VR虚拟科技馆系统设计与实现

　　摘要：虚拟科技馆的出现，一定程度上解决了实体科技馆数量少、城乡分布差异大、开放时间有限等问题。本文简要的介绍了VR虚拟科技馆的概要，然后分析了构建VR虚拟科技馆的理论基础，然后从场景设计、动画制作以及交互功能方面完成了VR虚拟科技馆的设计，并邀请用户进行了体验。

　　本文源自科学与技术【2020年第23期】《科学与技术》杂志是经国家新闻出版总署批准，中国科学技术协会、新疆阿勒泰地区科协主管，新疆阿勒泰地区科协主办的学术性期刊。《科学与技术》杂志栏目内容：主要刊登数学、物理、化学、生物化学、自然科学、工业科学、工业技术、土木建筑、电气技术、电子电信、计算机技术、环境科学、医药卫生、农林牧渔、水利水电、道路桥梁、科学管理、科学教学等学科的理论研究和应用技术研究方面的科研论文、具有学术深度的述评文章。

　　关键词：科技馆;虚拟科技馆;虚拟现实

　　一、虚拟科技馆的概要与系统构建的理论基础

　　1.VR的概念和特点

　　VR即虚拟现实技术，它是一种集成了计算机技术与传感器技术的一类人机交互形式，目前来说，虚拟现实技术是最高级别的多媒体展示技术，其包含了传感技术、计算机技术、人工智能和心理学等诸多尖端科技。

　　虚拟现实最突出的特点是沉浸性、交互型与构想性。沉浸性主要体现在它可以使用户在虚拟世界中获得极高的真实感;交互性主要是指用户可以对虚拟世界中的物品进行操作;构想性主要是指用户可以在虚拟现实的体验过程中通过在虚拟世界中获取的信息，进行自主的思考和选择，进而突破障碍，完成既定任务。

　　2.虚拟科技馆构建理论—情境学习理论

　　通常情况下，人的特定认知与行为是相对特定的情境而言的，环境因素会对此产生直接的影响。情境学习理论的研究重点在于学习者与情境之间的互动，认为人的认知都是以特定的社会情境为基础的，并认为情境化是形成新的认知的前提条件。同时，该理论还认为行为与认知是相辅相成的，无法撇开其中任何一方去谈另外一方。VR虚拟现实技术则可以通过现代科技突破环境与空间的约束，营造出非常接近真实世界的交互情境。在VR虚拟科技馆的设计方案中，设计者需要注意强化虚拟情境与科普知识的融合，以提高虚拟科技馆的教育价值。

　　3.虚拟科技馆构建理论—具身认知理论

　　具身认知强调人的心理感受和生理体验之间具有存在着密切的联系，并认为人的认知是基于环境因素和人本身综合作用产生的结果。同时，认知作为一种心理过程，是通过身体的特定的行为来实现的，因此认知可以理解为是人参与到环境中特定活动中剥离出来的主观经验总结。在VR科技馆中，虚拟的交互是通过VR显示仪器与操作手柄来共同实现的，学习者可以借助虚拟视觉设备从而进入到特定的虚拟情境中去，然后会产生强烈的沉浸式情境体验。另一方面，操作手柄可以通过振动触感实现人与情境的认知交互。人与环境的交互体验能够有效提高学习的效率和质量，将那些抽象和复杂的知识植入到虚拟情境中，然后通过身体与情境的交互，能够提高人对知识的接纳和理解效果。

　　二、虚拟科技馆的设计概述

　　1.构成模块设计

　　综合实体科技馆与虚拟现实技术的特点，本文采用科技馆大厅、动物世界、地心探索、地震体验以及视觉认知等五个子模块，如下图1所示。

　　图 1 虚拟博物馆模块构成

　　本文采用Unity 3D VR引擎来实现显示功能，操作功能与信息的交互则通过VR手柄来实现。

　　2.展厅场景设计

　　通过发挥VR技术构想性特征，将现实中受客观条件限制而无法实现的内容设计在VR虚拟空间中，能够营造出更好的学习环境。例如，体验者可以通过“乘坐”下降的电梯，体验地下煤矿的开采环境，身临其境的学习煤矿开采相关知识，如下图2所示。

