本地部署高性能服务器，从云端下载数据资源到本地渲染的方式进行红色文化教育场景可视化呈现，达到震撼的视觉效果。

1.1.3 VR体验

根据应用模式，VR眼镜主要分为三类，分别是：手机盒子、头戴式显示器和VR一体机。手机盒子是通过手机作为虚拟场景的渲染终端进行VR呈现，其渲染能力和显示精度受手机硬件性能限制。头戴式显示器本身只作为显示终端，需要通过外置计算机进行图像计算和渲染。VR一体机内置显示屏、陀螺仪、计算等模块，具有较强的计算能力且携带和部署便捷。因此，红色文化教育云平台采用VR一体机作为沉浸式体验终端。

VR一体机通过互联网连接平台进行资源下载和更新，使用者通过交互手柄选择不同的场景进行游览体验。VR一体机根据视野方向实时渲染具有视差的左右眼图像并投射到VR一体机屏幕上，构建出具有高度沉浸感的立体影像[2]，效果如图3所示。

图3 VR体验效果图

1.1.4 移动端体验

移动端主要是作为临时的体验终端，使用者通过平台接口登录，选择需要体验的场景后由云端进行场景渲染，通过视频流的方式传输到移动端进行呈现。体验设备本身无需进行资源下载和渲染计算，极大地降低了对硬件性能的依赖。

2 关键技术

2.1 大地形仿真技术

虚拟环境中的场景实时程度、场景可视范围、场景细节等对最终呈现的可视化效果有直接影响[3]。目前制做大型地景的主要方式是采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成具有高度信息的基础模型，采用数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）贴图的方式构建超大范围地理环境[4]。为了达到更好的体验效果，红色文化教育云平台根据红色旧址真实地理数据信息生成地形场景，在传统DEM+DOM技术方法基础上，根据地表纹理信息，采用虚幻引擎4（Unreal Engine 4，UE4）提供的植被系统生成较为真实的地表覆盖物，使得场景效果更加真实细腻。具体效果如图4所示。

图4 大地形仿真

2.2 高精度建模技术

为了达到良好的画面效果，需要对红色旧址及历史事件场景进行高精度地还原。但是红色文化教育云平台的画面呈现是基于UE4引擎的实时渲染，模型数据量越大对系统资源的消耗就越严重，系统运行效率就越低。为了获得良好的体验感，在非沉浸式体验时系统刷新率一般要大于30Hz，在沉浸式体验时系统刷新率一般要大于60Hz。在满足功能和渲染质量要求的前提下需要对虚拟场景资源进行深度优化，以降低平台硬件的负载压力。次时代建模技术采用法线烘焙以贴图的形式保留高精度模型的细节，将贴图赋予到低模上即可获得和高精度模型一致的外观效果[5]。采用次时代建模的方式可获得良好的视觉效果，也不会因为模型面数过多而导致系统资源浪费。

2.3 多细节层次（Levels of Detail，LOD）技术

在不影响画面质量的前提下，LOD技术通过逐次简化物体的表面细节来降低场景的复杂性。在渲染时，依据模型与虚拟摄像机的位置关系以及占用屏幕比例，决定渲染对应层次的模型，可以通过降低在渲染屏幕中所占比重较小的物体的面数，以提高渲染效率[6]。

平台使用UE4提供的LOD系统进行模型各层级LOD制作，对于单个模型而言，其优化效果十分出色，极大地降低了渲染压力。其各层级LOD效果如图5所示。

图5 LOD效果示意

2.4 实时通信技术

在移动端体验过程中，为降低终端的渲染压力，平台通过云服务器对虚拟场景进行渲染并将视频流实时传输到终端。网页实时通信（Web Real-Time Communication，WeBRTC）技术的特点是在不安装软件和插件的情况下，通过浏览器即可实现端对端的双向数据传输[7]。WeBRTC支持Windows，Linux，Mac，Android等系统，具有良好的跨平台能力。在红色文化教育云平台中采用该项技术，实现移动端与云端的渲染数据流、控制指令的传输，达到交互式体验的目的。

3 平台实现

3.1 技术路线

四川红色文化教育云平台是将VR技术与红色文化教育资源相结合开发的，首先是收集整理素材，比如照片、视频、文字资料等。接下来根据素材，采用Maya建模软件对关键场景和人物进行精细化建模和动画制作，基于真实地理信息数据对周边地形进行还原。采用UE4引擎作为红色文化教育虚拟场景可视化的关键平台，使用蓝图编程的方式构建人机交互界面和交互逻辑。采用云端存储和部署的方式为多种类型终端用户提供资源下载、在线渲染等服务。

3.2 功能设计与实现

3.2.1 场景可视化

本系统采用UE4作为虚拟场景可视化引擎，UE4可以得到逼真、实时的渲染效果，该引擎支持不同的天气环境、道路环境、自然光、环境光以及反光等效果的实时渲染。UE4兼顾系统运行效率与渲染质量的平衡，提供了强大的光源、材质、阴影及反射等效果，高质量、高速度地处理复杂场景的可视化，环境、光照、材质可实时改变，具备对环境、光照、材质等进行实时的真实渲染能力。UE4出色的实时渲染能力为红色文化教育场景可视化提供了有力的保障。

