楊芬紅

摘要：為滿足沉浸式多場(chǎng)景觀看需求，該研究在Unity開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上，探索全景微課的實(shí)現(xiàn)方法，前期收集和準(zhǔn)備全景微課素材，并使用材質(zhì)紋理和光照烘焙增強(qiáng)虛擬演播室的真實(shí)性，接下來(lái)使用Unity的Prefabs預(yù)制體、交互技術(shù)、VideoPlayer組件等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)置微課視頻交互和菜單界面交互，創(chuàng)建基于Unity的全景微課虛擬演播室。全景微課能模擬真實(shí)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，提供沉浸式、交互式和個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在教育培訓(xùn)和展覽展示等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：全景微課；虛擬演播室；多場(chǎng)景

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）35-0124-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

全景微課是一種利用VR技術(shù)制作的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，它將全景VR技術(shù)與微課視頻相結(jié)合，通過(guò)360度全景視角展示多個(gè)微課影像，為學(xué)生提供沉浸式的虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景。學(xué)生可以通過(guò)智能手機(jī)或電腦瀏覽器等設(shè)備來(lái)學(xué)習(xí)微課內(nèi)容，感受到仿佛身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。此外，全景微課還可以提供交互式學(xué)習(xí)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和參與度。

Unity是一款3D實(shí)時(shí)交互內(nèi)容創(chuàng)作平臺(tái)，是創(chuàng)建全景微課虛擬演播室的主要軟件，包括以下幾個(gè)應(yīng)用：

1） 場(chǎng)景展示：利用Unity的場(chǎng)景編輯功能，可以創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境。在Unity中創(chuàng)建或?qū)雸?chǎng)景模型，并將其放置到虛擬環(huán)境中，通過(guò)材質(zhì)紋理技術(shù)和光照烘焙技術(shù)模擬真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境。

2） 交互功能添加：Unity提供了豐富的交互功能，可以為全景微課添加互動(dòng)元素，通過(guò)Unity的腳本編程，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊觸發(fā)、信息展示、提問(wèn)答題等功能，使學(xué)生能夠主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和參與度。

3） 虛擬導(dǎo)航：利用Unity的菜單功能，可以為全景微課添加導(dǎo)航元素，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自由導(dǎo)航。這樣學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和需求選擇學(xué)習(xí)的路徑，更好地探索學(xué)習(xí)內(nèi)容。

Unity在三維交互創(chuàng)作中具有強(qiáng)大的功能，同時(shí)也具有易用性和實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，通過(guò)虛擬環(huán)境的創(chuàng)建和交互功能的添加，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和參與度，為創(chuàng)建全景微課虛擬演播室提供了一個(gè)很好的平臺(tái)[1]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

使用Unity實(shí)現(xiàn)全景微課虛擬演播室需要使用三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括Prefabs預(yù)制體、交互技術(shù)、VideoPlayer組件[2]，下面是關(guān)鍵技術(shù)的介紹。

1.1 Prefabs預(yù)制體

在Unity中，Prefabs預(yù)制體是一種用于復(fù)用游戲?qū)ο驡ame Objects的資源。它們是將一個(gè)或多個(gè)游戲?qū)ο蠹捌浣M件的層次結(jié)構(gòu)保存為一個(gè)單獨(dú)的文件，可以在場(chǎng)景中多次實(shí)例化和使用。Prefabs預(yù)制體具有繼承和變體、可視化編輯的優(yōu)勢(shì)，為對(duì)象復(fù)用和嵌套、修改和維護(hù)帶來(lái)便利，使用Prefabs能高效地管理和修改游戲?qū)ο?，并減少代碼復(fù)制和冗余，有利于進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作開(kāi)發(fā)，提升創(chuàng)建全景微課虛擬演播室效率。

1.2 交互技術(shù)

交互技術(shù)是指通過(guò)用戶與系統(tǒng)之間的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞、操作控制和反饋交流的技術(shù)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)和人機(jī)交互領(lǐng)域，交互技術(shù)是構(gòu)建良好用戶體驗(yàn)和方便用戶控制系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。Unity常見(jiàn)的交互技術(shù)包括輸入管理、物體捕捉和碰撞檢測(cè)、UI交互、觸控和手勢(shì)識(shí)別、VR/AR交互、移動(dòng)設(shè)備交互等，實(shí)現(xiàn)全景微課虛擬演播室所需用的包括以下兩個(gè)交互技術(shù)：

1） 輸入管理：Unity提供了強(qiáng)大的輸入管理系統(tǒng)，可以通過(guò)檢測(cè)鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等輸入設(shè)備的輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶交互，為輸入設(shè)備的按鍵、點(diǎn)擊、拖動(dòng)等操作編寫(xiě)交互代碼，來(lái)控制游戲?qū)ο蟮男袨椤?/p>

