付康 余日季

摘 要：近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新媒體技術(shù)，受到眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注與青睞，應(yīng)用文化領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也成為研究熱點(diǎn)。以Unity3D為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建一種虛擬現(xiàn)實(shí)文化體驗(yàn)系統(tǒng)，并重點(diǎn)分析其系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。以黃鶴樓文化為實(shí)例設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的黃鶴樓文化體驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行分析與測(cè)試，結(jié)果表明其穩(wěn)定性比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高。相比傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合文化的應(yīng)用，該系統(tǒng)增加了虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)，為進(jìn)一步推進(jìn)大眾對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的認(rèn)知、推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字文化領(lǐng)域的交互體驗(yàn)提供了案例參照。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí); Unity3d; 文化體驗(yàn)

DOI：10. 11907/rjdk. 191922 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）008-0096-05

Design and Application of VR Cultural Experience System

FU Kang1，YU Ri-ji2

（1. School of Computer and Information Engineering， Hubei University;2. College of Art， Hubei University， Wuhan 430062， China）

Abstract：In recent years， virtual reality technology， as a new media technology， has attracted the attention and favor of many university research institutions.virtual reality technology based on cultural field has also become a hot research topic recently. Taking Unity3D as the development platform， this paper constructs a virtual reality cultural experience system， and focuses on analyzing its system architecture and key technologies. Finally， a virtual reality based experience system of yellow crane tower culture is designed and implemented with the yellow crane tower culture as an example. The system modules are analyzed and tested， and the stability is better than the traditional system. Compared with the traditional application of VR combined with culture， the innovation of this paper has increased VR interactive experience， providing a case reference for further promoting the public's cognition of VR technology and promoting the interactive experience of virtual reality technology in the field of digital culture.

Key Words： virtual reality; Unity3D; cultural experience

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目（2016YFB1101702）

作者簡(jiǎn)介：付康（1994-），男，湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù);余日季（1976-），男，博士，湖北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院數(shù)字媒體系教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)锳R/VR/MR數(shù)字交互設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、動(dòng)畫(huà)與數(shù)字媒體創(chuàng)意設(shè)計(jì)、數(shù)字媒體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)。本文通訊作者：余日季。

0 引言

作為一項(xiàng)全新的技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)與學(xué)科知識(shí)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)上給體驗(yàn)者提供了一種全新體驗(yàn)，而基于文化可視化技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)文化體驗(yàn)系統(tǒng)主要解決人們無(wú)法實(shí)景體驗(yàn)的問(wèn)題[2-3]。目前大多數(shù)VR結(jié)合文化的應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還原歷史事件，集中于對(duì)歷史遺跡的保護(hù)和開(kāi)發(fā)[4]。傳統(tǒng)文化體驗(yàn)大多以紀(jì)錄片、實(shí)地參觀、照片瀏覽等方式實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)行更深入的文化體驗(yàn)，利用VR技術(shù)將文化以可視化方式呈現(xiàn)的文化數(shù)字化研究吸引了大量關(guān)注。

國(guó)外VR技術(shù)在文化領(lǐng)域應(yīng)用的研究開(kāi)始較早，如英國(guó)自然博物館以“科技+文化”為基準(zhǔn)，利用三維掃描技術(shù)重建了文物數(shù)字模型，并實(shí)現(xiàn)了虛擬文化博物館;美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的William 教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在以色列展覽中心完成了古耶路撒冷部落虛擬重現(xiàn)[5]。相比之下，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還處于初級(jí)階段，但在國(guó)家提出文化強(qiáng)國(guó)的理念后VR技術(shù)在文化應(yīng)用方面的研究取得長(zhǎng)足進(jìn)步，并積累了一定的成果。為了響應(yīng)國(guó)家“一帶一路”的號(hào)召，作為古代“絲綢之路”的延續(xù)，“一帶一路”以“科技+文化”的獨(dú)特新穎發(fā)展模式，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到文化傳承中[6]。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)歷史文化進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，便于更好地保存、弘揚(yáng)和傳承歷史文化，如湖南省旅游業(yè)應(yīng)用“文化+科技”模式宣傳當(dāng)?shù)芈糜挝幕?由于自然因素、主觀因素、手工失傳等因素，閩南紅磚古厝文化未能得到有效傳承和保護(hù)，而借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一方面可以增加民眾沉浸感與交互性，另一方面將歷史文物以一種數(shù)字化的方式展現(xiàn)給民眾，便于更好地保存文化產(chǎn)物[7]。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合VR技術(shù)的交互特點(diǎn)構(gòu)建VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)，使體驗(yàn)者既可以了解文化特色，還能進(jìn)行VR交互操作。VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)新穎的體驗(yàn)方式在一定程度上提高了體驗(yàn)者對(duì)文化產(chǎn)業(yè)的興趣，同時(shí)也有利于文化發(fā)展和傳承。

