基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的紅色文化教育云平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——以四川紅色文化資源為例

樊 梅，蔣寶晴

（四川大學(xué) 華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，四川 成都610041）

四川是紅軍長征歷時(shí)最久、行程最長、活動(dòng)區(qū)域最廣、發(fā)生重要事件最多的省份。爬雪山、過草地、強(qiáng)渡大渡河、飛奪瀘定橋、巧渡金沙江、彝海結(jié)盟、四渡赤水等經(jīng)典戰(zhàn)例和革命奇跡至今聞名遐邇。由于地域限制，且在當(dāng)今疫情常態(tài)化防控背景下，其他地區(qū)的黨員很難有機(jī)會親身體驗(yàn)到四川的紅色文化精神。利用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對四川紅色文化的虛擬漫游，打破地域限制，大大降低以往教育形式的枯燥感，提高廣大黨員學(xué)習(xí)的熱情。通過構(gòu)建虛擬場景，帶給用戶生動(dòng)逼真的沉浸式體驗(yàn)，讓一個(gè)個(gè)歷史人物和故事都更加立體生動(dòng)。讓用戶置身于虛擬現(xiàn)實(shí)的情境中，作用于用戶的視、聽、觸等各感官系統(tǒng)，使其身臨其境般地體驗(yàn)歷史事件，體會老一輩共產(chǎn)黨人的革命斗爭精神。

1 平臺設(shè)計(jì)思路

紅色文化教育云平臺立足于四川豐富的紅色文化資源，以推廣紅色革命精神為先導(dǎo)、新時(shí)代黨的精神為導(dǎo)向、創(chuàng)新為引領(lǐng)、學(xué)習(xí)教育為中心，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，與紅色文化資源管理部門共同打造集“展示、教育、文化宣傳”為一體的紅色文化教育云平臺。按照面向黨政機(jī)關(guān)、面向?qū)W校、面向群眾的定位，全面拓展紅色文化教育領(lǐng)域，營造共建、共享、共贏的紅色文化教育生態(tài)圈。紅色文化教育云平臺以歷史事件為核心素材，以云計(jì)算和實(shí)時(shí)渲染引擎等為技術(shù)支撐，結(jié)合多種硬件終端為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

1.1 平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用規(guī)劃

基于云端的系統(tǒng)架構(gòu)對海量數(shù)據(jù)存儲與管理、并發(fā)任務(wù)渲染、復(fù)雜場景渲染等具有較好的支撐作用[1]。如圖2所示，為提高紅色文化教育云平臺的靈活性，降低平臺對應(yīng)用終端的性能要求，平臺將采用云端部署多端使用的應(yīng)用模式。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用模式

1.1.1 云端部署

平臺包含多個(gè)紅色革命舊址的數(shù)據(jù)資源，后續(xù)可擴(kuò)展覆蓋四川四十余個(gè)紅色革命舊址。采用云端部署的方式存儲在云服務(wù)器中?？筛鶕?jù)用戶使用情況完成資源數(shù)據(jù)下載、場景渲染、視頻流分發(fā)等任務(wù)，以滿足不同的應(yīng)用場景。

1.1.2 大屏展示

大屏展示系統(tǒng)具有分辨率高、畫質(zhì)細(xì)膩、應(yīng)用模式單一等特征，對計(jì)算機(jī)的渲染能力要求很高，一般是部署在展廳等固定場所。該模式下將采用本地部署高性能服務(wù)器，從云端下載數(shù)據(jù)資源到本地渲染的方式進(jìn)行紅色文化教育場景可視化呈現(xiàn)，達(dá)到震撼的視覺效果。

1.1.3 VR體驗(yàn)

根據(jù)應(yīng)用模式，VR眼鏡主要分為三類，分別是：手機(jī)盒子、頭戴式顯示器和VR一體機(jī)。手機(jī)盒子是通過手機(jī)作為虛擬場景的渲染終端進(jìn)行VR呈現(xiàn)，其渲染能力和顯示精度受手機(jī)硬件性能限制。頭戴式顯示器本身只作為顯示終端，需要通過外置計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像計(jì)算和渲染。VR一體機(jī)內(nèi)置顯示屏、陀螺儀、計(jì)算等模塊，具有較強(qiáng)的計(jì)算能力且攜帶和部署便捷。因此，紅色文化教育云平臺采用VR一體機(jī)作為沉浸式體驗(yàn)終端。

