基于VR的“京师红迹”沉浸式体验系统设计

刘嘉琪,冯雅馨,赵瀚林,骆岩林*

(1. 北京师范大学人工智能学院,北京 100875;2. 北京师范大学经济与工商管理学院,北京100875)

1 引言

红色文化是中华民族革命建设历程中,积累的物质文化、理论成果、制度建设的总和,更是高度价值的精神瑰宝。红色教育对大学生核心价值观有着不可替代的引导作用,可进一步推动高校大学生思想政治教育工作的完善。探究红色教育融入大学生思想政治教育的价值和路径, 有着重要的现实意义[1],是当代高等教育的重要课题。通过手段和方式的创新,使社会主义核心价值观教育更加生动形象,不仅可以迅速扩大教育的范围,而且能够大大增强教育的效果,帮助受教育者建立起科学健康的价值观体系。对于全面建设和谐社会和实现中华民族的伟大复兴具有非常重要的意义[2]。

北京师范大学校校史悠久,其内现存数座中国共产党红色文化的代表,包括如图1所示的“三·一八”殉难烈士纪念碑、先师鲁迅纪念像、“一二·九”纪念碑、“五四”纪念碑等。它们是中国共产党革命精神的见证。但是由于地域限制,无法对其所蕴含的红色精神进行教学性质的宣传和研究。

图1 “京师红迹”实地拍摄图

VR(Virtual Reality,简称VR)即虚拟现实技术,又称灵境技术,是利用计算机技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界,为使用者提供视觉、触觉、听觉等感官的模拟[3],它为虚拟建模和临场体验提供了一种新的技术手段,可以使用户通过交互设备观看三维物体模型,并能够对模型进行交互性操作,从而体验到实际操作的临场感[4]。

VR技术作为新时代的前沿科学技术之一,对航天航空、工业机械测绘、文化传播等领域的发展前景起到了巨大的推动作用,特别是在教育领域,对高校课程教学方式的变革和学生学习方式的创新具有极其重要的意义[5]。沉浸式 VR 技术通过有效的信息展现手段,实现了对红色文化的数字化发掘。譬如与传统实景的红色教育展览馆相对的虚拟云展馆,实现了数字化层面的文化内涵的凝聚与升华[6]。沉浸式 VR 技术的这些特征,对于传统的红色教育手段有着极大的诱惑力和吸引力,借助 VR 为用户创建的高仿真学习情境和丰富的学习内容,能有效提升用户的学习兴趣,解决了传统红色教育中教学成本高、情境性不强等问题,对于提高红色教育课程效果、弥补传统红色教育模式的不足是一种有益尝试[7]。利用该技术的特长和优势、通过北京师范大学校内红迹传播红色精神,能够取得更高质量、更完善的红色教育成效。

针对目前虚拟漫游系统存在的场景仿真效果不佳、信息获取量较小、开发周期长等问题[8],本文基于Unity 3D游戏引擎开发了“京师红迹”沉浸式体验系统,不仅逼真还原了红迹实景,还加入了场景漫游、音视频讲解、“场景穿越”等功能,以增加体验的交互性和趣味性,使体验者身临其境地游览京师红迹,在探索中学习红色文化。凭借该系统平台,可以弥补现实中“京师红迹”观览教育受限的不足,并作为虚拟现实技术应用于红色教育领域的一次创新性探索。对参观者进行的问卷评估结果表明:该系统容易操作,沉浸感强,可以提高学生的学习兴趣,实现学生思政知识的完善。

2 关键技术

“京师红迹”沉浸式体验系统的开发主要包括三维建模、虚拟场景搭建和交互设计三部分,采用3DsMax和ZBrush软件作为建模工具,然后将模型导入Unity3D搭建虚拟场景,并进行交互设计。3DsMax用于对主要建筑物、景观等物体建模,ZBrush数字雕刻软件用于雕像的建模,然后基于Unity3D游戏引擎和SteamVR插件实现VR场景的搭建,进一步实现场景漫游和三维交互功能。

