基于虚拟现实技术在智慧校园中的建设与应用

　　摘要：随着科学技术的迅速发展和计算机硬件的逐步改善，虚拟现实技术已慢慢成为信息领域的一个研究热点。人们可以更好利用高性能计算机，构建一个逼真的三维环境，让人们身临其境的体验虚拟世界，在虚拟环境中使用不同的方式来与对象进行交互体验。本文重点研究如何使用 UNREAL ENGINE 4 虚幻引擎构建智慧校园，根据学校 1 比 1 还原校园环境，分模块进行校园建设，使用 3D max 软件建设校园教学楼、操场、实验室等模型，实现沉浸式教学效果、可以模拟火灾、地震等自然灾害的消防演习。

　　关键词：虚拟现实技术;智慧校园;UNREAL ENGINE 4;校园建设;3D max

　　宋雪; 李小庄; 卢甜甜， 网络安全技术与应用 发表时间：2021-11-15

　　1 虚拟现实技术原理

　　1.1 虚拟现实技术的概念

　　虚拟现实技术是 21 世纪重点发展的三个技术之一，在教育中可以代替传统授课方式，如多媒体教学等。可以让学生从间接获取知识变为直接获取知识，从旁观到参与，也可以让教师脱离传统的授课方法，不再一味讲授，也可以情境演示。学生通过教师建设的各种情境参与分配角色，在一定基础上，也可以改变教师设置的情境，这样使学习变得更加生动有趣，才能提高学生的兴趣及创新能力。这样可以使教师的教学方式多种多样，学生有沉浸感才能使教学变得有趣。

　　1.2 虚拟现实技术的特性

　　虚拟现实技术能够通过计算机设定三维世界，通过头盔、头显等外接设备实现五感的连接。虚拟现实技术的核心是人与计算机构建虚拟世界的交互性和沉浸性。虚拟现实技术构建虚拟世界分为两种类型：(1)重现现实世界;(2)制作完全的虚拟世界。

　　虚拟现实技术主要分为三个特征：第一，有真实的沉浸体验感，人们利用计算机软件创建一个拟想的虚拟环境，让体验者有非常真实的体验感，就像是身处在现实世界一样。这样能让用户感受到在虚拟环境中人也是可以有操作性的，能够在与计算机交互过程中扮演一个虚拟环境内的角色来实现人的体现作用，让用户如同在现实世界中一样。第二，有丰富的交互性，用户需要有交互体验才能感受到真实，如果无法在虚拟环境中进行交互，很快就会意识到问题，会尽快脱离场景建设。第三，有新颖的构想性，有些环境已经经过时间的磨灭消失或者慢慢损耗，无法让接收者得到直观的感受，只能通过照片或视频来间接接收内容，这需要制作 1 比 1 还原的场景，让学生有真实体验感。并且可以通过教师自己的设想来创建一个新的内容，发布给学生，学生通过讨论后可在其任何位置进行修改，可以提高学生自身认识，从而创造出新的构思想法。因此，虚拟现实技术应用在校园教学是非常有用的。

　　使用虚拟现实技术构建校园，可以让学生在宿舍就有身处课堂的感觉，通过交互性来使学生与老师互动，可节省课堂资源。如：地理学科的教师无法将关于地理环境的材料实地展示给学生，如果创建虚拟校园的虚拟课堂，即可让学生身临其境的学习地理知识;物联网概论的教师无法将智能家居这样庞大的电器体系都展示给学生，就可以通过虚拟建设，让学生先了解智能家居在家庭的应用，然后再了解每一个电器是由多个超大规模集成电路组成的，超大规模集成电路下属还有多个小型单片机，将抽象的东西具体化，更能带给学生直观感受。

　　2 虚拟现实技术应用于智慧校园建设的可行性

　　2.1 深度优化智慧校园智能环境

　　虚拟现实技术的发展，使学校校园的环境建设可以实现现实世界和虚拟环境的有机融合;特别是将实时视频控制、多传感器信息融合这两项技术应用于智慧校园建设，可以有效地多角度优化、呈现完整的校园环境。

　　2.2 抽象内容可视化、形象化，提升教学、科研质量

　　大量研究结果表明，若将教学、科研与虚拟现实技术深度整合，能够有效提升教学质量和科研水平;基于虚拟现实技术的可视化的呈现，能够加强对抽象事物的显性认知。因此可以推断，模型建立的质量好坏将直接影响整个虚拟现实环境质量的好坏。

　　2.3 强化校园的智慧性体验程度

　　智慧性体验是在智能环境、智慧应用和服务基础上，对环境和应用服务理念层面的升华，它展现的是用户对信息素养和信息文化的深层感受，以及与智慧校园各因素之间互动程度。因此，为了增强虚拟现实技术的体验感，不仅需要多种传感器的信息融合、实时跟踪、精准定位，还应实现用户与虚拟场景之间的自然交互，受到各种交互指令时，给予相应的反馈。