1 VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 VR與VR文化體驗(yàn)

VR是一種能夠體驗(yàn)和創(chuàng)建虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，其通過(guò)數(shù)字媒體技術(shù)生成一種多源信息融合交互式的模擬環(huán)境。VR仿真平臺(tái)是VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體，被廣泛用于工業(yè)仿真、房地產(chǎn)銷(xiāo)售、旅游教學(xué)、數(shù)字文化復(fù)原等多個(gè)領(lǐng)域[8]。

作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，VR技術(shù)有獨(dú)有的特性：多感知性，即除了計(jì)算機(jī)具有的視覺(jué)感知，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感知。理想情況下，VR技術(shù)還應(yīng)該具有一些感知功能，包括：沉浸性，即體驗(yàn)者在虛擬場(chǎng)景中有身臨其境的感覺(jué);交互性，即體驗(yàn)者與虛擬環(huán)境中物體交互的反饋程度;自主性，即虛擬環(huán)境中物體在物理運(yùn)動(dòng)定律作用下表現(xiàn)的物理動(dòng)作程度[9]。

1.2 VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1所示。

圖1 VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)層次架構(gòu)

第1層為數(shù)字化文化三維建模層，用于構(gòu)建文化數(shù)字化模型;第2層為虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)層，用于保存文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、影像等文化資源;第3層為三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)層，用于定位體驗(yàn)者位姿數(shù)據(jù)信息并構(gòu)建虛擬三維空間到頭顯世界坐標(biāo)空間的三維幾何參數(shù)模型;第4層為三維顯示輸出層，用于以可視方式展現(xiàn)數(shù)字化的三維場(chǎng)景、語(yǔ)音、以及人物動(dòng)畫(huà)等數(shù)據(jù)，其中，輸出層包括場(chǎng)景漫游、語(yǔ)音導(dǎo)覽、動(dòng)畫(huà)播放和物品交互;第5層為虛擬現(xiàn)實(shí)集成系統(tǒng)層。

1.3 VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括三維顯示輸出技術(shù)、三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)和文化數(shù)字化三維建模技術(shù)[11]，這些關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.3.1 文化數(shù)字化三維建模技術(shù)

隨著“科技+文化”模式的實(shí)施，文化數(shù)字化概念也隨之出現(xiàn)。在VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)中，文化數(shù)字化三維建模技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)[10]。數(shù)字化三維建模方式主要有3D Max建模、三維掃描建模、實(shí)景三維建模。其中3D Max建模以影像為參照物，對(duì)影像實(shí)物的立體輪廓進(jìn)行人工描述，并通過(guò)特定貼圖制作工具實(shí)現(xiàn)物體貼圖繪制;三維掃描建模是全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，通過(guò)高精度掃描得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步獲取物體表面的點(diǎn)云信息，從而描繪出整個(gè)3D實(shí)物的立體輪廓。實(shí)景三維建模利用激光測(cè)量物體在空間中的深度信息以獲取準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)[11]，根據(jù)獲取到的位置數(shù)據(jù)信息即可描繪出整個(gè)物體的輪廓及構(gòu)造。

本文提出的文化數(shù)字化三維建模技術(shù)在三維建模基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，結(jié)合文化特征構(gòu)建數(shù)字化三維模型。數(shù)字化三維模型構(gòu)建以實(shí)際文化表征建筑或者場(chǎng)景為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)物基本信息，在建模軟件中創(chuàng)建數(shù)字化三維場(chǎng)景模型。數(shù)字化文化三維建模則將實(shí)際文化以一種數(shù)字化方式呈現(xiàn)給體驗(yàn)者。

