一种VR/AR红色文化虚拟仿真教育系统设计与实现

左德遥　高峰

摘  要： 为弥补当前高校红色文化资源传播手段和形式的不足，拓展红色文化的覆盖面，加强红色文化与课程思政的深度融合。文章借助3ds Max建模软件和Unity3D开发平台，结合虚拟现实、增强现实关键技术，开发出VR/AR红色文化虚拟仿真教育系統。PC端VR系统实现了沉浸式体验，手机端AR系统使学生能随时观看学习。该系统不仅提高了学生学习兴趣，拓展学生新型技术应用视野，也为高校课程思政教学改革提供支持。

关键词： 红色文化; 虚拟现实; 增强现实; Unity3D; 虚拟仿真

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A      文章编号：1006-8228（2022）02-66-04

Design and implementation of VR/AR red culture virtual simulation education system

Zuo Deyao， Gao Feng

（Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Dongyang， Zhejiang 322100， China）

Abstract： In order to make up for the lack of the means and forms of the red culture resources in colleges and universities， expand the coverage of the red culture， and strengthen the deep integration of the red culture and the ideological and political education. In this paper， a VR/AR red culture virtual simulation education system is developed by means of 3ds Max modeling software and Unity3D development platform， combined with virtual reality and augmented reality key technologies. The VR system on the PC side realizes immersive experience， and the AR system on the mobile side enables students to watch and learn at any time. The system not only improves students' learning interest， expands students' vision of new technology application， but also provides support for the teaching reform with ideological and political education in colleges and universities.

Key words： red culture; VR（Virtual Reality）; AR（augmented reality）; Unity3D; virtual simulation

0 引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），是指运用计算机生成的一种虚拟环境，该虚拟环境能够给人提供多感官刺激，与人实时交互，从而使人产生强烈的沉浸感。增强现实（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。虚拟现实技术凭借其沉浸性、交互性、多感知性、构想性和自主性的特点，充分满足了现代教育的需求，因此将其融入机械工程类实践课程、智能制造类实践教学中，构建虚实结合的多层次教学平台，满足工程实践课程的教学需求[1-2]。AR是把虚拟信息融入现实环境中的一种全新的交互方式。AR具有虚实结合、实时交互、三维注册这三个基本特征，已经在医疗、教育、工业等方面有了广泛应用[3-4]。此外，近几年有不少关于VR技术在具体某个景区或博物馆应用的研究[5-6]。2021年恰逢中国共产党建党100周年，红色文化资源内容丰富、形式多样，研究VR产业如何助力红色资源开发，研究红色资源如何丰富高校思政课堂，具有十分突出的育人价值[7]。

基于以上研究，本文将借助虚拟现实和增强现实技术实现红色资源的具象化呈现，将红色资源贯穿到高校实践课程的教学过程中，构建体验式教育教学系统，有利于增强教学吸引力，提高学生参与度。

1 红色文化虚拟仿真教育系统整体设计

1.1 总体思路

我们创作了以长征为主题的红色文化虚拟仿真教育系统，该系统设计并开发了两种展示交互系统，具有沉浸式体验HTC VIVE VR红色文化虚拟仿真教育系统和便于学生随时观看学习的手机App端AR红色文化虚拟仿真教育系统，具体功能如图1所示。

1.2 技术路线与系统架构

技术路线与系统架构，主要包括软件建设部分和硬件支撑部分。第1部分软件建设部分，首先需要在3ds Max建模软件里完成三维模型制作以及在Substance Painter中完成贴图制作;其次将模型、UI设计等美术资源导入Unity3D引擎完成项目的UI界面搭建、场景设置;最后完成主程序、交互逻辑程序构建，在程序开发过程中还需要导入SteamVR Plugin和VRTK插件完成VR项目的开发，导入Vuforia SDK完成AR项目的开发;第2部分硬件支撑部分，主要包括HTC VIVE头盔、VIVE定位器、操控手柄、安卓手机、台式或笔记本电脑。第1部分和第2部分共同构成了红色文化虚拟仿真教育系统VR/AR开发的软、硬件平台支撑。

