虚拟仿真红色文化展馆育人资源的设计实现与推广应用_管志翰.pdf

SOFTWARE2022软 件第 43 卷 第 12 期2022 年Vol.43,No.12基金项目：河北省高等学校人文社会科学研究项目“VR+红色文化育人教育资源构建研究与实践”（SZ2022018）作者简介：管志翰（1981）,男,河北石家庄人,本科,讲师,研究方向：艺术设计、VR 技术应用与系统研发；温爱华（1973）,女,河北石家庄人,硕士,教授,研究方向：软件开发技术、计算机信息管理；杨海澎（1983）,男,河北保定人,本科,讲师,研究方向：动漫制作技术、游戏美术设计。虚拟仿真红色文化展馆育人资源的设计实现与推广应用管志翰 温爱华 杨海澎（河北软件职业技术学院，河北保定 071000）摘要：虚拟仿真红色文化展馆研发设计和推广应用,能够突破红色文化传播时空限制,有效提升红色文化育人实效。本文从展馆系统架构、技术实现、推广应用 3 个方面进行研究探索,在架构设计、技术实现方面提出解决方案,以推进红色文化育人资源构建和线上资源共享,助力红色文化传承深入推进。关键词：虚拟仿真；红色文化；展馆育人资源中图分类号：TP391.9文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2022.12.011本文著录格式：管志翰,温爱华,杨海澎.虚拟仿真红色文化展馆育人资源的设计实现与推广应用J.软件,2022,43(12):043-045Design,Realization,Promotion and Application of Educational Resources in Virtual Simulation Red Cultural PavilionGUAN Zhihan,WEN Aihua,YANG Haipeng(Heibei Software Institute,Baoding Hebei 071000)【Abstract】：TheR&D,design,promotionandapplicationofvirtualsimulationredcultureexhibitionhallscanbreakthroughthetimeandspacelimitationsofredculturedisseminationandeffectivelyimprovetheeffectivenessofredcultureeducation.Thispaperconductsresearchandexplorationfromthethreeaspectsofexhibitionhallsystemarchitecture,technicalimplementation,andpromotionandapplication,andproposessolutionsintermsofarchitecturedesignandtechnicalimplementationtopromotetheconstructionofredcultureeducationresourcesandonlineresourcesharing,andhelpthefurtheradvancementofredcultureinheritance.【Key words】：virtualsimulation;redcultural;exhibitionhalleducationalre-sources基金项目论文随着科技蓬勃发展,虚拟仿真技术助推红色文化传播越来越受到关注。依托红色资源,推进“传承红色基因”“赓续红色血脉”教育,是时代要求更是历史使命。我国红色“文化革命”展馆基地分散在全国各地,有的还地处偏远,推进红色资源共享和实施常态化教育已成为重要研究课题。目前,线上红色文化展馆资源呈现数量多、精品不足、仿真不够的现状,本研究采用现代科技手段创新仿真展示设计突破,实现红色文化主题展馆提质升级,通过数字化展示设计理念促进沉浸式育人资源充实完善,有效提升红色文化育人实效。1 虚拟仿真红色文化展馆系统架构本虚拟仿真红色文化展馆的系统架构设计主要包含网络架构、主流三维引擎、客户端需求 3 个部分。设计实现从便于推广、易于融入的育人需要角度入手,对“红色文化馆”资源进行精准定位1,并运用虚拟现实技术、三维建模技术、C#程序交互等技术,完成“虚拟演示”的总体搭建,系统可实现多形式、跨平台2资源操作（如图 1 所示）。在系统框架构建过程中：（1）采用传统PC 电脑和触控屏作为主演示装置,并辅以VR 头盔增强展示效果,提升沉浸式育人实效；（2）通44软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE过“注视”实现无接触交互,满足特殊客户资源定位需求和展示需要；（3）通过键盘鼠标输入装置,迎合传统用户操作设备简化需求,实现虚拟仿真资源有效操作。系统通过以上 3 种方式推进资源推广和传播,实现育人资源快速传递和实时共享。用户终端服务器端资源服务器输入设备VR手柄键盘/鼠标屏幕触控输出设备电脑显示器投影机VR头盔手机客户端程序人机交互程序VR资源互联网互联网DB服务器 图 1 虚拟仿真红色文化展馆系统架构图Fig.1 System architecture of virtual simulation red culture exhibition hall1.1 网络架构设计实现仿真红色文化展馆采用 C/S（客户端/服务器端）两层网络架构（如图 2 所示）,满足“提升客户沉浸式体验”“降低服务器负荷”目标需求。C/S 架构3是一种软件系统体系结构,其客户端包含一个或多个用户电脑运行程序,负责连接访问服务器端仿真资源、用户信息、用户需求等多种数据,此架构体系能够很好地将需要处理的业务合理分配到客户端和服务端,从而大幅降低通信成本,提高通信效率。