在四川红色文化教育云平台实现过程中，最重要的是场景和人物设计。历史事件的高度还原与场景设计密切相关，为了让参观者能够沉浸其中，需要根据历史影像高度还原历史场景。利用软件，合理开发贴图材质、灯光等场景要素，以保证场景更形象。除了逼真的场景，人物设计也至关重要。为了让历史人物形象更加真实、生动，需全面了解每个历史人物的特征，包括容貌、姿态、服饰等。场景效果如图6所示。拟场景事件、交互指令触发相应的声音内容，达到视听一体化的展示效果。

图6 飞夺泸定桥场景还原

（3）3D菜单设计

在沉浸式体验环境中，为了快速便捷地进行操作和功能选择，平台为参观者提供了3D菜单，通过VR手柄预设的按钮呼出菜单后进行相应的操作，具体设计如图8所示。

图8 3D菜单设计

3.2.2 天气系统设计

为了呈现多样化、真实化的视觉效果，平台提供了完善的气候条件供参观者自主选择或随机分配，如春夏秋冬四季场景的变化以及晴雨雪雾不同天气场景的变化，效果如图7所示。

图7 季节和天气模拟

3.2.3 声音仿真设计

听觉是人类在视觉之外获得信息的主要途径。在听觉与视觉的关联作用下可以提高大脑信息加工的精确性，而且可以避免单一信息通道的过载。虚拟现实不只是视觉上的模拟，对场景中各类声音进行立体化模拟也尤为重要。在该培训系统中主要声音包括：

（1）背景音

通过场景环境进行分析，整理出主要的背景音类型、位置和大致的音量。通过在虚拟环境中对应的位置设置发音虚拟体并设置一定的随机变化值进行模拟，达到较为真实的效果。

（2）事件声音

历史事件虚拟化还原主要涉及枪炮、爆炸、冲锋号、人物对话、旁白介绍等声音。通过程序控制，根据虚

（4）虚拟漫游

参观者可以在红色文化教育线路中选定的红色旧址虚拟场景中任意游走，浏览旧址中的画面、文字和雕像等。

为了提高虚拟场景的漫游灵活性，平台提供了多种漫游模式。参观者可以在虚拟场景的三维菜单中进行自由选择。

a.飞行模式：用户可以通过VR手柄按键、虚拟图标等方式控制方向，实现在虚拟环境中沿任意方向进行漫游。

b.行走模式：通过在虚拟场景中构建碰撞物体对可移动区域进行设定，用户可以在实际空间站走动、转身或通过VR手柄摇杆控制方向，达到在虚拟场景中行走、奔跑的效果。

c.跳转模式：针对区域范围较大的红色旧址，行走模式不能完全满足游览要求时，观看者可通过虚拟指针指向目标点，系统通过坐标拟合计算将虚拟人直接跳转到目标点上，实现快速移动的效果，提高整个虚拟场景游览效率。

（5）交互设计

在软件使用过程中的感觉就是一种交互体验。随着技术的发展，人们也越来越重视对交互的体验。设计的主要目的是如何使用户更好地与系统交互操作。人机交互设计应注重的是系统易用性、流程简便、盲点测试、出错及异常提示、用户环境测试等[8]。红色文化教育系统采用UE4特有的蓝图编程实现人机交互设计与开发。可视化脚本类非常适合于制作交互式的资源，比如开关门、物体拾取、动画触发、声音触发、材质变换等。可根据用户的操作、位置、语音识别进行响应，达到自主化、自动化、智能化的人机交互效果。

（6）剧情设计

在展示过程中，以空间为导向，采用讲故事的方式，以开合、急缓、松紧等节奏的配置形成事件序列，可以让参观者更好地融入到空间环境中[9]。红色文化教育系统以历史事件为原型，采用艺术化的设计手段，以语音讲解的方式介绍事件背景，以交互式三维动画呈现事件过程，以图文素材展示事件结果，构建完整的历史事件演绎过程，形成符合史实的完整剧本。让用户以第一人称视角参与到整个事件过程中，获得更加真实、震撼、感同身受的体验效果，进一步提升对红色精神的学习深度。

（7）导航与讲解

为了提高游览效率，开发平台提供了具备一定智能化的导航虚拟机器人，参观人员通过语音指令即可调出。虚拟机器人根据用户所处的游览位置进行语音播放或者图文视频的投射显示，如图9所示。这种导航方式采用了现代科技感和历史事件相结合的设计方式，使得整个系统更具交互性和趣味性。

图9 导航提示

（8）交互式问答

为了对游览效果进行数据化地呈现，在游览结束后平台根据游览内容提供了相应的问答作业，后台程序对用户的答题内容进行统计分析，形成成绩单和图形化统计报表，为平台的升级优化提供数据支撑。

（9）系统管理功能

a.用户管理：实现用户的注册、登录、权限配置等功能。

b.访问管理：在移动端使用模式下根据访问人数与平台支持的最大并发量，实现参观预约、排队的管理功能。

c.资源管理：实现数据资源的下架、上传、部署、权限设定等管理功能。

d.数据统计分析：对红色文化教育资源使用情况进行实时监测、分析和统计。

4 结束语

随着虚拟现实技术的不断发展以及硬件成本的逐步下降，红色虚拟文化教育将成为未来的发展趋势。基于三维可视化的红色文化教育云平台具有仿真度高、交互良好、使用便捷、数字资源丰富和可扩展性强等特点，可打破时间和空间的限制，让参观者足不出户即可在沉浸式的环境中感受到革命先烈浴血奋战的场景。其可以为四川红色文化教育的发展、红色革命精神的普及和推广发挥巨大作用。