VR红色文化虚拟仿真教育系统，主要通过主场景设置和VR过草地场景设置完成，运用VRTK插件实现场景漫游和传送、物体交互、UI交互等交互功能。AR红色文化虚拟仿真教育系统，利用移动设备摄像头获取现实环境，并将虚拟场景与现实环境叠加融合，主要通过主场景设置和AR场景设置完成，运用Vuforia插件实现二维图像扫描对应、触屏控制等功能。

2 VR红色文化虚拟仿真教育系统开发实现

2.1 系统开发流程

系统分为PC端VR系统和手机APP端AR系统，由于采用Unity3D开发平台，支持PC端、Web端、APP端的全平台发布，且AR系统是基于VR系统内容开发，因此，重点以PC端VR系统开发为主阐述，并在第三部分单独进一步阐述AR系统。

⑴ 场景模型制作、主体交互模型制作

场景模型制作是镜头动画设置的基础，场景模型包括红军战士、马、旗帜。主体交互模型是场景预设三种交互道具，包括草鞋、背带水壶、冲锋号，触发后可出现对应的物品简介和语音介绍。三维模型的建立是后续VR/AR红色文化虚拟仿真教育系统实现基础，可基于3ds Max三维建模软件进行建模，构成红色文化虚拟仿真教育系统三维模型库。

⑵ 三维模型UV拆分、贴图绘制

第一、在3ds Max中制作同一个模型的高模和低模。第二、在Unfold3D中把低模进行UV的拆分，在3ds Max中将高模拓扑为低模，并在3ds Max中烘焙法线贴图。第三、可进一步利用Photoshop软件制作一些贴图，并将模型和PS中处理后的贴图进一步导入到Substance Painter中制作基于PBR通道的贴图，配合模型在Unity3D引擎中使用。

⑶ UI界面设计、VR场景制作

将模型、贴图、视频、音频等资源导入到Unity3D引擎中进行UI界面搭建、场景内容制作、VR交互设计，使用C#脚本编程语言完成VR系统的开发。

⑷ VR系统的打包与发布

将开发调试好的VR系统选择在PC端平台发布，生成可直接执行的VR红色文化虚拟仿真教育系统。

2.2 系统设计及功能实现

2.2.1 主场景设计与实现

主界面设计采用界面特效和UI设计的方式进行设计，背景采用的是沈尧伊先生油画作品《而今邁步从头越》作为软件的主界面背景，通过增加披风、旗帜动画方式，以及添加硝烟、火焰、飞舞的火星、漫开的烟雾等粒子特效让画面更具动感。主场景主要通过历史沿革、人物简介等长征纪录片和革命先烈生平纪要实现媒体播放功能与文字展示功能。UI界面交互使用VRTK实现与UI元素的交互，除需要在控制器对象上添加VRTK_UIPointer组件外，还需要在UI容器Canvas上添加VRTK_UICanvas组件。

2.2.2 VR场景设计与实现

VR过草地场景采用Unity Terrain工具绘制出草原及周围环境，添加合适的贴图素材进行场景的着色处理，为场景添加合适的天空盒，添加雨点、水雾等粒子效果，制作出雨天动态效果，为地面材质添加水渍效果和动态水纹。该场景通过镜头动画+VR交互漫游的形式带观众体验红军过草地的场景。通过设置Timeline用于管理镜头组及人物动画，添加Alembic插件适配人物的ABC动画格式，实现镜头动画的制作。

VR交互漫游具体功能实现如下：在VR环境中，使用VRTK搭建和配置项目环境，添加相应的组件，实现场景的漫游和传送;移动区域显示与隐藏实现玩家碰到限定区域，该物体的透明度会增大，显示区域的颜色，玩家离开限定区域，该物体的透明度变为0，从而会隐藏;VR场景中实现与物体的交互主要包括使用VRTK_InteractTouch组件实现与物体触碰，使用VRTK_InteractGrab组件使控制器能够抓取和释放物体，VR物品简介与语音介绍使用VRTK_InteractUse组件使控制器能够使用物体。VR传送对象设置是指用户按住圆盘键发射射线，射线悬停物体时，按住Trigger键打开提示窗口，该交互行为需要开发者自定义相应事件处理方法。