虚拟现实专业软件为 VR系统开发提供了有力的工具和平台,其中Unity公司的Unity3D 虚拟现实引擎应用广泛,可以制作出符合逻辑的物理效果和实物相同比例的 3D 场景。其程序编辑器支持 C#、Java Script、Python 等多种编程语言,同时支持多种常用CAD格式的模型文件导入[9],且能连接、导入音频。

2.1 三维建模

京师红迹虚拟体验系统主要包括“三·一八”殉难烈士纪念碑、先师鲁迅纪念像、“一二·九”纪念碑、“五四”纪念碑四个主要模型。其中,三·一八”殉难烈士纪念碑、“一二·九”纪念碑和“五四”纪念碑结构较为简单,实地考察测量得到红迹各部分的尺寸,根据测量数据,在3DsMax中通过多边形建模即可完成模型的构建。

先师鲁迅纪念像模型的建模过程较复杂,主要包括底座和雕像两部分:

在3DsMax中完成对底座基本形状的建模后,为其添加阴刻字体效果。首先在3DsMax中新建文本,然后将四边形网格化,转化为可编辑多边形,并为字体添加厚度,期间通过添加“松弛”修改器使字体更加圆润。

鲁迅雕像则需要使用ZBrush软件进行雕刻,首先新建对象设置初始球体的大小参数:Align Y:X Size=100,Y Size=100,Z Size=100,Coverage=361,HDivide=128,VDivide=65。调整对象形状为椭圆。通过修正插件Zsub制作凹陷,结合Zadd不断细化雕琢,直到其具备与实际相近的岩石轮廓,结果如图2中(a)所示;在3DsMax环境中,通过布尔运算的“并集”功能,将上述雕刻结果与鲁迅头像融合,结果如图2中(b)所示。

图2 先师鲁迅像主体部分创建

建模完成后,为模型各部分添加材质贴图,其中一部分贴图来自利用实景拍摄,所建模型与实体高度一致,其效果如图3所示。最后,将所有模型以FBX格式导出。

图3 “京师红迹”雕塑模型

2.2 虚拟场景搭建

首先,新建一个Unity项目,下载并导入SteamVR插件,将插件中的“[CameraRig]”预制体拖入场景,完成VR场景搭建。

然后,将所有FBX格式的模型文件导入Unity工程的Assets目录下,并在Unity3D中设置对应材质,再根据实际场景对模型进行平移、旋转和缩放操作,将其以适当的大小放置在合适的位置。

最后,为场景添加平行光源、聚光灯等光源,模拟真实的环境光。系统一共搭建两个场景——主场景“Main”和“穿越”场景“office”,其效果分别如图4(a)和(b)所示。

图4 场景效果图

2.3 交互设计

系统实现了视频交互、音频交互和场景转换三种交互方式,三维交互设备为HTC Vive头盔和手柄。参观者进入系统后,从起点开始沿着地面导向箭头行走,将依次体验“五四”纪念碑,“一·二九”时代先声纪念碑,“先师鲁迅”纪念碑,“三·一八”殉难烈士纪念碑。参观者走近上述四处“京师红迹”时,系统自动播放介绍音频,参观者也可操作手柄与宣传板进行交互,对讲解视频进行播放或暂停。此外,在“先师鲁迅”纪念碑旁设置鲁迅先生名言导读环节,通过阅读书籍、聆听名言解读进一步感受鲁迅先生的精神;在“三·一八”殉难烈士纪念碑旁,设置“穿越”环节,即检测到参观者走近时,通过脚本控制场景转换,使参观者“置身”民国房屋内,增强历史沉浸感。

