基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用 摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速開(kāi)展和計(jì)算機(jī)硬件的逐步改善，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已慢慢成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。人們可以更好利用高性能計(jì)算機(jī)，構(gòu)建一個(gè)逼真的三維環(huán)境，讓人們身臨其境的 　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅速開(kāi)展和計(jì)算機(jī)硬件的逐步改善，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已慢慢成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。人們可以更好利用高性能計(jì)算機(jī)，構(gòu)建一個(gè)逼真的三維環(huán)境，讓人們身臨其境的體驗(yàn)虛擬世界，在虛擬環(huán)境中使用不同的方式來(lái)與對(duì)象進(jìn)行交互體驗(yàn)。本文重點(diǎn)研究如何使用 UNREAL ENGINE 4 虛幻引擎構(gòu)建智慧校園，根據(jù)學(xué)校 1 比 1 復(fù)原校園環(huán)境，分模塊進(jìn)行校園建設(shè)，使用 3D max 軟件建設(shè)校園教學(xué)樓、操場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室等模型，實(shí)現(xiàn)沉浸式教學(xué)效果、可以模擬火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害的消防演習(xí)。 　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);智慧校園;UNREAL ENGINE 4;校園建設(shè);3D max 　　宋雪; 李小莊; 盧甜甜， 網(wǎng)絡(luò)平安技術(shù)與應(yīng)用 發(fā)表時(shí)間：2022-11-15 　　1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理 　　1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是 21 世紀(jì)重點(diǎn)開(kāi)展的三個(gè)技術(shù)之一，在教育中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)授課方式，如多媒體教學(xué)等。可以讓學(xué)生從間接獲取知識(shí)變?yōu)橹苯荧@取知識(shí)，從旁觀到參與，也可以讓教師脫離傳統(tǒng)的授課方法，不再一味講授，也可以情境演示。學(xué)生通過(guò)教師建設(shè)的各種情境參與分配角色，在一定根底上，也可以改變教師設(shè)置的情境，這樣使學(xué)習(xí)變得更加生動(dòng)有趣，才能提高學(xué)生的興趣及創(chuàng)新能力。這樣可以使教師的教學(xué)方式多種多樣，學(xué)生有沉浸感才能使教學(xué)變得有趣。 　　1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定三維世界，通過(guò)頭盔、頭顯等外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)五感的連接。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心是人與計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬世界的交互性和沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬世界分為兩種類型：(1)重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界;(2)制作完全的虛擬世界。 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為三個(gè)特征：第一，有真實(shí)的沉浸體驗(yàn)感，人們利用計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)立一個(gè)擬想的虛擬環(huán)境，讓體驗(yàn)者有非常真實(shí)的體驗(yàn)感，就像是身處在現(xiàn)實(shí)世界一樣。這樣能讓用戶感受到在虛擬環(huán)境中人也是可以有操作性的，能夠在與計(jì)算機(jī)交互過(guò)程中扮演一個(gè)虛擬環(huán)境內(nèi)的角色來(lái)實(shí)現(xiàn)人的表達(dá)作用，讓用戶如同在現(xiàn)實(shí)世界中一樣。第二，有豐富的交互性，用戶需要有交互體驗(yàn)才能感受到真實(shí)，如果無(wú)法在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，很快就會(huì)意識(shí)到問(wèn)題，會(huì)盡快脫離場(chǎng)景建設(shè)。第三，有新穎的設(shè)想性，有些環(huán)境已經(jīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間的磨滅消失或者慢慢損耗，無(wú)法讓接收者得到直觀的感受，只能通過(guò)照片或視頻來(lái)間接接收內(nèi)容，這需要制作 1 比 1 復(fù)原的場(chǎng)景，讓學(xué)生有真實(shí)體驗(yàn)感。