2） UI交互：Unity的UI系統(tǒng)可用于創(chuàng)建與用戶交互的系統(tǒng)界面，可以添加按鈕、滑塊、輸入框等UI元素，通過(guò)編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)事件，響應(yīng)用戶的交互操作，方便實(shí)現(xiàn)菜單界面、按鈕控制等交互功能。

1.3 VideoPlayer組件

VideoPlayer組件是Unity提供的用于播放視頻的組件，它內(nèi)置了基本的視頻控制和渲染功能，可以實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中播放視頻的需求。VideoPlayer組件可以播放大多數(shù)常見(jiàn)的視頻格式，它也提供了渲染視頻的功能，可以選擇在場(chǎng)景中的指定位置進(jìn)行渲染，或者將視頻作為紋理應(yīng)用到3D模型上。VideoPlayer組件提供了許多可用于處理播放事件的回調(diào)函數(shù)，通過(guò)編寫(xiě)代碼在視頻播放過(guò)程中觸發(fā)自定義的邏輯。VideoPlayer組件還可以與Unity的UI系統(tǒng)結(jié)合使用，通過(guò)創(chuàng)建UI控件來(lái)控制視頻的播放，建立自定義的播放器控制界面。使用VideoPlayer組件，可以在Unity中實(shí)現(xiàn)全景微課視頻播放功能，并可以使用交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻播放控制。

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

創(chuàng)建全景微課虛擬演播室主要軟件是Unity，另外還需一些輔助軟件如 Substance Designer、Substance Sample、Adobe Photoshop等，用來(lái)對(duì)紋理、材質(zhì)和圖片進(jìn)行處理。在全景微課實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，Unity需要安裝Modern UI Pack、ArtWorks和SketchfabForUnity等插件[3]，下面介紹詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 準(zhǔn)備素材視頻

首先需要收集和準(zhǔn)備全景微課素材，包括室內(nèi)模型，圖片紋理和7個(gè)以上微課視頻。在Unity中創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，然后將準(zhǔn)備好的素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity項(xiàng)目中。這里使用通用渲染管線URP創(chuàng)建項(xiàng)目，它是Unity中一種可配置的渲染管線，能方便配置和優(yōu)化Unity項(xiàng)目的渲染流程，并獲得出色的視覺(jué)效果和性能。

2.2 真實(shí)化室內(nèi)環(huán)境

Unity采用材質(zhì)紋理技術(shù)對(duì)虛擬演播室進(jìn)行真實(shí)化處理，下面是材質(zhì)、紋理這兩個(gè)概念的介紹。

1） 材質(zhì)（Material） 是指定義了一個(gè)物體的外觀和其他視覺(jué)屬性的集合。它可以包括顏色、光照、透明度、反射等信息，用于描述物體在光照和渲染過(guò)程中的行為。在Unity中，材質(zhì)是一個(gè)可以被應(yīng)用到3D模型上的資源，用于決定模型的渲染效果。

2） 紋理（Texture） 是一種2D圖像或圖案，用于模擬或增強(qiáng)3D模型的外觀。它可以用來(lái)表現(xiàn)物體的表面細(xì)節(jié)、顏色、光照和其他視覺(jué)特征。紋理通常包含在一個(gè)圖像文件中，如PNG或JPEG，并且在游戲中被應(yīng)用在材質(zhì)上，用于模擬真實(shí)世界中的物體。

虛擬演播室墻面使用Substance Designer紋理創(chuàng)作軟件進(jìn)行紋理制作，然后導(dǎo)入到Unity，把制作好的紋理圖片賦予墻面材質(zhì)，如果發(fā)現(xiàn)效果不是很理想，可以在屬性窗口調(diào)整紋理的各項(xiàng)參數(shù)，使墻面呈現(xiàn)比較真實(shí)自然的效果。另外使用Substance Sample軟件制作虛擬演播室地板紋理，這款軟件能使用任意的照片，采用人工智能技術(shù)，能迅速制作出細(xì)節(jié)豐富的紋理，在軟件中導(dǎo)入一張地板照片，結(jié)合智能創(chuàng)建，參數(shù)設(shè)置，制作一個(gè)理想的地板紋理，然后把制作完成的地板紋理導(dǎo)出到Unity中，并將它賦予地面材質(zhì)，結(jié)合屬性設(shè)置，完成室內(nèi)地板制作。

2.3 烘焙光照貼圖

烘焙光照貼圖（Baked Lightmaps） 是一種在Unity中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光照效果的技術(shù)。它通過(guò)預(yù)計(jì)算光照信息，并將結(jié)果保存在紋理貼圖中，然后將該貼圖應(yīng)用到模型上，以實(shí)現(xiàn)模型的真實(shí)感和細(xì)節(jié)。在全景微課的虛擬演播室創(chuàng)建中，烘焙光照貼圖的過(guò)程如下：