　　图 2 地心探索馆乘坐地下电梯

　　本设计通过VR技术模拟了原始的自然环境，极大了增加了体验者的真实感。如下图3所示：

　　图 3 动物世界馆

　　3.交互导览设计

　　虚拟科技馆中的情境引导主要包括指示牌、虚拟地图设计、智能寻路以及行走设计等。交互式导览平台的设计与实现是VR虚拟技术的关键技术之一，直接影响到VR沉浸式体验的效果。交互式的沉浸性体验最大的特点就是能够引导体验者从被动式学习转向主动探索，培养其学习的黏度，并有助于体验者创新能力和想象力的激发。如下图4所示的地震体验馆，体验者在穿戴VR设备后，系统会进行震感的模拟，并同步提示体验者按照地面标识的路线躲避在墙脚等安全性相对较高的位置。

　　图 4 地震体验馆训练模式

　　4.场馆教学设计

　　无论是实体科技馆还是虚拟科技馆，其初衷都是为了科普知识，教育大众。因此，在虚拟科技馆的设计中，教育的植入尤为重要。在虚拟科技馆的设计中，可以将问题植入到虚拟任务关卡中，引导体验者积极的思考和寻找答案，完成问题才能进入到后道关卡。如下图5所示的地心探索主题馆，系统将目标问题悬浮在虚拟场景中，体验者可以通过操作手柄进行作答，增强了学习的体验感。

　　图5地心探索馆答题界面

　　三、虚拟科技馆的开发

　　选取Unity 3D作为虚拟科技馆的开发平台，开发语言选择C#，开发软件选择3dMax，同时结合SteamVR、VRTK等插件，完成虚拟科技馆的虚拟情境构建和人机交互功能。电气硬件则选择HTC VIVE，具体的系统研发流程如下：

　　1.构建场景

　　导入模型

　　首先创建一个Unity工程，然后导入3dMax中的模型，同时选中Assets文件夹中的import newAsset文件和导入的模型，即可在Project窗口中预览模型。

　　(2)创建场景

　　在上文新增的Unity工程中添加新的场景，使用Scene编辑器处理导入的资源并完成模型的编辑，添加模型的物理属性。例如，在地震体验馆(如下图6)中设置硬性物体，以增加模拟地震时的真实感。

　　图 6 地震体验馆地震模拟

　　2.设置动画

　　3ds Max Unity中的Animation组件一般用来控制单个动画的播放，Animator组件则用来控制多个动画的轮播。

　　(1)在Unity中创建Animation动画

　　将Animation组件植入模型中，并进行动画赋值，勾选Play Automatically即可实现动画自动播放。

　　(2)Unity 中创建 Animator 动画

　　在模型上添加 Animator组件，在Project 面板中创建 Animator Controller， 将 Animator Controller赋值给到Animator 组件。接着选中 Animator Controller文件，点击Open即打开控制器，在 Animator Controller 中创建一个新状态，为其指定一个动作，添加动画，并设置按箭头控制动画的流向，添加触发的事件。完成上面的设置后，即可通过代码控制动画状态的切换。

　　3.交互的实现

　　场馆漫游的实现

　　将SteamVR与VRTK 插件植入到Unity 3D编辑平台中，完成VR场景的构建，然后使用SteamVR和VRTK代替旧版场景中的Main Camera，再将 “CameraRig”应用到场景中，即可完成VRTK设置。

　　(2)触摸抓取的实现

　　通过HTC Vive手柄与虚拟场景中的物体接触来完成触摸、跨越、捡拾等操作。需要注意的是，“VRTK_Interact Grab”和“VRTK_Interact Touch”脚本需要预先植入手柄控制器中，捡拾功能可以设置在“Grab Button”下拉菜单中。

　　(3)UI点击的实现

　　此处UI点击的实现是通过扣动手柄上的扳机来实现的，瞄准则通过手柄上发射的射线与Unity 3D中的Canvas的碰撞检测来完成。

　　4.产品调试与输出

　　系统配置完成后在Game窗口下运行，按照一定顺序测试所有功能;然后，在Console窗口下检查是否有错误信息输出;最后，在Unity 3D编辑器中点击“File/BuildSetting”，并添加不同场景，使用PCStandalone平台输出。

　　四、试用评价

　　整个VR系统测试完成后，随机邀请了部分观众进行了体验。在沉浸性方面，体验者表示沉浸效果较好，真实感很强;在人与情景的交互方面，体验者认为此VR系统交互较为简单，交互的模式与实际较为接近，体验感十足;在教育性方面，体验者表示虚拟科技馆的教育是一种与实体科技馆完全不同的模式，很喜欢这种亲身经历的教育模式;满意度方面，VR虚拟科技馆在参与体验的观众中反响较好。

　　参考文献：

　　[1]赵志敏.虚拟现实技术在科技馆的应用[J].科协论坛,2018(06):14-15.

　　[2]陈戈.VR技术在科技馆展品中的应用改造[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2017(07):141-144.