摘要：虛擬科技館的出現(xiàn)，一定程度上解決了實(shí)體科技館數(shù)量少、城鄉(xiāng)分布差異大、開放時(shí)間有限等問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要的介紹了VR虛擬科技館的概要，然后分析了構(gòu)建VR虛擬科技館的理論基礎(chǔ)，然后從場(chǎng)景設(shè)計(jì)、動(dòng)畫制作以及交互功能方面完成了VR虛擬科技館的設(shè)計(jì)，并邀請(qǐng)用戶進(jìn)行了體驗(yàn)。
本文源自科學(xué)與技術(shù)【2020年第23期】《科學(xué)與技術(shù)》雜志是經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主管，新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主辦的學(xué)術(shù)性期刊。《科學(xué)與技術(shù)》雜志欄目?jī)?nèi)容：主要刊登數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物化學(xué)、自然科學(xué)、工業(yè)科學(xué)、工業(yè)技術(shù)、土木建筑、電氣技術(shù)、電子電信、計(jì)算機(jī)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、水利水電、道路橋梁、科學(xué)管理、科學(xué)教學(xué)等學(xué)科的理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究方面的科研論文、具有學(xué)術(shù)深度的述評(píng)文章。
關(guān)鍵詞：科技館;虛擬科技館;虛擬現(xiàn)實(shí)
一、虛擬科技館的概要與系統(tǒng)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)
1.VR的概念和特點(diǎn)
VR即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)的一類人機(jī)交互形式，目前來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最高級(jí)別的多媒體展示技術(shù)，其包含了傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能和心理學(xué)等諸多尖端科技。
虛擬現(xiàn)實(shí)最突出的特點(diǎn)是沉浸性、交互型與構(gòu)想性。沉浸性主要體現(xiàn)在它可以使用戶在虛擬世界中獲得極高的真實(shí)感;交互性主要是指用戶可以對(duì)虛擬世界中的物品進(jìn)行操作;構(gòu)想性主要是指用戶可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)在虛擬世界中獲取的信息，進(jìn)行自主的思考和選擇，進(jìn)而突破障礙，完成既定任務(wù)。
2.虛擬科技館構(gòu)建理論—情境學(xué)習(xí)理論
通常情況下，人的特定認(rèn)知與行為是相對(duì)特定的情境而言的，環(huán)境因素會(huì)對(duì)此產(chǎn)生直接的影響。情境學(xué)習(xí)理論的研究重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)者與情境之間的互動(dòng)，認(rèn)為人的認(rèn)知都是以特定的社會(huì)情境為基礎(chǔ)的，并認(rèn)為情境化是形成新的認(rèn)知的前提條件。同時(shí)，該理論還認(rèn)為行為與認(rèn)知是相輔相成的，無(wú)法撇開其中任何一方去談另外一方。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過(guò)現(xiàn)代科技突破環(huán)境與空間的約束，營(yíng)造出非常接近真實(shí)世界的交互情境。在VR虛擬科技館的設(shè)計(jì)方案中，設(shè)計(jì)者需要注意強(qiáng)化虛擬情境與科普知識(shí)的融合，以提高虛擬科技館的教育價(jià)值。
3.虛擬科技館構(gòu)建理論—具身認(rèn)知理論
具身認(rèn)知強(qiáng)調(diào)人的心理感受和生理體驗(yàn)之間具有存在著密切的聯(lián)系，并認(rèn)為人的認(rèn)知是基于環(huán)境因素和人本身綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果。同時(shí)，認(rèn)知作為一種心理過(guò)程，是通過(guò)身體的特定的行為來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此認(rèn)知可以理解為是人參與到環(huán)境中特定活動(dòng)中剝離出來(lái)的主觀經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在VR科技館中，虛擬的交互是通過(guò)VR顯示儀器與操作手柄來(lái)共同實(shí)現(xiàn)的，學(xué)習(xí)者可以借助虛擬視覺(jué)設(shè)備從而進(jìn)入到特定的虛擬情境中去，然后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸式情境體驗(yàn)。