　　3 课题研究的意义和创新点

　　虚拟现实技术是未来非常受欢迎的可视化手段之一，它具有多感知性、交互性、沉浸性、三维建模等特点，现如今无论校园是否为数字校园，融入虚拟现实技术将是对学校的升级，在智慧校园的建设过程中，构建一个虚拟的、具有多方面交流、服务、教育的平台，可以使得学生学习和生活娱乐的环境更加丰富，可以加强学生的思维创新和思维发散能力，为学生带来更好的校园体验。以本文建设校园为例，将基于虚拟现实技术构建与校园 1 比 1 模型的虚拟环境，用户通过计算机操控与该环境进行交互，实现对智慧校园的控制。本文将利用 Photoshop，3D max 等制作贴图纹理和建立模型，使用 Unity 3D、 UNREAL ENGINE 4 进行用户交互设计和情境渲染，建立仿真景观的 VR 智慧校园，在此基础上，制作一个立体校园模型，通过蓝牙控制实现智慧校园。

　　创新点：利用 3Dmax 制作实景模型，可以让学生有真实的体验感，可以自主选择上课教室，真实地沉浸在虚拟校园中，并且可以通过火灾创景，来模拟火灾发生时有序离开教室情况，也可以通过创建地震场景模拟，让学生对地震后反应做出及时应对，既节省成本，又能实现知识普及效果。

　　主要针对现今虚拟现实技术在校园中的应用，可以对小型校园模型使用 APP 进行控制，也可以使用外接设备模拟火灾、地震等场景。

　　建设虚拟现实技术的智慧校园，学生可以通过计算机对智慧校园进行交互，并且可以使用安卓移动终端操控小型智慧校园模型。

　　4 课题研究的主要内容

　　本课题主要利用平面及虚拟现实技术等制作工具，如：Photoshop、 3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4 制作校园模型及校园交互;再利用 java、C、安卓、APP inventor 等编程工具及系统开发软件，制作安卓移动端控制智慧校园;利用多种传感器及校园模型，制作小型智慧校园。

　　4.1 主要内容

　　4.1.1 使用 Photoshop 制作大型校园模型建设(1)拍摄校园细节图片(2)校园内部结构清晰合理

　　4.1.2 使用 3D MAX、UNREAL ENGINE 4 制作校园模型(1)校门模型的建设与研究(2)行政楼模型的建设与研究(3)教学楼模型的建设与研究(4)综合楼模型的建设与研究(5)宿舍楼模型的建设与研究(6)道路模型的建设与研究(7)花草模型的建设与研究(8)篮球场模型的建设与研究(9)足球场模型的建设与研究

　　4.1.3 使用 Unity 3D、UNREAL ENGINE 4 进行交互系统建设(1)用户与用户交互系统(2)用户与学校交互系统

　　4.1.4 小型智慧校园模型建设(1)模型制作(2)将模拟使用的传感器安装至模型中(3)使用 App inventor 制作控制程序(4)实现蓝牙控制校园，实现智慧校园的模型建设

　　4.2 课题需解决的关键性问题(1)模型尺寸测量(2)模型建设(3)VR 交互性设计

　　5 步骤实施方案

　　由课题主持人负责总体分工，分成 6 个课题小组：一是查找虚拟现实技术建设模型素材小组;二是利用 C 语言、JAVA 语言及系统工具软件制作小组;三是测量校园模型制作小组;四是小型模型硬件制作小组;五是数据分析和 VR 交互性制作小组;六是论文及研究报告撰写小组。

　　6 研究框架(表 1)

　　表 1 研究框架表提出问题 选题背景、研究意义、研究思路研究现状 VR 技术和校园模型的理论基础及实现研究内容 模型测量、创建模型、交互设置、APP 制作研究方法 文献调查法、观察法、思辩法、行为研究法、概念分析法、比较研究法

　　7 总结

　　本课题将虚拟现实技术应用到智慧校园中的建设，在教育领域的探索过程中，VR 技术具有提高教学手段、提高教学水平、整合教学资源等优势。通过计算机的操控与环境相交互，构建一个虚拟的交流、服务、教育平台，加强学生的创新思维能力，使学生的学习环境更加的完善。使现如今的数字化校园得以升级。

　　我们主要利用 Photoshop、3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4 来制作校园的模型包括校园的教学楼、行政楼、图书馆、宿舍楼、道路、花草、篮球场、足球场等模型，以及用户和校园之间的交互，并且也加入了相应的传感器;利用 java、APP inventor 等编程工具及系统开发软件，最终可以实现通过蓝牙来控制程序，实现智慧校园的模型制作，让我们的学习和实践更加的完善。