客户终端客户端程序互联网服务器客户终端客户终端客户端程序客户端程序图 2 C/S 网络架构设计Fig.2 C/S network architecture designC/S 架构的红色文化仿真展馆具备以下特点及优越性：（1）程序设计灵活,交互界面和用户操作设计丰富多样,支持多种输入设备操作和灵活多样操作方式需求；（2）逼真的 VR 仿真资源通过高效图像引擎呈现于客户终端,能够充分调动客户机 CPU、显卡及内存等硬件资源,向客户端呈现最佳的显示效率和体验效果；（3）实现快速读取仿真展馆资源,客户端安装时即将体积庞大的模型、音频、视频资源,更新数据异步下载至客户终端,网络通信数据仅需传输用户资料信息,通过优化后的一层交互和数据量小的通信数据传输有效避免使用长时间等待和传输卡顿,降低服务器负荷,提升响应速度、增强用户体验连续性。1.2 主流三维引擎选择仿真红色文化展馆设计充分考虑系统的多平台开发、网络快速传播、优质显示效果等需求,从 Unity3D、UE、Cesium.js、Three.js 等现今主流三维引擎中选定功能强大的 Unity3D 引擎4,通过创建支持 Windows、MACOS等操作系统,手机、平板等移动设备发布的多平台交互式 3D 应用程序,有效提升系统应用实效和运行效率。Unity3D引擎的开发框架包含“Project工程”“Scene场景”“GameObject模型物体”“Component脚本组件”4个层次,它们之间相互协调、互相配合、共同作用。其软件组件功能模块较为完善,可实现包括声音、图形、物理和网络等相应操作,能够有效降低虚拟现实开发程序编写难度和强度,提升开发效率；Unity3D 编辑器功能齐全,整合了三维场景搭建、动画编辑、模块化组建编辑、调试预览、分层对象检查等功能的集成开发环境。编辑器连接 MicrosoftVisualStudio 作为 C#脚本编辑器和调试器,结合预制装配系统完成对场景物体和组建的控制,轻松实现面向对象编程。1.3 客户端功能需求系统客户端按照用户需求分为“游览学习型”和“情境体验型”两种类型。游览学习型用户主要应用手机和 PC 终端设备,通过游览参观展厅、简单了解文物及相关背景、观看文化宣传视频等操作满足学习需求,此类用户更侧重于操作便捷、快速定位展品或情境事件,系统在设计主界面中增加导航栏,呈现展示内容及分组分类,便于用户快速精准需求定位；情境体验型用户一般采用 VR 设备,沉浸式体验历史事件场景,感受视觉冲击接受红色文化的洗礼,此类用户需求倾向于沉浸式体验效果,系统在设计中采用效率更高的三维扫描技术,提升仿真程度和制作效率效果,很好地迎合满足用户特殊需求。据后台运行数据统计,VR 设备浏览用户占比 21%,PC 输入设备占比 53%,手机浏览用户占比 26%,并呈现应用 VR 设备用户占比不断增加的趋势。为及时收集不同用户需求反馈,系统设置“用户反馈”按钮,便于学习者在游览过程中点击进入,反馈需求意见建议,服务器收集后进行分析并持续应用于仿真45管志翰温爱华杨海澎：虚拟仿真红色文化展馆育人资源的设计实现与推广应用展馆系统更新完善中。2 虚拟仿真红色文化展馆技术实现虚拟仿真红色文化展馆教育人系统以电脑程序架构为基础,利用 Unity3D 引擎将三维模型、音频、视频等资料融合形成一个虚拟的环境。通过逼真的文物模型和仿真再现革命战斗场景,让红色教育“触手可及”。2.1 育人资源构建技术实现虚拟仿真展馆应用三维制作软件,通过三维模型模拟现实环境,构建三维模型。这些模型由若干个顶点坐标组成,每三个顶点形成一个三角面,三角面相互连接组合形成实物大致形状,然后参照实物照片不同角度,调整顶点位置获得逼真模型,通过调整顶点颜色或将照片贴敷在模型表面构建具有丰富色彩的三维模型。展馆中有大量文物需要进行逼真模型构建,工作量大,需要投入的人力物力多,研发时间长,系统通过应用更高效的建模技术和先进的设备来降低技术实现难度,提升建模制作效率和质量。系统设计中应用单反相机阵列式三维扫描仪5实现高效、高精度实物三维数据捕捉,满足了快速精准进行大量文物三维模型仿真构建的目标要求（如图 3 所示）。图 3 三维扫描仪捕捉数据建模Fig.3 3D scanner capture data modeling系统中的听觉资源包括语音和拟音特效,是提升受教育者沉浸感和提高知识传播实效的重要载体。系统通过 Unity3D 的 AudioSource 组件将听觉资源嵌入三维环境中,并设置触发播放条件和衰减范围实现交互和模拟声音传播衰减；导游语音触发条件使用 Colloder（碰撞器）的 OnTriggerEnter 和 OnTriggerExit 消息判断用户“进入”/“离开”指定区域,触发响应“播放”/“停止”事件；拟音特效则通过时间轴控制,在情境事件触发时一同播放,如红军过雪山时雪崩场景震耳欲聋的拟音特效技术实现。2.2 用户交互及界面设计实现用户交互及界面设计是系统研发的重要部分。在设计中充分考虑目标用户行为本质和需求倾向,以引导式精准获取用户需求,快速呈现优质资源为目标任务。系统采用“注视触发”的无接触交互方式,即将视觉中心停放于带有交互的物体或界面上触发事件,无需设备操作基础,凭借主观判断来完成仿真操作,实现不同层次、不同年龄、不同知识结构用户的无障碍游览仿真场景和多角度观察陈列展品的学习需求。“注视触发”实现由 Unity3D 中 Ray（射线）、Ray-castHit（投射命中）、Collider（碰撞器）类来完成,首先将屏幕中心坐标转换为三维世界坐标,然后将其作为射线发射起点,向垂直于屏幕平面轴方向发射射线,射线穿过含有 Collider 的对象后通过 RaycastHit 类收集数据,得到最近的碰撞对象信息,并根据判断对象实现显示相应文字介绍、语音播放、场景切换等交互操作。3 系统推广及应用沉浸式 VR 与移动互联设备、云技术的深入融合,已经成为这个时代的必然发展趋势。系统推广应用过程中,充分运用虚拟仿真技术和移动互联技术将红色文化实体展馆移植到互联网上,推动红色展馆数字化,实现场馆上网络、红色文化进云端6,用科技传承红色基因。智慧校园的建设应用普及,为虚拟红色文化展馆资源进