基于虛擬現(xiàn)實技術在智慧校園中的建設與應用

基于虛擬現(xiàn)實技術在智慧校園中的建設與應用 摘要：隨著科學技術的迅速開展和計算機硬件的逐步改善，虛擬現(xiàn)實技術已慢慢成為信息領域的一個研究熱點。人們可以更好利用高性能計算機，構建一個逼真的三維環(huán)境，讓人們身臨其境的 　　摘要：隨著科學技術的迅速開展和計算機硬件的逐步改善，虛擬現(xiàn)實技術已慢慢成為信息領域的一個研究熱點。人們可以更好利用高性能計算機，構建一個逼真的三維環(huán)境，讓人們身臨其境的體驗虛擬世界，在虛擬環(huán)境中使用不同的方式來與對象進行交互體驗。本文重點研究如何使用 UNREAL ENGINE 4 虛幻引擎構建智慧校園，根據(jù)學校 1 比 1 復原校園環(huán)境，分模塊進行校園建設，使用 3D max 軟件建設校園教學樓、操場、實驗室等模型，實現(xiàn)沉浸式教學效果、可以模擬火災、地震等自然災害的消防演習。 　　關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;智慧校園;UNREAL ENGINE 4;校園建設;3D max 　　宋雪; 李小莊; 盧甜甜， 網(wǎng)絡平安技術與應用 發(fā)表時間：2022-11-15 　　1 虛擬現(xiàn)實技術原理 　　1.1 虛擬現(xiàn)實技術的概念 　　虛擬現(xiàn)實技術是 21 世紀重點開展的三個技術之一，在教育中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)授課方式，如多媒體教學等。可以讓學生從間接獲取知識變?yōu)橹苯荧@取知識，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。學生通過教師建設的各種情境參與分配角色，在一定根底上，也可以改變教師設置的情境，這樣使學習變得更加生動有趣，才能提高學生的興趣及創(chuàng)新能力。這樣可以使教師的教學方式多種多樣，學生有沉浸感才能使教學變得有趣。 　　1.2 虛擬現(xiàn)實技術的特性 　　虛擬現(xiàn)實技術能夠通過計算機設定三維世界，通過頭盔、頭顯等外接設備實現(xiàn)五感的連接。虛擬現(xiàn)實技術的核心是人與計算機構建虛擬世界的交互性和沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬世界分為兩種類型：(1)重現(xiàn)現(xiàn)實世界;(2)制作完全的虛擬世界。 　　虛擬現(xiàn)實技術主要分為三個特征：第一，有真實的沉浸體驗感，人們利用計算機軟件創(chuàng)立一個擬想的虛擬環(huán)境，讓體驗者有非常真實的體驗感，就像是身處在現(xiàn)實世界一樣。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，能夠在與計算機交互過程中扮演一個虛擬環(huán)境內的角色來實現(xiàn)人的表達作用，讓用戶如同在現(xiàn)實世界中一樣。第二，有豐富的交互性，用戶需要有交互體驗才能感受到真實，如果無法在虛擬環(huán)境中進行交互，很快就會意識到問題，會盡快脫離場景建設。第三，有新穎的設想性，有些環(huán)境已經(jīng)經(jīng)過時間的磨滅消失或者慢慢損耗，無法讓接收者得到直觀的感受，只能通過照片或視頻來間接接收內容，這需要制作 1 比 1 復原的場景，讓學生有真實體驗感。并且可以通過教師自己的設想來創(chuàng)立一個新的內容，發(fā)布給學生，學生通過討論后可在其任何位置進行修改，可以提高學生自身認識，從而創(chuàng)造出新的構思想法。因此，虛擬現(xiàn)實技術應用在校園教學是非常有用的。 　　使用虛擬現(xiàn)實技術構建校園，可以讓學生在宿舍就有身處課堂的感覺，通過交互性來使學生與老師互動，可節(jié)省課堂資源。如：地理學科的教師無法將關于地理環(huán)境的材料實地展示給學生，如果創(chuàng)立虛擬校園的虛擬課堂，即可讓學生身臨其境的學習地理知識;物聯(lián)網(wǎng)概論的教師無法將智能家居這樣龐大的電器體系都展示給學生，就可以通過虛擬建設，讓學生先了解智能家居在家庭的應用，然后再了解每一個電器是由多個超大規(guī)模集成電路組成的，超大規(guī)模集成電路下屬還有多個小型單片機，將抽象的東西具體化，更能帶給學生直觀感受。 　　2 虛擬現(xiàn)實技術應用于智慧校園建設的可行性 　　2.1 深度優(yōu)化智慧校園智能環(huán)境 　　虛擬現(xiàn)實技術的開展，使學校校園的環(huán)境建設可以實現(xiàn)現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境的有機融合;特別是將實時視頻控制、多傳感器信息融合這兩項技術應用于智慧校園建設，可以有效地多角度優(yōu)化、呈現(xiàn)完整的校園環(huán)境。 　　2.2 抽象內容可視化、形象化，提升教學、科研質量 　　大量研究結果說明，假設將教學、科研與虛擬現(xiàn)實技術深度整合，能夠有效提升教學質量和科研水平;基于虛擬現(xiàn)實技術的可視化的呈現(xiàn)，能夠加強對抽象事物的顯性認知。因此可以推斷，模型建立的質量好壞將直接影響整個虛擬現(xiàn)實環(huán)境質量的好壞。 　　