1.3.2 三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)

三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建虛擬世界到頭顯世界的幾何映射模型，結(jié)合三維圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在圖像世界中的三維顯示輸出。三維圖像生成原理由CPU與GPU相互協(xié)作完成，具體步驟是：CPU對(duì)渲染的狀態(tài)與隊(duì)列進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)成功設(shè)置完相關(guān)狀態(tài)后，與GPU通信并發(fā)送渲染指令，此時(shí)GPU根據(jù)收到的渲染指令調(diào)用底層圖像渲染庫(kù)，實(shí)現(xiàn)圖像圖形的繪制渲染。渲染流程主要包含3個(gè)階段：應(yīng)用階段、幾何階段、光柵化階段，其中涉及到世界坐標(biāo)空間、攝像機(jī)坐標(biāo)空間、成像平面坐標(biāo)空間、屏幕坐標(biāo)空間等一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[12]。為保證實(shí)時(shí)性，圖像刷新率需達(dá)到15幀/s以上[13];若要實(shí)現(xiàn)更好的表現(xiàn)效果，刷新率需達(dá)到30幀/s?，F(xiàn)階段研究重點(diǎn)是在不降低圖像質(zhì)量的前提下，提高三維圖像實(shí)時(shí)生成的刷新率[14]。

1.3.3 三維顯示輸出技術(shù)

三維顯示是能實(shí)時(shí)顯示3D動(dòng)態(tài)效果的技術(shù)。三維顯示技術(shù)主要分為體掃描技術(shù)和靜態(tài)體技術(shù)[15]。在體掃描中，一組含有二維圖像的光投影到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的半球顯示器中，經(jīng)過(guò)光學(xué)定位系統(tǒng)的擴(kuò)展，最終以三維立體的形式顯示在旋轉(zhuǎn)的半球內(nèi)。靜態(tài)體技術(shù)基本原理與體掃描技術(shù)相似，不同之處在于其無(wú)需半球體運(yùn)動(dòng)，直接將兩束光照射到半球體內(nèi)即可形成三維圖形。為了實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的動(dòng)作捕捉，需要高精度的人機(jī)交互設(shè)備和穩(wěn)定的傳感器。現(xiàn)階段由于設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的精度問(wèn)題還無(wú)法實(shí)現(xiàn)最理想狀態(tài)，所以對(duì)三維顯示技術(shù)仍需進(jìn)一步研究[16]。

2 VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例開(kāi)發(fā)

2.1 黃鶴樓VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃鶴樓VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖2所示[17]。

（1）第1層為模型創(chuàng)建層，通過(guò)數(shù)字化文化三維建模技術(shù)構(gòu)建黃鶴樓主樓與辛氏酒樓三維數(shù)字化場(chǎng)景。

（2）第2層為數(shù)字文化資源層，用于存儲(chǔ)黃鶴樓主樓和辛氏酒樓場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)、人物動(dòng)畫(huà)以及音頻資源。

（3）第3層為三維跟蹤注冊(cè)技術(shù)層，用于定位體驗(yàn)者位姿數(shù)據(jù)信息并構(gòu)建虛擬三維空間到頭顯世界坐標(biāo)空間的三維幾何參數(shù)模型。

圖2 黃鶴樓VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)層次架構(gòu)