并且可以通過(guò)教師自己的設(shè)想來(lái)創(chuàng)立一個(gè)新的內(nèi)容，發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)討論后可在其任何位置進(jìn)行修改，可以提高學(xué)生自身認(rèn)識(shí)，從而創(chuàng)造出新的構(gòu)思想法。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在校園教學(xué)是非常有用的。 　　使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建校園，可以讓學(xué)生在宿舍就有身處課堂的感覺(jué)，通過(guò)交互性來(lái)使學(xué)生與老師互動(dòng)，可節(jié)省課堂資源。如：地理學(xué)科的教師無(wú)法將關(guān)于地理環(huán)境的材料實(shí)地展示給學(xué)生，如果創(chuàng)立虛擬校園的虛擬課堂，即可讓學(xué)生身臨其境的學(xué)習(xí)地理知識(shí);物聯(lián)網(wǎng)概論的教師無(wú)法將智能家居這樣龐大的電器體系都展示給學(xué)生，就可以通過(guò)虛擬建設(shè)，讓學(xué)生先了解智能家居在家庭的應(yīng)用，然后再了解每一個(gè)電器是由多個(gè)超大規(guī)模集成電路組成的，超大規(guī)模集成電路下屬還有多個(gè)小型單片機(jī)，將抽象的東西具體化，更能帶給學(xué)生直觀感受。 　　2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于智慧校園建設(shè)的可行性 　　2.1 深度優(yōu)化智慧校園智能環(huán)境 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)展，使學(xué)校校園的環(huán)境建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬環(huán)境的有機(jī)融合;特別是將實(shí)時(shí)視頻控制、多傳感器信息融合這兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于智慧校園建設(shè)，可以有效地多角度優(yōu)化、呈現(xiàn)完整的校園環(huán)境。 　　2.2 抽象內(nèi)容可視化、形象化，提升教學(xué)、科研質(zhì)量 　　大量研究結(jié)果說(shuō)明，假設(shè)將教學(xué)、科研與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)深度整合，能夠有效提升教學(xué)質(zhì)量和科研水平;基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化的呈現(xiàn)，能夠加強(qiáng)對(duì)抽象事物的顯性認(rèn)知。因此可以推斷，模型建立的質(zhì)量好壞將直接影響整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境質(zhì)量的好壞。 　　2.3 強(qiáng)化校園的智慧性體驗(yàn)程度 　　智慧性體驗(yàn)是在智能環(huán)境、智慧應(yīng)用和效勞根底上，對(duì)環(huán)境和應(yīng)用效勞理念層面的升華，它展現(xiàn)的是用戶對(duì)信息素養(yǎng)和信息文化的深層感受，以及與智慧校園各因素之間互動(dòng)程度。因此，為了增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn)感，不僅需要多種傳感器的信息融合、實(shí)時(shí)跟蹤、精準(zhǔn)定位，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬場(chǎng)景之間的自然交互，受到各種交互指令時(shí)，給予相應(yīng)的反響。 　　3 課題研究的意義和創(chuàng)新點(diǎn) 　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是未來(lái)非常受歡送的可視化手段之一，它具有多感知性、交互性、沉浸性、三維建模等特點(diǎn)，現(xiàn)如今無(wú)論校園是否為數(shù)字校園，融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是對(duì)學(xué)校的升級(jí)，在智慧校園的建設(shè)過(guò)程中，構(gòu)建一個(gè)虛擬的、具有多方面交流、效勞、教育的平臺(tái)，可以使得學(xué)生學(xué)習(xí)和生活?yuàn)蕵?lè)的環(huán)境更加豐富，可以加強(qiáng)學(xué)生的思維創(chuàng)新和思維發(fā)散能力，為學(xué)生帶來(lái)更好的校園體驗(yàn)。以本文建設(shè)校園為例，將基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建與校園 1 比 1 模型的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)操控與該環(huán)境進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧校園的控制。本文將利用 Photoshop，3D max 等制作貼圖紋理和建立模型，使用 Unity 3D、 UNREAL ENGINE 4 進(jìn)行用戶交互設(shè)計(jì)和情境渲染，建立仿真景觀的 VR 智慧校園，在此根底上，制作一個(gè)立體校園模型，通過(guò)藍(lán)牙控制實(shí)現(xiàn)智慧校園。 　　