VR一體機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)連接平臺進(jìn)行資源下載和更新，使用者通過交互手柄選擇不同的場景進(jìn)行游覽體驗(yàn)。VR一體機(jī)根據(jù)視野方向?qū)崟r(shí)渲染具有視差的左右眼圖像并投射到VR一體機(jī)屏幕上，構(gòu)建出具有高度沉浸感的立體影像[2]，效果如圖3所示。

圖3 VR體驗(yàn)效果圖

1.1.4 移動(dòng)端體驗(yàn)

移動(dòng)端主要是作為臨時(shí)的體驗(yàn)終端，使用者通過平臺接口登錄，選擇需要體驗(yàn)的場景后由云端進(jìn)行場景渲染，通過視頻流的方式傳輸?shù)揭苿?dòng)端進(jìn)行呈現(xiàn)。體驗(yàn)設(shè)備本身無需進(jìn)行資源下載和渲染計(jì)算，極大地降低了對硬件性能的依賴。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大地形仿真技術(shù)

虛擬環(huán)境中的場景實(shí)時(shí)程度、場景可視范圍、場景細(xì)節(jié)等對最終呈現(xiàn)的可視化效果有直接影響[3]。目前制做大型地景的主要方式是采用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）生成具有高度信息的基礎(chǔ)模型，采用數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）貼圖的方式構(gòu)建超大范圍地理環(huán)境[4]。為了達(dá)到更好的體驗(yàn)效果，紅色文化教育云平臺根據(jù)紅色舊址真實(shí)地理數(shù)據(jù)信息生成地形場景，在傳統(tǒng)DEM+DOM技術(shù)方法基礎(chǔ)上，根據(jù)地表紋理信息，采用虛幻引擎4（Unreal Engine 4，UE4）提供的植被系統(tǒng)生成較為真實(shí)的地表覆蓋物，使得場景效果更加真實(shí)細(xì)膩。具體效果如圖4所示。

圖4 大地形仿真

2.2 高精度建模技術(shù)

為了達(dá)到良好的畫面效果，需要對紅色舊址及歷史事件場景進(jìn)行高精度地還原。但是紅色文化教育云平臺的畫面呈現(xiàn)是基于UE4引擎的實(shí)時(shí)渲染，模型數(shù)據(jù)量越大對系統(tǒng)資源的消耗就越嚴(yán)重，系統(tǒng)運(yùn)行效率就越低。為了獲得良好的體驗(yàn)感，在非沉浸式體驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)刷新率一般要大于30Hz，在沉浸式體驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)刷新率一般要大于60Hz。在滿足功能和渲染質(zhì)量要求的前提下需要對虛擬場景資源進(jìn)行深度優(yōu)化，以降低平臺硬件的負(fù)載壓力。次時(shí)代建模技術(shù)采用法線烘焙以貼圖的形式保留高精度模型的細(xì)節(jié)，將貼圖賦予到低模上即可獲得和高精度模型一致的外觀效果[5]。采用次時(shí)代建模的方式可獲得良好的視覺效果，也不會因?yàn)槟Ｐ兔鏀?shù)過多而導(dǎo)致系統(tǒng)資源浪費(fèi)。

2.3 多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）技術(shù)

在不影響畫面質(zhì)量的前提下，LOD技術(shù)通過逐次簡化物體的表面細(xì)節(jié)來降低場景的復(fù)雜性。在渲染時(shí)，依據(jù)模型與虛擬攝像機(jī)的位置關(guān)系以及占用屏幕比例，決定渲染對應(yīng)層次的模型，可以通過降低在渲染屏幕中所占比重較小的物體的面數(shù)，以提高渲染效率[6]。

平臺使用UE4提供的LOD系統(tǒng)進(jìn)行模型各層級LOD制作，對于單個(gè)模型而言，其優(yōu)化效果十分出色，極大地降低了渲染壓力。其各層級LOD效果如圖5所示。

圖5 LOD效果示意

2.4 實(shí)時(shí)通信技術(shù)

在移動(dòng)端體驗(yàn)過程中，為降低終端的渲染壓力，平臺通過云服務(wù)器對虛擬場景進(jìn)行渲染并將視頻流實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇K端。網(wǎng)頁實(shí)時(shí)通信（Web Real-Time Communication，WeBRTC）技術(shù)的特點(diǎn)是在不安裝軟件和插件的情況下，通過瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)端對端的雙向數(shù)據(jù)傳輸[7]。WeBRTC支持Windows，Linux，Mac，Android等系統(tǒng)，具有良好的跨平臺能力。在紅色文化教育云平臺中采用該項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與云端的渲染數(shù)據(jù)流、控制指令的傳輸，達(dá)到交互式體驗(yàn)的目的。