（4）第4層三維顯示輸出層，用于將黃鶴樓三維數(shù)字化場(chǎng)景、人物動(dòng)畫(huà)等數(shù)據(jù)，以可視方式呈現(xiàn)。具體內(nèi)容模塊為：①黃鶴樓歷史建筑造型藝術(shù)數(shù)字化復(fù)原VR展示，通過(guò)數(shù)字三維建模技術(shù)，對(duì)唐、宋、元 、明、清朝各個(gè)朝代不同的黃鶴樓建筑造型藝術(shù)進(jìn)行數(shù)字化三維復(fù)原重構(gòu)與VR展示; ②黃鶴樓建筑景觀藝術(shù)數(shù)字化VR展示，既包括對(duì)黃鶴樓公園與黃鶴樓外部景觀、勝像寶塔 、碑廊、山門(mén)、亭臺(tái)、雕塑等建筑藝術(shù)的數(shù)字化VR展示，也包括對(duì)黃鶴樓內(nèi)部建筑細(xì)節(jié)的VR三維空間漫游展示; ③國(guó)家級(jí)非遺“黃鶴樓傳說(shuō)”VR數(shù)字三維動(dòng)畫(huà)藝術(shù)展示，通過(guò)數(shù)字化體驗(yàn)的方式展現(xiàn)“辛氏修樓謝恩”傳說(shuō)，深刻表現(xiàn)了天人合一、少貪寡欲、懲惡揚(yáng)善的故事主題[18];④黃鶴樓代表性壁畫(huà)場(chǎng)景三維數(shù)字化VR展示。對(duì)黃鶴樓巨大的壁畫(huà)作品中的情景進(jìn)行數(shù)字化三維構(gòu)建與壁畫(huà)場(chǎng)景的VR三維空間展示，如二樓大廳的“孫權(quán)筑城”和“周瑜設(shè)宴”，三樓大廳的“人文菩萃，風(fēng)流千古”等，以實(shí)現(xiàn)游客對(duì)壁畫(huà)場(chǎng)景身臨其境的文化體驗(yàn);⑤黃鶴樓代表性繪畫(huà)藏品VR水墨動(dòng)畫(huà)藝術(shù)展示。對(duì)水墨畫(huà)中的場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化VR三維呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)人在畫(huà)中游的水墨動(dòng)畫(huà)藝術(shù)漫游觀摩體驗(yàn)。

（5）第5層為功能應(yīng)用層，用于實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景交互、場(chǎng)景傳送、飛行軌跡、陸地漫游、坐騎導(dǎo)航等功能。

（6）第6層為虛擬現(xiàn)實(shí)集成系統(tǒng)層。

2.1.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求包括用戶需求和系統(tǒng)功能需求[19]。其中，用戶需求指突破時(shí)間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)黃鶴樓景區(qū)文化體驗(yàn)。針對(duì)用戶需求提出基于VR技術(shù)的黃鶴樓文化體驗(yàn)系統(tǒng)，可有效解決無(wú)法到場(chǎng)進(jìn)行黃鶴樓文化體驗(yàn)等問(wèn)題，同時(shí)也有助于黃鶴樓文化推廣與傳承。系統(tǒng)功能需求根據(jù)用戶需求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有的功能進(jìn)行分析。為實(shí)現(xiàn)用戶在無(wú)時(shí)間和空間限制的條件下進(jìn)行黃鶴樓文化體驗(yàn)，系統(tǒng)功能需求需實(shí)現(xiàn)景區(qū)漫游與文化物品的交互。

2.1.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)用戶需求與系統(tǒng)功能需求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成：①陸地漫游。該模塊主要實(shí)現(xiàn)黃鶴樓場(chǎng)景漫游，使體驗(yàn)者深度了解黃鶴樓文化，體驗(yàn)者觸碰手柄上的Touch Pad即可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景游覽;②場(chǎng)景傳送。該模塊實(shí)現(xiàn)黃鶴樓場(chǎng)景至辛氏酒樓場(chǎng)景的傳送;③場(chǎng)景交互。在該模塊中，體驗(yàn)者在場(chǎng)景中通過(guò)控制器發(fā)射射線實(shí)現(xiàn)文化物品交互;④飛行軌跡。該模塊主要讓體驗(yàn)者以仙鶴視角從云端飛向黃鶴樓入口的牌坊處，為體驗(yàn)者創(chuàng)建不一樣的觀賞視角;⑤坐騎導(dǎo)航。在該模塊中，體驗(yàn)者乘坐白馬實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游，進(jìn)入辛氏酒樓傳說(shuō)中的故事場(chǎng)景，進(jìn)行文化故事可視化體驗(yàn)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。啟動(dòng)系統(tǒng)之后，體驗(yàn)者以仙鶴視角體驗(yàn)從云端飛行到黃鶴樓牌坊的過(guò)程;在牌坊處觸發(fā)坐騎導(dǎo)航功能，體驗(yàn)者切換視角至馬模型上，游覽黃鶴樓場(chǎng)景;接著體驗(yàn)者通過(guò)手柄控制器上的Touch Pad操控，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游;漫游完成后，體驗(yàn)者通過(guò)觸碰控制器上的Touch Pad走動(dòng)到傳送門(mén)處，觸碰傳送門(mén)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景跳轉(zhuǎn);跳轉(zhuǎn)至辛氏酒樓后，體驗(yàn)者通過(guò)頭盔體驗(yàn)辛氏酒樓神話故事的起源以及發(fā)展過(guò)程;體驗(yàn)完成后，體驗(yàn)者可通過(guò)傳送門(mén)跳轉(zhuǎn)至黃鶴樓主樓，與主樓場(chǎng)景物體實(shí)現(xiàn)交互;最后，關(guān)閉系統(tǒng)結(jié)束體驗(yàn)。