技术路线如图5所示,基于Unity 3D实现体验者与“京师红迹”在视觉、听觉上的互动和体验,满足其自主互动需求,保证体验过程的强交互性。

图5 技术路线图

在 Unity3D 中进行交互设计,关键在于Unity 组件的运用和脚本编程。系统选用C#语言作为脚本语言,下面对视频交互、音频交互和场景转换这三个主要交互过程的实现进行简要介绍。

1)视频交互

首先,为展板模型添加碰撞器组件“Box Collider”和视频播放组件“Video Player”。

然后,为手柄添加射线效果。将SteamVR插件提供的“SteamVR＿LaserPointer.cs”脚本挂载到“[CameraRig]”游戏对象的子对象“Controller (right)”上,设置射线的颜色“Color”和粗细“Thickness”等属性,如图6所示。

图6 手柄射线参数

最后,新建C#脚本“Videoplayer.cs”,挂载于展板游戏对象,实现当体验者通过手柄发射射线被宣传板接收到时,即可播放关于红迹的视频介绍,再次发射射线时视频停止。“Videoplayer.cs”脚本内容如表1。

表1 实现手柄交互和视频播放控制功能的伪代码

表2 评估问卷

2)音频交互

当体验者移动到红迹附近的特定区域,会自动触发音频讲解,讲解内容为五四运动的历史意义、一二九运动的历史背景、三一八事变所蕴含的精神、鲁迅先生的名言和思想等相关历史知识。当体验者离开该区域时,讲解会自动暂停。通过以下步骤实现:

首先,在“红迹”附件创建一个名为“Voice”空物体作为触发音频的区域。然后,为该空物体添加碰撞器组件“Box Collider”和刚体组件“Rigidbody”,并勾选碰撞器组件的“Is Trigger”选框,使它成为一个触发器,如图7所示。同时,也需要为VR相机(即“[CameraRig]”预制体)添加碰撞器组件“Box Collider”,并设置包围盒大小,使体验者移动到该特定区域时VR相机与该空物体可以发生碰撞。

图7 添加触发器

接下来,为“Voice”空物体添加音频组件“Audio Source”,并将录制好的音频拖入拖至“AudioClip”处,取消“Play on awake”选框的勾选。

最后,通过C#脚本中调用触发器函数OnTriggerEnter (Collider other)和OnTriggerExit(Collider other)实现音频的自动播放和停止。即为“Voice”空物体添加脚本,使开始碰撞时播放音频介绍;结束碰撞时,音频介绍就会停止播放。

3)场景转换

为实现图4所示校园主场景(“Main”场景)和刘和珍办公室场景(“office”场景)之间的转换,即体验者移动至三·一八殉难烈士纪念碑附近的传送台时,即可实现“穿越”效果,进入刘和珍学习生活的场景。

首先,在“Main”场景和“office”场景都设置传送台模型(如图8),并将其放置在合适位置,用于体验者的传入与传出。

图8 传送台模型

之后,给转移阵创建一个名为“transfer”的空物体作为子物体,并为其添加一个盒碰撞器组件“Box Collider”并勾选“Is Trigger”选框。

最后,分别为“Main”场景和“office”场景传送台模型添加C#脚本,同样通过调用触发器函数OnTriggerEnter (Collider other)检测到用户进入传送台,再调用SceneManager.LoadScene()方法实现切换到另一场景即可。

在“Main”场景中走到传送台位置即可实现跳转,跳转到“office”场景中摄像机初始位置,实现从现代“穿越”的体验。跳转前和跳转后的视角如图9和图4(b)。在跳转后的场景中走到传送台的位置,即可实现从历史“穿越”回现代。

图9 Main视角场景跳转

由于office场景为室内场景,需要对 VR 相机的移动进行限制,以避免参观者穿过墙体走出该场景。在 unity 中,两个物体发生碰撞的条件是:两个物体都必须带有碰撞器(Collider),其中一个物体还必须带有Rigidbody刚体。因此,为相机和墙面添加碰撞体和刚体组件,固定墙面的位置,当相机碰到墙面时,由于二者的刚体属性,相机会被墙挡住,不会穿墙而过。