3 平臺實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)路線

四川紅色文化教育云平臺是將VR技術(shù)與紅色文化教育資源相結(jié)合開發(fā)的，首先是收集整理素材，比如照片、視頻、文字資料等。接下來根據(jù)素材，采用Maya建模軟件對關(guān)鍵場景和人物進(jìn)行精細(xì)化建模和動(dòng)畫制作，基于真實(shí)地理信息數(shù)據(jù)對周邊地形進(jìn)行還原。采用UE4引擎作為紅色文化教育虛擬場景可視化的關(guān)鍵平臺，使用藍(lán)圖編程的方式構(gòu)建人機(jī)交互界面和交互邏輯。采用云端存儲和部署的方式為多種類型終端用戶提供資源下載、在線渲染等服務(wù)。

3.2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 場景可視化

本系統(tǒng)采用UE4作為虛擬場景可視化引擎，UE4可以得到逼真、實(shí)時(shí)的渲染效果，該引擎支持不同的天氣環(huán)境、道路環(huán)境、自然光、環(huán)境光以及反光等效果的實(shí)時(shí)渲染。UE4兼顧系統(tǒng)運(yùn)行效率與渲染質(zhì)量的平衡，提供了強(qiáng)大的光源、材質(zhì)、陰影及反射等效果，高質(zhì)量、高速度地處理復(fù)雜場景的可視化，環(huán)境、光照、材質(zhì)可實(shí)時(shí)改變，具備對環(huán)境、光照、材質(zhì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)的真實(shí)渲染能力。UE4出色的實(shí)時(shí)渲染能力為紅色文化教育場景可視化提供了有力的保障。

在四川紅色文化教育云平臺實(shí)現(xiàn)過程中，最重要的是場景和人物設(shè)計(jì)。歷史事件的高度還原與場景設(shè)計(jì)密切相關(guān)，為了讓參觀者能夠沉浸其中，需要根據(jù)歷史影像高度還原歷史場景。利用軟件，合理開發(fā)貼圖材質(zhì)、燈光等場景要素，以保證場景更形象。除了逼真的場景，人物設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。為了讓歷史人物形象更加真實(shí)、生動(dòng)，需全面了解每個(gè)歷史人物的特征，包括容貌、姿態(tài)、服飾等。場景效果如圖6所示。擬場景事件、交互指令觸發(fā)相應(yīng)的聲音內(nèi)容，達(dá)到視聽一體化的展示效果。

圖6 飛奪瀘定橋場景還原

（3）3D菜單設(shè)計(jì)

在沉浸式體驗(yàn)環(huán)境中，為了快速便捷地進(jìn)行操作和功能選擇，平臺為參觀者提供了3D菜單，通過VR手柄預(yù)設(shè)的按鈕呼出菜單后進(jìn)行相應(yīng)的操作，具體設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 3D菜單設(shè)計(jì)

3.2.2 天氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了呈現(xiàn)多樣化、真實(shí)化的視覺效果，平臺提供了完善的氣候條件供參觀者自主選擇或隨機(jī)分配，如春夏秋冬四季場景的變化以及晴雨雪霧不同天氣場景的變化，效果如圖7所示。

圖7 季節(jié)和天氣模擬

3.2.3 聲音仿真設(shè)計(jì)

聽覺是人類在視覺之外獲得信息的主要途徑。在聽覺與視覺的關(guān)聯(lián)作用下可以提高大腦信息加工的精確性，而且可以避免單一信息通道的過載。虛擬現(xiàn)實(shí)不只是視覺上的模擬，對場景中各類聲音進(jìn)行立體化模擬也尤為重要。在該培訓(xùn)系統(tǒng)中主要聲音包括：

（1）背景音

通過場景環(huán)境進(jìn)行分析，整理出主要的背景音類型、位置和大致的音量。通過在虛擬環(huán)境中對應(yīng)的位置設(shè)置發(fā)音虛擬體并設(shè)置一定的隨機(jī)變化值進(jìn)行模擬，達(dá)到較為真實(shí)的效果。