圖4 系統(tǒng)工作流程

2.2 黃鶴樓VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

黃鶴樓VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)包括黃鶴樓文化數(shù)字化三維建模以及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 黃鶴樓文化數(shù)字化三維建模

三維建模在VR系統(tǒng)中占據(jù)主要地位。本文系統(tǒng)使用文化數(shù)字化三維建模。三維數(shù)字化指運(yùn)用三維工具實(shí)現(xiàn)模型的虛擬創(chuàng)建、修改、完善等一系列數(shù)字化操作，從而達(dá)到用戶需要的效果[20]。本文系統(tǒng)以黃鶴樓為研究對(duì)象，因此，將黃鶴樓融入數(shù)字化建模概念中，即產(chǎn)生了文化數(shù)字化三維建模的概念。系統(tǒng)中文化數(shù)字化三維建模對(duì)象包括[21]：主樓模型、辛氏酒樓模型創(chuàng)建（見(jiàn)圖5、圖6），以及場(chǎng)景人物、黃鶴樓壁畫(huà)搭建。

圖5 黃鶴樓模型

2.2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)的核心部分，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程可分為6個(gè)部分。

（1）軌道搭建。飛行的首要條件是軌道搭建，需用到Track Rail插件。系統(tǒng)利用unity中自帶的cube作為軌道。為讓cube有軌道效果，需要綁定Track Rail插件中的Track腳本，加入腳本后，cube將作為軌道。軌道的建立需要將多個(gè)cube搭建在一起，所以本文系統(tǒng)應(yīng)用多個(gè)cube根據(jù)場(chǎng)景需求調(diào)整cube方向。通過(guò)腳本的Toolbox調(diào)節(jié)軌道大小與方向，具體設(shè)置在Track Blender中進(jìn)行。方向與大小調(diào)節(jié)完成后即實(shí)現(xiàn)了軌道搭建。

圖6 辛氏酒樓模型

（2）仙鶴飛行。軌道搭建完成，需要載體才能運(yùn)行。本文系統(tǒng)以仙鶴為模型，為了實(shí)現(xiàn)軌道飛行，需在Track Rail插件中找到Track Cart腳本并掛載于仙鶴上，接著設(shè)置snap to track選項(xiàng)即可將仙鶴與軌道適配。為達(dá)到飛行效果，需要將軌道隱藏。所以，最后設(shè)置cube隱藏完成軌道設(shè)置。

（3）陸地漫游。陸地漫游是系統(tǒng)第二個(gè)部分，可讓體驗(yàn)者實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中自由走動(dòng)和場(chǎng)景游覽。體驗(yàn)者在場(chǎng)景中通過(guò)頭盔能看到黃鶴樓全部場(chǎng)景。在場(chǎng)景中，體驗(yàn)者通過(guò)手柄控制器上的Touch Pad控制人物在場(chǎng)景中的行走。需要在Unity中加入Steam VR插件包和VRTK插件包實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景觀看，將Steam VR插件包中Camera Rig導(dǎo)入U(xiǎn)nity中，即可通過(guò)VR相機(jī)看到虛擬場(chǎng)景。在VRTK中導(dǎo)入VRTK_Controller Events與VRTK_Controller Actions完成人物走動(dòng)。

（4）場(chǎng)景切換。場(chǎng)景切換也稱為場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)。場(chǎng)景切換需要利用Unity Engine.Scene Manger中Scene Manager.Load Scene。該腳本需要掛載在cube上，為了讓傳送門(mén)實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)效果，需要將cube放置在傳送門(mén)處。為滿足實(shí)際效果，需要隱藏cube。為完成場(chǎng)景切換的最后一步，需要在unity的Buildings and Setting中添加需要跳轉(zhuǎn)的場(chǎng)景，最后設(shè)置Scenes in build完成跳轉(zhuǎn)。