創(chuàng)新點(diǎn)：利用 3Dmax 制作實(shí)景模型，可以讓學(xué)生有真實(shí)的體驗(yàn)感，可以自主選擇上課教室，真實(shí)地沉浸在虛擬校園中，并且可以通過(guò)火災(zāi)創(chuàng)景，來(lái)模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)有序離開(kāi)教室情況，也可以通過(guò)創(chuàng)立地震場(chǎng)景模擬，讓學(xué)生對(duì)地震后反響做出及時(shí)應(yīng)對(duì)，既節(jié)省本錢，又能實(shí)現(xiàn)知識(shí)普及效果。 　　主要針對(duì)現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園中的應(yīng)用，可以對(duì)小型校園模型使用 APP 進(jìn)行控制，也可以使用外接設(shè)備模擬火災(zāi)、地震等場(chǎng)景。 　　建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園，學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)智慧校園進(jìn)行交互，并且可以使用安卓移動(dòng)終端操控小型智慧校園模型。 　　4 課題研究的主要內(nèi)容 　　本課題主要利用平面及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等制作工具，如：Photoshop、 3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4 制作校園模型及校園交互;再利用 java、C、安卓、APP inventor 等編程工具及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，制作安卓移動(dòng)端控制智慧校園;利用多種傳感器及校園模型，制作小型智慧校園。 　　4.1 主要內(nèi)容 　　4.1.1 使用 Photoshop 制作大型校園模型建設(shè)(1)拍攝校園細(xì)節(jié)圖片(2)校園內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰合理 　　4.1.2 使用 3D MAX、UNREAL ENGINE 4 制作校園模型(1)校門模型的建設(shè)與研究(2)行政樓模型的建設(shè)與研究(3)教學(xué)樓模型的建設(shè)與研究(4)綜合樓模型的建設(shè)與研究(5)宿舍樓模型的建設(shè)與研究(6)道路模型的建設(shè)與研究(7)花草模型的建設(shè)與研究(8)籃球場(chǎng)模型的建設(shè)與研究(9)足球場(chǎng)模型的建設(shè)與研究 　　4.1.3 使用 Unity 3D、UNREAL ENGINE 4 進(jìn)行交互系統(tǒng)建設(shè)(1)用戶與用戶交互系統(tǒng)(2)用戶與學(xué)校交互系統(tǒng) 　　4.1.4 小型智慧校園模型建設(shè)(1)模型制作(2)將模擬使用的傳感器安裝至模型中(3)使用 App inventor 制作控制程序(4)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制校園，實(shí)現(xiàn)智慧校園的模型建設(shè) 　　4.2 課題需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題(1)模型尺寸測(cè)量(2)模型建設(shè)(3)VR 交互性設(shè)計(jì) 　　5 步驟實(shí)施方案 　　由課題主持人負(fù)責(zé)總體分工，分成 6 個(gè)課題小組：一是查找虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)模型素材小組;二是利用 C 語(yǔ)言、JAVA 語(yǔ)言及系統(tǒng)工具軟件制作小組;三是測(cè)量校園模型制作小組;四是小型模型硬件制作小組;五是數(shù)據(jù)分析和 VR 交互性制作小組;六是論文及研究報(bào)告撰寫(xiě)小組。 　　6 研究框架(表 1) 　　表 1 研究框架表提出問(wèn)題 選題背景、研究意義、研究思路研究現(xiàn)狀 VR 技術(shù)和校園模型的理論根底及實(shí)現(xiàn)研究?jī)?nèi)容 模型測(cè)量、創(chuàng)立模型、交互設(shè)置、APP 制作研究方法 文獻(xiàn)調(diào)查法、觀察法、思辯法、行為研究法、概念分析法、比擬研究法 　　7 總結(jié) 　　本課題將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到智慧校園中的建設(shè)，在教育領(lǐng)域的探索過(guò)程中，VR 技術(shù)具有提高教學(xué)手段、提高教學(xué)水平、整合教學(xué)資源等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)計(jì)算機(jī)的操控與環(huán)境相交互，構(gòu)建一個(gè)虛擬的交流、效勞、教育平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境更加的完善。使現(xiàn)如今的數(shù)字化校園得以升級(jí)。 　　我們主要利用 Photoshop、3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4 來(lái)制作校園的模型包括校園的教學(xué)樓、行政樓、圖書(shū)館、宿舍樓、道路、花草、籃球場(chǎng)、足球場(chǎng)等模型，以及用戶和校園之間的交互，并且也參加了相應(yīng)的傳感器;利用 java、APP inventor 等編程工具及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，最終可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙來(lái)控制程序，實(shí)現(xiàn)智慧校園的模型制作，讓我們的學(xué)習(xí)和實(shí)踐更加的完善。