3 AR红色文化虚拟仿真教育系统开发实现

基于手机APP端的AR红色文化虚拟仿真教育系统主要包括主场景和AR场景，主场景的开发实现与PC端主场景类似，此部分主要阐述AR场景设计与实现。AR场景实现了红军过草地、地理环境、长征精神等历史事件的学习;AR功能包括AR模型展示、AR视频播放、触屏交互设计等。AR场景利用Vuforia SDK中的AR Camera（AR摄像头）取代Unity3D引擎中的Main Camera（主摄像头），使用Image Target作为AR Camera的识别对象，即特定的识别图。扫描识别图，识别图识别成功后，则出现与识别图所关联的模型和视频。触屏交互设计，通过添加手指触屏功能在手机端对模型进行交互操作：单击实现模型脱卡;双击模型实现物品的简介与语音的介绍;单指滑动实现模型的旋转;双指实现模型的放大缩小;长按实现模型的销毁等功能。

模型旋转的核心代码如下：

if（Input.GetMouseButton（0）） //是否触摸屏幕

{  if （Input.touchCount == 1）//是否单指触摸

{  if （Input.GetTouch（0）.phase == TouchPhase.Moved）

//第一个触摸的手指状态是否滑动

{  //单点触摸，水平上下旋转

transform.Rotate（Vector3.up * Input.GetAxis

（"Mouse X"） *-xSpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

transform.Rotate（Vector3.right * Input.GetAxis

（"Mouse Y"） * ySpeed * Time.deltaTime，

Space.World）;

}

}

}

4 系统测试与发布

系统开发完成后，将VR系统发布到PC端生成.exe格式文件，将AR系统发布到安卓端生成.apk文件。用户只需点击软件，就进入了红色文化虚拟仿真教育系统界面，PC端用户只需拿着HTC VIVE操控手柄/鼠标体验沉浸式主场景和VR场景，手机端的用户可以使用手指完成主场景、AR场景的体验与交互。

经过反复运行测试，系统运行流畅，功能满足了基本的设计要求。

5 结束语

本文设计与实现了基于Unity3D VR/AR红色文化的虚拟仿真教育系统。该系统通过三维软件建模、Unity3D开发平台、SteamVR Plugin、VRTK插件、Vuforia SDK實现，整理并设计了一套红色教育课程思政资源库，打破传统红色教育的时空限制，让学生足不出户，既学习了专业知识，又体验了红色主题教育，教学形式受到学生的普遍欢迎。该系统与专业教学的深度融合，是需要进一步研究的内容。

参考文献（References）：

[1] 蔡宝，朱文华，孙张驰，等.虚拟现实技术在铣削加工实训教学中的应用[J].实验技术与管理，2020，37（1）：137-140

[2] 刘继忠，旷有涛，金颖，等.一种VR/AR液压拆装实验教学系统的开发和实现[J].南昌大学学报（工科版），2021，43（1）：79-84

[3] 郭晓敏，申闫春.基于Unity/Vuforia的AR导览系统研究[J].计算机仿真，2019（8）：165-169

[4] 方艳红，庄永智，王学渊，等.基于增强现实的汽车驾驶仿真实验系统[J].实验技术与管理，2020，37（4）：147-150

[5] 王爱军，李中永，颜世波.基于Unity 3D的博物馆虚拟漫游系统设计[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2019，29（1）：49-53，59

[6] 金晓明，吴成浩.基于VR/AR实感交互设计的八大山人纪念馆视觉导览研究[J].包装工程，2019，40（6）：87-93

[7] 范小青.网络时代红色资源在高校思政课中的应用[J].学校党建与思想教育，2021（6）：51-52