（5）背景音樂(lè)播放。神話故事場(chǎng)景中需要設(shè)置音樂(lè)播放功能。因此將音頻下載后以MP3格式導(dǎo)入unity中。音樂(lè)設(shè)置在Audio Source中，而Audio Source為unity自帶組件，從unity拖入即可。為了實(shí)現(xiàn)音樂(lè)自動(dòng)播放，需要在跳轉(zhuǎn)之后的場(chǎng)景設(shè)置Audio Source 激活狀態(tài)，沒(méi)有進(jìn)場(chǎng)景前為未激活狀態(tài)，進(jìn)入之后通過(guò)場(chǎng)景設(shè)置為激活。

（6）坐騎導(dǎo)航。漫游部分主要是以馬模型進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)馬模型漫游需設(shè)置Navigation自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置需在馬模型中添加Navigation Mesh Agent組件，Navigation Mesh Agent組件主要設(shè)置漫游的起點(diǎn)跟終點(diǎn)。路徑設(shè)置完成后，需對(duì)全部場(chǎng)景進(jìn)行烘培[22]。烘培是自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的首要條件，否則自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法完成。首先需確定烘培范圍，系統(tǒng)烘培范圍指整個(gè)場(chǎng)景。為使馬模型在場(chǎng)景中有碰撞效果，增加逼真程度，還要設(shè)置可行走區(qū)與不可行走區(qū)。在可行走區(qū)域，馬模型能自由行走;在不可走區(qū)域中，馬模型將不會(huì)從該區(qū)域走過(guò)。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)最佳路徑設(shè)置可走區(qū)域。

（7）射線抓取。在辛氏酒樓場(chǎng)景中，體驗(yàn)者可通過(guò)手柄扳機(jī)發(fā)射射線抓取場(chǎng)景里的物體，實(shí)現(xiàn)與模型物體交互。利用VRTK插件包實(shí)現(xiàn)物體抓取，還需給手柄添加腳本，Interact Grab和VRTK Interact touch腳本需要綁定在手柄游戲?qū)ο笊?，同時(shí)手柄也需要綁定VRTK_Controller Events腳本，這些是實(shí)現(xiàn)物體抓取的必要條件。

3 應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試

3.1 功能測(cè)試

根據(jù)用戶需求和功能需求，功能模塊測(cè)試如表1。

表1 模塊測(cè)試

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

如圖7（a）所示，體驗(yàn)者在場(chǎng)景中以馬模型視角在場(chǎng)景內(nèi)實(shí)現(xiàn)坐騎導(dǎo)航功能;結(jié)合圖7（b）、（c）所示，體驗(yàn)者在場(chǎng)景中能實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)場(chǎng)景功能，在辛氏酒樓場(chǎng)景能實(shí)現(xiàn)陸地漫游功能。不同于傳統(tǒng)方法的紀(jì)錄片觀看、水墨畫(huà)欣賞及實(shí)地瀏覽，VR技術(shù)體驗(yàn)可提高體驗(yàn)者對(duì)文化產(chǎn)業(yè)的興趣。結(jié)合需求分析，體驗(yàn)者通過(guò)手柄控制，在計(jì)算機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)顯示動(dòng)作;由于體驗(yàn)者在室內(nèi)操作，也可解決受限于天氣的問(wèn)題，滿足了功能需求。

（a）坐騎導(dǎo)航? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b） 場(chǎng)景傳送效果? ? ? ? ? ? ? （c） 陸地漫游

圖7 在頭顯中不同場(chǎng)景體驗(yàn)效果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以黃鶴樓文化為基礎(chǔ)VR文化體驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合三維虛擬環(huán)境，在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)黃鶴樓游覽及交互。系統(tǒng)功能齊全，以沉浸式、交互式和多感知性等特性為基礎(chǔ)，可極大提高體驗(yàn)者對(duì)文化的興趣，相信未來(lái)會(huì)有更多的科技融入文化應(yīng)用[23]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步完善，“科技+文化”模式將產(chǎn)生更大的實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：江 艷）