具体方法如下:

如图10所示,首先为三面墙各添加一个与墙面规模相等,位置相同的空物体,并将它们设置为墙的子物体;然后对这三个空物体添加 Box Collider (碰撞体)和 Rigidbody (刚体)组件。Rigidbody 中勾选第二行的Freeze Rotation 中 X, Y, Z 三个选项以固定模型,保持 Use Gravity不勾选以消除重力的影响,office场景中的VR 相机在设计穿越环节已添加 Box Collider 组件,此时已满足物体发生碰撞的条件,实现了对场景漫游的区域限制。

图10 移动限制效果图

图11 问卷各题项评分结果

3 评估

3.1 问卷设计

为保证在投入使用前获取系统存在的问题,以及后续按照用户需求进行改善,本项目组对“京师红迹”沉浸式体验系统的效果进行评估,设计了一系列有关沉浸式虚拟环境体验感受的评价实验。

该问卷以沉浸式虚拟环境中用户体验的统一调查表为参考[10],分为参与感、临场感、沉浸感、情绪、可用性、体验后果和技术可采纳性7个维度。

临场感(Presence)即在个体物理状态处于其它环境的条件下,在虚拟环境中的主观体验。Kwan Min Lee[11]将其定义为“个体以感觉或非感觉的方式把虚拟对象体验为现实对象的一种心理过程”,并根据临场感的广义定义和在虚拟环境中的相关体验研究,将临场感分为物理临场感、社会临场感和自我临场感。

沉浸感(Immersion)指的是一种真实程度, 用户可以存在于虚拟环境中的真实性。用户可以通过佩戴头盔和数据手套等系列交互设备, 用户便如同来到了真实环境中[12]。

沉浸感与真实感是3D环境的特点,用户体验是三维交互主要特征。

体验后果(Experience consequence)指的是用户在虚拟环境中接收到的生理感受,如眩晕、紧张、头痛等。

技术可采纳性(Technology adoption)指用户将来使用或意图使用沉浸式虚拟环境所采取的行动与决定。

可用性(Usability)考察用户能否利用项目顺利完成任务。可用性目标和用户情感目标之间存在着权衡折衷的问题。

作为偏向于客观层面的评估维度,可用性并不足以衡量人机交互的体验质量,仍需引入考察用户主观的评估维度。虚拟交互的情绪(Emotion)研究以认知学中对情感的认知和象征影响和造成这种影响的过程研究为基础,对于系统性能的评估从关注“易于使用”到关注“愿意使用”[13]。

基于上述7个维度,本问卷共设18个题项,如表3所示。以5点李克特量表的形式对各题项的等级进行量度评估,其选项“非常不同意”、“不同意”、“不一定”、“同意”和“非常同意”分别对应1～5分。其中第14,15为反意题项,对应等级分值相反。

表3 调查对象分布情况

一共招募了来自北京高校的62名被试进行实验,他们被随机分为6～7人一组,共10组。实验之前,为每组被试者简单展示HTC手柄以及VR眼镜的操作方法。然后,每人进行为时8分钟的沉浸式学习体验,体验结束后填写性别和VR使用经验等背景信息和上述里克特评估量表,直到所有组全部完成实验。

3.2 结果与分析

本次参与调查的62名被试基本背景信息的分布情况如表4所示,其中有男生32名(52.6%)、女生30名(48.4%);VR设备使用经验调查结果显示,有7名被试(11.3%)从未使用过VR设备,55名被试(88.7%)偶尔使用过VR设备。

表4 不同性别下独立样本t检验结果

为研究不同性别、使用VR频率与用户体验的差异情况,其中,已知性别、使用VR频率为二分类名义变量,其余各变量均为连续变量,因此,本研究采用独立样本t检验,比较不同水平的具体差异情况。当p<0.05时,表示不同水平的当前指标具有统计学差异,当p>0.05时,表示不同水平的当前指标未发现统计学差异。与此同时,方差齐性时,使用已假设方差齐性后的结果,方差不齐时,则采用矫正自由度后,未假设方差齐性的结论。