1） 首先需要設(shè)置場(chǎng)景中的平行光（Directional Light） 的光照方向，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整到合適位置。

2） 將游戲?qū)ο髽?biāo)記為Contribute GI靜態(tài)類型，方便后續(xù)的烘焙光照。

3） 在Lighting屬性窗口中設(shè)置參數(shù)，在Scene選項(xiàng)中將Lighting Mode設(shè)置為Baked Indirect，然后根據(jù)設(shè)備的性能和具體需求分別設(shè)置參數(shù)，設(shè)置完成后按Generate Lighting按鈕，等待幾分鐘，光照貼圖已經(jīng)加載到演播室天花板，墻面和地板等材質(zhì)上，完成烘焙過(guò)程。

4） 為了呈現(xiàn)真實(shí)的光照效果，可以為場(chǎng)景添加面光源（Area Light） ，呈現(xiàn)漫反射光照效果。

烘焙光照貼圖的優(yōu)點(diǎn)是可以在運(yùn)行時(shí)快速呈現(xiàn)高品質(zhì)的光照效果，減少了實(shí)時(shí)計(jì)算光照的開(kāi)銷，烘焙光照貼圖是Unity中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光照效果的重要技術(shù)。但它也有限制，由于是預(yù)計(jì)算的結(jié)果，燈光移動(dòng)或場(chǎng)景改變時(shí)，需要重新烘焙光照貼圖。

2.4 設(shè)置微課視頻及交互

1） 創(chuàng)建微課視頻

首先在場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)Plane，設(shè)置大小和位置，放置在墻面適當(dāng)位置，將微課視頻拖放到Plane上，查看Plane屬性窗口，會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)增加了一個(gè)VideoPlayer組件，微課視頻已被添加到VideoPlayer視頻播放器組件中。為了避免在視頻播放時(shí)受光照影響，可以創(chuàng)建一個(gè)材質(zhì)賦予Plane，材質(zhì)的著色器設(shè)置為URP下的Unlit，貼圖通道自動(dòng)改為Baseup，并設(shè)置VideoPlayer組件材質(zhì)屬性為相同的Baseup，運(yùn)行后可以查看微課視頻播放狀態(tài)。用相同的方法在墻面上再添加6個(gè)微課視頻，使微課視頻排列在適當(dāng)位置。

2） 控制視頻播放

為了方便師生觀看微課，需要在微課視頻下方添加播放停止按鈕，控制微課視頻播放，然后添加腳本實(shí)現(xiàn)以下功能，如表1所示[4]。

全景微課視頻播放/停止?fàn)顟B(tài)如圖1所示，中間墻面的微課視頻是停止播放時(shí)的狀態(tài)，左右墻面的微課視頻是正在播放時(shí)的狀態(tài)。

2.5 創(chuàng)建導(dǎo)航菜單及交互

1） 導(dǎo)航菜單結(jié)構(gòu)

前期通過(guò)個(gè)別訪談?wù){(diào)研全景微課播放需求，結(jié)合全景微課具體應(yīng)用情景，設(shè)計(jì)導(dǎo)航菜單結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)部分，分別為微課布局、微課播放、場(chǎng)館導(dǎo)航，結(jié)構(gòu)如表2所示：

2） 創(chuàng)建菜單界面

全景微課菜單外觀創(chuàng)建使用Modern UI Pack插件，它是一款為Unity開(kāi)發(fā)者提供的插件，這個(gè)插件通常包含一系列預(yù)制的UI元素和組件，如按鈕、滑塊、文本框、下拉菜單等，以及現(xiàn)代風(fēng)格的UI模板和圖標(biāo)。全景微課菜單基礎(chǔ)界面使用Modern UI Pack的Windows Manager組件創(chuàng)建，Windows Manager組件能方便地創(chuàng)建菜單界面，不添加腳本就能實(shí)現(xiàn)不同窗口的切換，也可以根據(jù)需求添加其他Modern UI Pack組件。

首先在場(chǎng)景窗口創(chuàng)建能承載菜單的Canvas，在屬性窗口中調(diào)整Canvas的大小和位置，然后添加Windows Manager組件，默認(rèn)三個(gè)按鈕三個(gè)窗口，接下來(lái)設(shè)置按鈕的名稱，在窗口中添加具體內(nèi)容。由于Windows Manager組件對(duì)中文支持不理想，這些窗口內(nèi)容預(yù)先使用PS軟件做成圖片形式，然后導(dǎo)入窗口組件中。最后在菜單右上角添加停止按鈕，完成菜單界面創(chuàng)建，如圖2所示。