另一方面，操作手柄可以通過(guò)振動(dòng)觸感實(shí)現(xiàn)人與情境的認(rèn)知交互。人與環(huán)境的交互體驗(yàn)?zāi)軌蛴行岣邔W(xué)習(xí)的效率和質(zhì)量，將那些抽象和復(fù)雜的知識(shí)植入到虛擬情境中，然后通過(guò)身體與情境的交互，能夠提高人對(duì)知識(shí)的接納和理解效果。
二、虛擬科技館的設(shè)計(jì)概述
1.構(gòu)成模塊設(shè)計(jì)
綜合實(shí)體科技館與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，本文采用科技館大廳、動(dòng)物世界、地心探索、地震體驗(yàn)以及視覺(jué)認(rèn)知等五個(gè)子模塊，如下圖1所示。
圖 1 虛擬博物館模塊構(gòu)成
本文采用Unity 3D VR引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示功能，操作功能與信息的交互則通過(guò)VR手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.展廳場(chǎng)景設(shè)計(jì)
通過(guò)發(fā)揮VR技術(shù)構(gòu)想性特征，將現(xiàn)實(shí)中受客觀條件限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)在VR虛擬空間中，能夠營(yíng)造出更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如，體驗(yàn)者可以通過(guò)“乘坐”下降的電梯，體驗(yàn)地下煤礦的開采環(huán)境，身臨其境的學(xué)習(xí)煤礦開采相關(guān)知識(shí)，如下圖2所示。
圖 2 地心探索館乘坐地下電梯
本設(shè)計(jì)通過(guò)VR技術(shù)模擬了原始的自然環(huán)境，極大了增加了體驗(yàn)者的真實(shí)感。如下圖3所示：
圖 3 動(dòng)物世界館
3.交互導(dǎo)覽設(shè)計(jì)
虛擬科技館中的情境引導(dǎo)主要包括指示牌、虛擬地圖設(shè)計(jì)、智能尋路以及行走設(shè)計(jì)等。交互式導(dǎo)覽平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是VR虛擬技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到VR沉浸式體驗(yàn)的效果。交互式的沉浸性體驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是能夠引導(dǎo)體驗(yàn)者從被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)探索，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的黏度，并有助于體驗(yàn)者創(chuàng)新能力和想象力的激發(fā)。如下圖4所示的地震體驗(yàn)館，體驗(yàn)者在穿戴VR設(shè)備后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行震感的模擬，并同步提示體驗(yàn)者按照地面標(biāo)識(shí)的路線躲避在墻腳等安全性相對(duì)較高的位置。
圖 4 地震體驗(yàn)館訓(xùn)練模式
4.場(chǎng)館教學(xué)設(shè)計(jì)
無(wú)論是實(shí)體科技館還是虛擬科技館，其初衷都是為了科普知識(shí)，教育大眾。因此，在虛擬科技館的設(shè)計(jì)中，教育的植入尤為重要。在虛擬科技館的設(shè)計(jì)中，可以將問(wèn)題植入到虛擬任務(wù)關(guān)卡中，引導(dǎo)體驗(yàn)者積極的思考和尋找答案，完成問(wèn)題才能進(jìn)入到后道關(guān)卡。如下圖5所示的地心探索主題館，系統(tǒng)將目標(biāo)問(wèn)題懸浮在虛擬場(chǎng)景中，體驗(yàn)者可以通過(guò)操作手柄進(jìn)行作答，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感。
圖5地心探索館答題界面
三、虛擬科技館的開發(fā)
選取Unity 3D作為虛擬科技館的開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)語(yǔ)言選擇C#，開發(fā)軟件選擇3dMax，同時(shí)結(jié)合SteamVR、VRTK等插件，完成虛擬科技館的虛擬情境構(gòu)建和人機(jī)交互功能。電氣硬件則選擇HTC VIVE，具體的系統(tǒng)研發(fā)流程如下：