2.3 強化校園的智慧性體驗程度 　　智慧性體驗是在智能環(huán)境、智慧應用和效勞根底上，對環(huán)境和應用效勞理念層面的升華，它展現(xiàn)的是用戶對信息素養(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程度。因此，為了增強虛擬現(xiàn)實技術的體驗感，不僅需要多種傳感器的信息融合、實時跟蹤、精準定位，還應實現(xiàn)用戶與虛擬場景之間的自然交互，受到各種交互指令時，給予相應的反響。 　　3 課題研究的意義和創(chuàng)新點 　　虛擬現(xiàn)實技術是未來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，現(xiàn)如今無論校園是否為數(shù)字校園，融入虛擬現(xiàn)實技術將是對學校的升級，在智慧校園的建設過程中，構建一個虛擬的、具有多方面交流、效勞、教育的平臺，可以使得學生學習和生活娛樂的環(huán)境更加豐富，可以加強學生的思維創(chuàng)新和思維發(fā)散能力，為學生帶來更好的校園體驗。以本文建設校園為例，將基于虛擬現(xiàn)實技術構建與校園 1 比 1 模型的虛擬環(huán)境，用戶通過計算機操控與該環(huán)境進行交互，實現(xiàn)對智慧校園的控制。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 進行用戶交互設計和情境渲染，建立仿真景觀的 VR 智慧校園，在此根底上，制作一個立體校園模型，通過藍牙控制實現(xiàn)智慧校園。 　　創(chuàng)新點：利用 3Dmax 制作實景模型，可以讓學生有真實的體驗感，可以自主選擇上課教室，真實地沉浸在虛擬校園中，并且可以通過火災創(chuàng)景，來模擬火災發(fā)生時有序離開教室情況，也可以通過創(chuàng)立地震場景模擬，讓學生對地震后反響做出及時應對，既節(jié)省本錢，又能實現(xiàn)知識普及效果。 　　主要針對現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實技術在校園中的應用，可以對小型校園模型使用 APP 進行控制，也可以使用外接設備模擬火災、地震等場景。 　　建設虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園，學生可以通過計算機對智慧校園進行交互，并且可以使用安卓移動終端操控小型智慧校園模型。 　　4 課題研究的主要內容 　　本課題主要利用平面及虛擬現(xiàn)實技術等制作工具，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)開發(fā)軟件，制作安卓移動端控制智慧校園;利用多種傳感器及校園模型，制作小型智慧校園。 　　4.1 主要內容 　　4.1.1 使用 Photoshop 制作大型校園模型建設(1)拍攝校園細節(jié)圖片(2)校園內部結構清晰合理 　　4.1.2 使用 3D MAX、UNREAL ENGINE 4 制作校園模型(1)校門模型的建設與研究(2)行政樓模型的建設與研究(3)教學樓模型的建設與研究(4)綜合樓模型的建設與研究(5)宿舍樓模型的建設與研究(6)道路模型的建設與研究(7)花草模型的建設與研究(8)籃球場模型的建設與研究(9)足球場模型的建設與研究 　　4.1.3 使用 Unity 3D、UNREAL ENGINE 4 進行交互系統(tǒng)建設(1)用戶與用戶交互系統(tǒng)(2)用戶與學校交互系統(tǒng) 　　4.1.4 小型智慧校園模型建設(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)實現(xiàn)藍牙控制校園，實現(xiàn)智慧校園的模型建設 　　4.2 課題需解決的關鍵性問題(1)模型尺寸測量(2)模型建設(3)VR 交互性設計 　　5 步驟實施方案 　　由課題主持人負責總體分工，分成 6 個課題小組：一是查找虛擬現(xiàn)實技術建設模型素材小組;二是利用 C 語言、JAVA 語言及系統(tǒng)工具軟件制作小組;三是測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;六是論文及研究報告撰寫小組。 　　6 研究框架(表 1) 　　表 1 研究框架表提出問題 選題背景、研究意義、研究思路研究現(xiàn)狀 VR 技術和校園模型的理論根底及實現(xiàn)研究內容 模型測量、創(chuàng)立模型、交互設置、APP 制作研究方法 文獻調查法、觀察法、思辯法、行為研究法、概念分析法、比擬研究法 　　7 總結 　　本課題將虛擬現(xiàn)實技術應用到智慧校園中的建設，在教育領域的探索過程中，VR 技術具有提高教學手段、提高教學水平、整合教學資源等優(yōu)勢。通過計算機的操控與環(huán)境相交互，構建一個虛擬的交流、效勞、教育平臺，加強學生的創(chuàng)新思維能力，使學生的學習環(huán)境更加的完善。使現(xiàn)如今的數(shù)字化校園得以升級。 　　我們主要利用 Photoshop、3D MAX、Untiy 3D、UNREAL ENGINE 4 來制作校園的模型包括校園的教學樓、行政樓、圖書館、宿舍樓、道路、花草、籃球場、足球場等模型，以及用戶和校園之間的交互，并且也參加了相應的傳感器;利用 java、APP inventor 等編程工具及系統(tǒng)開發(fā)軟件，最終可以實現(xiàn)通過藍牙來控制程序，實現(xiàn)智慧校園的模型制作，讓我們的學習和實踐更加的完善。