3） 創(chuàng)建菜單交互

菜單交互需要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能，功能一：在規(guī)定的距離內(nèi)顯示導(dǎo)航菜單；功能二：?jiǎn)螕絷P(guān)閉按鈕或超出規(guī)定距離隱藏導(dǎo)航菜單；功能三：菜單始終顯示在觀察者前方固定位置，菜單跟隨觀察者旋轉(zhuǎn)，使菜單始終朝向觀察者。交互控制的功能名稱及關(guān)鍵代碼如表3所示。

2.6 導(dǎo)出項(xiàng)目

完成全景微課制作后，可以通過(guò)Unity的Build功能將微課導(dǎo)出為可執(zhí)行程序或Web內(nèi)容，以供用戶使用和瀏覽。可以選擇編譯到不同平臺(tái)，如Windows、Mac、iOS或Android等。

3 應(yīng)用情景

全景微課能模擬真實(shí)的演播室環(huán)境，通過(guò)交互技術(shù)控制播放多個(gè)微課視頻，讓學(xué)習(xí)者能同時(shí)進(jìn)行多場(chǎng)景觀看，因此全景微課具有豐富的應(yīng)用情景，下面是常見(jiàn)幾個(gè)應(yīng)用[5]。

3.1 在線學(xué)習(xí)平臺(tái)

全景微課是很好的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，教師可以在虛擬演播室上傳多個(gè)微課視頻，根據(jù)自身不同水平和能力，讓學(xué)生選擇不同的微課進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的個(gè)性化和自主性。

3.2 方案演示

設(shè)計(jì)、營(yíng)銷等領(lǐng)域可以利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)方案演示，讓客戶比較不同的選項(xiàng)，提供更全面的決策依據(jù)。

3.3 項(xiàng)目管理

企業(yè)可以利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況和管理內(nèi)容，方便管理人員全面了解各個(gè)項(xiàng)目的情況，提高項(xiàng)目管理效率。

3.4 場(chǎng)館展覽

博物館、展覽等場(chǎng)所可以利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)視頻，讓觀眾可以同時(shí)瀏覽多個(gè)展覽內(nèi)容，豐富觀展體驗(yàn)。

3.5 多學(xué)科交叉

利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)微課程，可以實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科之間的交叉和綜合，促進(jìn)知識(shí)和思維的融合，讓學(xué)生在跨學(xué)科的背景中進(jìn)行綜合學(xué)習(xí)和思考。

3.6 多媒體交互展示

利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)微課，結(jié)合音頻、視頻、圖像等多媒體元素，提供更豐富的展示效果，增強(qiáng)參與感和記憶效果。

3.7 創(chuàng)作展示

創(chuàng)意、設(shè)計(jì)等行業(yè)可以利用全景微課虛擬演播室同時(shí)播放多個(gè)作品展示，讓觀眾可以同時(shí)欣賞多個(gè)角度和風(fēng)格的創(chuàng)作，促進(jìn)藝術(shù)交流和創(chuàng)新思維。

除上述應(yīng)用情景之外，全景微課還可以應(yīng)用在企業(yè)培訓(xùn)、語(yǔ)言學(xué)習(xí)、多人協(xié)同工作、多時(shí)區(qū)教學(xué)、多元化體驗(yàn)活動(dòng)、多職業(yè)模擬實(shí)踐、多元化演藝、模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域，應(yīng)用非常廣泛。

4 總結(jié)及展望

基于Unity的全景微課制作在教育培訓(xùn)和展覽展示等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。接下來(lái)可以進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)全景微課制作技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

4.1 增加互動(dòng)性

進(jìn)一步提升微課的互動(dòng)性，探索更多的交互方式，如手勢(shì)識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等，讓學(xué)習(xí)者能夠更直觀地參與其中。

4.2 增加場(chǎng)景個(gè)性化定制

提供更多的場(chǎng)景個(gè)性化定制選項(xiàng)，例如增加可調(diào)整的燈光效果、天氣和季節(jié)變化等，使得微課更加豐富多樣。

4.3 引入多媒體元素

除了音頻和文字，可以進(jìn)一步引入多媒體元素，如視頻片段、3D模型、虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)元素等，為學(xué)習(xí)者提供更立體和多樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

4.4 支持多平臺(tái)

進(jìn)一步擴(kuò)展支持的平臺(tái)，包括移動(dòng)設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等，使學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的喜好和需求選擇合適的平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

基于Unity的全景微課制作在教育和培訓(xùn)領(lǐng)域具有巨大潛力，未來(lái)可以通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，為學(xué)習(xí)者提供更豐富、生動(dòng)和個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】