（2）事件聲音

歷史事件虛擬化還原主要涉及槍炮、爆炸、沖鋒號、人物對話、旁白介紹等聲音。通過程序控制，根據(jù)虛

（4）虛擬漫游

參觀者可以在紅色文化教育線路中選定的紅色舊址虛擬場景中任意游走，瀏覽舊址中的畫面、文字和雕像等。

為了提高虛擬場景的漫游靈活性，平臺提供了多種漫游模式。參觀者可以在虛擬場景的三維菜單中進(jìn)行自由選擇。

a.飛行模式：用戶可以通過VR手柄按鍵、虛擬圖標(biāo)等方式控制方向，實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中沿任意方向進(jìn)行漫游。

b.行走模式：通過在虛擬場景中構(gòu)建碰撞物體對可移動(dòng)區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，用戶可以在實(shí)際空間站走動(dòng)、轉(zhuǎn)身或通過VR手柄搖桿控制方向，達(dá)到在虛擬場景中行走、奔跑的效果。

c.跳轉(zhuǎn)模式：針對區(qū)域范圍較大的紅色舊址，行走模式不能完全滿足游覽要求時(shí)，觀看者可通過虛擬指針指向目標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)通過坐標(biāo)擬合計(jì)算將虛擬人直接跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)的效果，提高整個(gè)虛擬場景游覽效率。

（5）交互設(shè)計(jì)

在軟件使用過程中的感覺就是一種交互體驗(yàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們也越來越重視對交互的體驗(yàn)。設(shè)計(jì)的主要目的是如何使用戶更好地與系統(tǒng)交互操作。人機(jī)交互設(shè)計(jì)應(yīng)注重的是系統(tǒng)易用性、流程簡便、盲點(diǎn)測試、出錯(cuò)及異常提示、用戶環(huán)境測試等[8]。紅色文化教育系統(tǒng)采用UE4特有的藍(lán)圖編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)計(jì)與開發(fā)?？梢暬_本類非常適合于制作交互式的資源，比如開關(guān)門、物體拾取、動(dòng)畫觸發(fā)、聲音觸發(fā)、材質(zhì)變換等?？筛鶕?jù)用戶的操作、位置、語音識別進(jìn)行響應(yīng)，達(dá)到自主化、自動(dòng)化、智能化的人機(jī)交互效果。

（6）劇情設(shè)計(jì)

在展示過程中，以空間為導(dǎo)向，采用講故事的方式，以開合、急緩、松緊等節(jié)奏的配置形成事件序列，可以讓參觀者更好地融入到空間環(huán)境中[9]。紅色文化教育系統(tǒng)以歷史事件為原型，采用藝術(shù)化的設(shè)計(jì)手段，以語音講解的方式介紹事件背景，以交互式三維動(dòng)畫呈現(xiàn)事件過程，以圖文素材展示事件結(jié)果，構(gòu)建完整的歷史事件演繹過程，形成符合史實(shí)的完整劇本。讓用戶以第一人稱視角參與到整個(gè)事件過程中，獲得更加真實(shí)、震撼、感同身受的體驗(yàn)效果，進(jìn)一步提升對紅色精神的學(xué)習(xí)深度。

（7）導(dǎo)航與講解

為了提高游覽效率，開發(fā)平臺提供了具備一定智能化的導(dǎo)航虛擬機(jī)器人，參觀人員通過語音指令即可調(diào)出。虛擬機(jī)器人根據(jù)用戶所處的游覽位置進(jìn)行語音播放或者圖文視頻的投射顯示，如圖9所示。這種導(dǎo)航方式采用了現(xiàn)代科技感和歷史事件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，使得整個(gè)系統(tǒng)更具交互性和趣味性。

圖9 導(dǎo)航提示

（8）交互式問答

為了對游覽效果進(jìn)行數(shù)據(jù)化地呈現(xiàn)，在游覽結(jié)束后平臺根據(jù)游覽內(nèi)容提供了相應(yīng)的問答作業(yè)，后臺程序?qū)τ脩舻拇痤}內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成成績單和圖形化統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為平臺的升級優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

（9）系統(tǒng)管理功能

a.用戶管理：實(shí)現(xiàn)用戶的注冊、登錄、權(quán)限配置等功能。

b.訪問管理：在移動(dòng)端使用模式下根據(jù)訪問人數(shù)與平臺支持的最大并發(fā)量，實(shí)現(xiàn)參觀預(yù)約、排隊(duì)的管理功能。

c.資源管理：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的下架、上傳、部署、權(quán)限設(shè)定等管理功能。

d.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：對紅色文化教育資源使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析和統(tǒng)計(jì)。

4 結(jié)束語

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展以及硬件成本的逐步下降，紅色虛擬文化教育將成為未來的發(fā)展趨勢。基于三維可視化的紅色文化教育云平臺具有仿真度高、交互良好、使用便捷、數(shù)字資源豐富和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，可打破時(shí)間和空間的限制，讓參觀者足不出戶即可在沉浸式的環(huán)境中感受到革命先烈浴血奮戰(zhàn)的場景。其可以為四川紅色文化教育的發(fā)展、紅色革命精神的普及和推廣發(fā)揮巨大作用。