基于虛擬現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發展和計算機硬件的逐步改善，虛擬現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境，讓人們身臨其境的體驗虛擬世界，在虛擬環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，根據學校 1 比 1 還原校園環境，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， 網絡安全技術與應用 發表時間：2021-11-15

　　1 虛擬現實技術原理

　　1.1 虛擬現實技術的概念

　　虛擬現實技術是 21 世紀重點發展的三個技術之一，在教育中可以代替傳統授課方式，如多媒體教學等?？梢宰寣W生從間接獲取知識變為直接獲取知識，從旁觀到參與，也可以讓教師脫離傳統的授課方法，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，在一定基礎上，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 虛擬現實技術的特性

　　虛擬現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五感的連接。虛擬現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。虛擬現實技術構建虛擬世界分為兩種類型：(1)重現現實世界;(2)制作完全的虛擬世界。

　　虛擬現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建一個擬想的虛擬環境，讓體驗者有非常真實的體驗感，就像是身處在現實世界一樣。這樣能讓用戶感受到在虛擬環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境內的角色來實現人的體現作用，讓用戶如同在現實世界中一樣。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，有新穎的構想性，有些環境已經經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 還原的場景，讓學生有真實體驗感。并且可以通過教師自己的設想來創建一個新的內容，發布給學生，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，從而創造出新的構思想法。因此，虛擬現實技術應用在校園教學是非常有用的。

　　使用虛擬現實技術構建校園，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，可節省課堂資源。如：地理學科的教師無法將關于地理環境的材料實地展示給學生，如果創建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;物聯網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模集成電路組成的，超大規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 虛擬現實技術應用于智慧校園建設的可行性

　　2.1 深度優化智慧校園智能環境

　　虛擬現實技術的發展，使學校校園的環境建設可以實現現實世界和虛擬環境的有機融合;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化、呈現完整的校園環境。

　　2.2 抽象內容可視化、形象化，提升教學、科研質量

　　大量研究結果表明，若將教學、科研與虛擬現實技術深度整合，能夠有效提升教學質量和科研水平;基于虛擬現實技術的可視化的呈現，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實環境質量的好壞。

　　2.3 強化校園的智慧性體驗程度

　　智慧性體驗是在智能環境、智慧應用和服務基礎上，對環境和應用服務理念層面的升華，它展現的是用戶對信息素養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，給予相應的反饋。

　　3 課題研究的意義和創新點

　　虛擬現實技術是未來非常受歡迎的可視化手段之一，它具有多感知性、交互性、沉浸性、三維建模等特點，現如今無論校園是否為數字校園，融入虛擬現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、服務、教育的平臺，可以使得學生學習和生活娛樂的環境更加豐富，可以加強學生的思維創新和思維發散能力，為學生帶來更好的校園體驗。以本文建設校園為例，將基于虛擬現實技術構建與校園 1 比 1 模型的虛擬環境，用戶通過計算機操控與該環境進行交互，實現對智慧校園的控制。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，在此基礎上，制作一個立體校園模型，通過藍牙控制實現智慧校園。

　　創新點：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景，來模擬火災發生時有序離開教室情況，也可以通過創建地震場景模擬，讓學生對地震后反應做出及時應對，既節省成本，又能實現知識普及效果。

　　主要針對現今虛擬現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 等編程工具及系統開發軟件，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 進行交互系統建設(1)用戶與用戶交互系統(2)用戶與學校交互系統

　　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)實現藍牙控制校園，實現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：一是查找虛擬現實技術建設模型素材小組;二是利用 C 語言、JAVA 語言及系統工具軟件制作小組;三是測量校園模型制作小組;四是小型模型硬件制作小組;五是數據分析和 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、研究思路研究現狀 VR 技術和校園模型的理論基礎及實現研究內容 模型測量、創建模型、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、比較研究法

　　7 總結

　　本課題將虛擬現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、整合教學資源等優勢。通過計算機的操控與環境相交互，構建一個虛擬的交流、服務、教育平臺，加強學生的創新思維能力，使學生的學習環境更加的完善。使現如今的數字化校園得以升級。

　　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，并且也加入了相應的傳感器;利用 java、APP inventor 等編程工具及系統開發軟件，最終可以實現通過藍牙來控制程序，實現智慧校園的模型制作，讓我們的學習和實踐更加的完善。