1.構(gòu)建場(chǎng)景
導(dǎo)入模型
首先創(chuàng)建一個(gè)Unity工程，然后導(dǎo)入3dMax中的模型，同時(shí)選中Assets文件夾中的import newAsset文件和導(dǎo)入的模型，即可在Project窗口中預(yù)覽模型。
(2)創(chuàng)建場(chǎng)景
在上文新增的Unity工程中添加新的場(chǎng)景，使用Scene編輯器處理導(dǎo)入的資源并完成模型的編輯，添加模型的物理屬性。例如，在地震體驗(yàn)館(如下圖6)中設(shè)置硬性物體，以增加模擬地震時(shí)的真實(shí)感。
圖 6 地震體驗(yàn)館地震模擬
2.設(shè)置動(dòng)畫
3ds Max Unity中的Animation組件一般用來(lái)控制單個(gè)動(dòng)畫的播放，Animator組件則用來(lái)控制多個(gè)動(dòng)畫的輪播。
(1)在Unity中創(chuàng)建Animation動(dòng)畫
將Animation組件植入模型中，并進(jìn)行動(dòng)畫賦值，勾選Play Automatically即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫自動(dòng)播放。
(2)Unity 中創(chuàng)建 Animator 動(dòng)畫
在模型上添加 Animator組件，在Project 面板中創(chuàng)建 Animator Controller， 將 Animator Controller賦值給到Animator 組件。接著選中 Animator Controller文件，點(diǎn)擊Open即打開控制器，在 Animator Controller 中創(chuàng)建一個(gè)新狀態(tài)，為其指定一個(gè)動(dòng)作，添加動(dòng)畫，并設(shè)置按箭頭控制動(dòng)畫的流向，添加觸發(fā)的事件。完成上面的設(shè)置后，即可通過(guò)代碼控制動(dòng)畫狀態(tài)的切換。
3.交互的實(shí)現(xiàn)
場(chǎng)館漫游的實(shí)現(xiàn)
將SteamVR與VRTK 插件植入到Unity 3D編輯平臺(tái)中，完成VR場(chǎng)景的構(gòu)建，然后使用SteamVR和VRTK代替舊版場(chǎng)景中的Main Camera，再將 “CameraRig”應(yīng)用到場(chǎng)景中，即可完成VRTK設(shè)置。
(2)觸摸抓取的實(shí)現(xiàn)
通過(guò)HTC Vive手柄與虛擬場(chǎng)景中的物體接觸來(lái)完成觸摸、跨越、撿拾等操作。需要注意的是，“VRTK_Interact Grab”和“VRTK_Interact Touch”腳本需要預(yù)先植入手柄控制器中，撿拾功能可以設(shè)置在“Grab Button”下拉菜單中。
(3)UI點(diǎn)擊的實(shí)現(xiàn)
此處UI點(diǎn)擊的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)扣動(dòng)手柄上的扳機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，瞄準(zhǔn)則通過(guò)手柄上發(fā)射的射線與Unity 3D中的Canvas的碰撞檢測(cè)來(lái)完成。
4.產(chǎn)品調(diào)試與輸出
系統(tǒng)配置完成后在Game窗口下運(yùn)行，按照一定順序測(cè)試所有功能;然后，在Console窗口下檢查是否有錯(cuò)誤信息輸出;最后，在Unity 3D編輯器中點(diǎn)擊“File/BuildSetting”，并添加不同場(chǎng)景，使用PCStandalone平臺(tái)輸出。
四、試用評(píng)價(jià)
整個(gè)VR系統(tǒng)測(cè)試完成后，隨機(jī)邀請(qǐng)了部分觀眾進(jìn)行了體驗(yàn)。在沉浸性方面，體驗(yàn)者表示沉浸效果較好，真實(shí)感很強(qiáng);在人與情景的交互方面，體驗(yàn)者認(rèn)為此VR系統(tǒng)交互較為簡(jiǎn)單，交互的模式與實(shí)際較為接近，體驗(yàn)感十足;在教育性方面，體驗(yàn)者表示虛擬科技館的教育是一種與實(shí)體科技館完全不同的模式，很喜歡這種親身經(jīng)歷的教育模式;滿意度方面，VR虛擬科技館在參與體驗(yàn)的觀眾中反響較好。
參考文獻(xiàn)：
[1]趙志敏.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科技館的應(yīng)用[J].科協(xié)論壇,2018(06):14-15.
[2]陳戈.VR技術(shù)在科技館展品中的應(yīng)用改造[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2017(07):141-144.
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