本项目分别就7个维度对不同性别、不同VR使用频率的t检验结果进行p值检查,并计算出这些维度总体对此二影响因子的t检验结果,分别如表4和表5所示。

表5 不同VR使用频率下独立样本t检验结果

分析7个维度总体的t样本检验结果。不同性别情况如表5所示,p=0.55>0.05;不同VR使用频率情况如表7所示,p=0.907>0.05。即不同性别和不同VR使用频率的总体指标均不存在统计学差异。故被试的用户体验不会因为其性别因素和VR使用频率不同而有所差别。

对每个题项,每个维度所得分数计算平均值,得到如图12所示的问卷各题项评分结果。所有题项的平均得分都为正向(大于3分),其中有9个题项(45%)的平均得分高于4分。比较突出的是题项18、题项19和题项20,分别取得了4.60,4.45和4.55的平均得分,即获得了被试者较高的正向反馈,意味着学生通过本系统进行的红色教育过程中获得了更大的学习兴趣,对“京师红迹”这一学习内容有更深的印象,对相关历史的了解更加深入!题项3、4和5也分别获得了4.23、4.11和4.0的平均得分,这反映了本系统能够实现对虚拟环境中物体的多角度、近距离观察,且在视觉上对学生来说具有吸引力,学生在情绪上也享受在虚拟环境中的体验。题项13、15和17分别获得了4.4、4.34和4.27的平均得分,这反映了该系统能够提供体验感良好的漫游方式,其中的引导标志对参观过程有很好的指导作用。

图12 评估结果图

对题项所属的不同维度得分进行计算,以分析学生对于各个评估维度的整体观点。结果如图13所示。在7个维度中,学生在参与感和临场感,情绪和技术可采纳性上体验更好,分别获得4.07和4.29和4.5的平均得分。尤其是在技术可采纳性方面的得分,说明该系统在红色教育方面提供了学生更感兴趣的学习方式,并达到了更好的学习效果。对于总体而言,学生在整体上有较好的沉浸式体验,可以“身临其境”地参与其中。然而在沉浸感维度相对其它维度表现较差,只获得了3.87的平均得分,这说明学生在学习过程中仍会受到周围环境的干扰。部分被试在体验后反馈了HTC头显设备分辨率不够高,手柄操作不够灵敏的问题,这或许是导致沉浸感得分偏低的原因。

4 结论

本系统基于虚拟现实技术,将纪念雕塑、纪念碑等“京师红迹”从校园搬到线上,这是一种具有创新性的尝试。在3D的沉浸式体验中,通过多元的、有趣味性的交互设计,体验者化被动为主动,不仅可以近距离瞻仰雕塑、纪念碑,还可以通过交互手柄观看视频,并在瞻仰的过程中聆听其背后的历史故事,以及设计实现“穿越”环节,增强学习过程的历史沉浸感。通过设计问卷对搭建的虚拟学习环境进行用户体验评价实验,实验结果表明,本文设计的“京师红迹”沉浸式体验系统在临场感、参与感、沉浸感、可用性、体验后果、情绪、技术可采纳性七个维度整体上表现良好,即该系统有利于激发体验者的探索欲,使其获得更加难忘的学习体验,可以达到更好地弘扬校史文化,传播红色精神的效果。

融入沉浸感,注入科技感的新型传播模式可以使红色教育不囿于时间、空间限制,受众可以随时随地进行学习,同时这种学习模式可以激发参与者更大的学习兴趣,提升学习效果,对于推动红色教育的广泛、深入开展具有创新和实践意义。未来,该系统同时也可推广应用于其它革命遗址遗迹的展出和革命教育的开展,作为新时代一种更广泛的红色文化宣传思路,进一步实现红色精神的学习和传承。