VR虚拟实验室导航系统的设计与实现

2024-06-06 54 上传者：管理员

摘要：文章以鄂尔多斯应用技术学院信息工程系科技创新实验室实景为例，介绍信息工程系及科创中心的发展历程和各竞赛产品，探讨人机交互概念、特点、关键技术等。将本专业知识和实验室内竞赛作品相结合，最终得到合格的、精美的素材，利用Unity3D作为综合开发平台。基于实景的全景漫游，直观真实地展示场景信息，为用户提供位置信息服务、三维实景漫游系统，助力于学校教学、招生等各方面应用。

关键词：
Unity3D
VR虚拟现实技术
全景漫游
科技创新
虚拟实验室
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VR技术是近几年发展起来的一种新技术，依托计算机技术、多媒体技术以及数据库等所形成。主要利用相关VR设备将3D画面和真实效果反馈给用户[1,2,3]。

通过沉浸式的手段结合声音、图像以及触觉感知等传感系统使用户具有身临其境的感觉。虚拟实验室在传统的认知中，是操作者进行操作实验从而达到辅助教育的目的，但其他非操作人员进去之后并没有相关的操作，所以本设计的仿真实验室内部为用户打造一种跨时空、可交互的三维智慧虚拟空间。利用此平台可以有效地调动用户的感官，使其有身临其境的感觉。本文通过多方位的介绍，将实验室更好地呈现给用户[4,5,6]。

1、 VR虚拟实验室的特点与发展现状

虚拟实验室作为一种基于虚拟现实技术的实验室系统，主要包括如下几个特点：可视化、实时性、安全性、重复性和费用低廉。虚拟实验室的特点使其成为一种实验教学的新模式，它在实现实验教学的同时也降低了教育成本，还可以在虚拟环境中进行各种实验操作，极大地提高了学生的学习效率和实践操作技能。现阶段，虚拟实验室的应用领域越来越广泛，包括教育、医学、工业等方面[7,8]。特别是在教育领域，虚拟实验室已经成为一种强有力的教育手段，通过虚拟实验平台，学生可以通过仿真实验了解科学知识。在实验的开发和制作上，越来越多的实验模块被成功研发出来，如化学、物理、生物等方向的虚拟实验平台。这些模块可以实现对实验的模拟和仿真，操作的真实感和场景还原度越来越高[9,10]。此外，虚拟实验室还具有随时随地进行实验的优势，可以随时调整实验的状态和参数，使得实验数据的获取和分析比传统实验室更为高效。虚拟实验室已经成为科技创新的重要领域之一，在不远的将来，虚拟实验室将会在更广泛的教育和创新领域得到应用。本项目实验室大厅如图1所示。

图1 实验室大厅

2、 VR虚拟实验室需求分析

VR虚拟实验室应用VR技术，模拟真实实验环境，使用户能够进行虚拟化实验。首先，拥有逼真的模拟环境。用户在使用VR虚拟实验室进行实验时，需要感受到逼真的实验环境，包括实验器材、实验场景和实验过程。其次，可以进行多模态交互体验。VR虚拟实验室需要支持多种交互方式，如手柄、手势、语音等，让用户能够自由选择并与虚拟实验环境进行互动。再次，可以实现实验教学和指导。VR虚拟实验室需要提供实验教学和指导功能，让用户能够了解实验流程、操作技巧和注意事项，辅助用户完成实验任务。最后，VR技术还支持数据收集和分析。VR虚拟实验室需要支持实验数据的收集和分析，包括实验参数记录、数据可视化和分析报告生成等功能，帮助用户深入理解实验结果和知识。

根据创新实验室的日常生活、参观人员的流程、竞赛队伍参赛的要求和设计，本系统特别针对瞬间移动和物体抓拿功能进行开发。首先，系统对手柄和物体进行挂载脚本。其次，根据显示和系统需求，对物体进行渲染或添加动画，使其更加生动形象。这一设计的主要目的是为用户提供优质的操作和参观体验，确保用户在具备一定专业知识和操作规范的前提下，通过沉浸式交互设备更好地了解科技创新。最后，系统还能够有效地向用户进行讲解和介绍，使其更好地理解相关知识。目前，许多高校和教育机构已经开始使用VR虚拟实验室进行教学。由于VR虚拟实验室能够提供更加安全、高效和便捷的实验环境，可以随时随地进行虚拟化实验，在未来教育领域应用前景广阔。

3、 VR虚拟实验室开发过程

3.1 VR特色实验室模型制作

实验室布局是整个实验室设计的核心，它需要考虑实验室的实际需求和使用功能以及用户的人性化体验。在制作实验室模型时，除实验室布局外，材质、装饰灯具、桌椅、音影设备和竞赛产品等元素也是非常重要的组成部分。这些元素需要根据实验室的实际需要进行综合考虑，确保所有元素都能够协调配合，达到理想的效果。

在本项目中，以信息工程系科技创新中心实验室和其竞赛产品为原型进行模型制作。为实现适度简化和改进，系统采用独立式设计和Unity3D建立整体布局结构，结合3D Max搭建相应模型，将其导入场景中，并放置在适当的位置。使用Photoshop或Unity3D中的材质球进行渲染，以尽可能展示物体原貌，提高用户的体验感。如图2所示的物体模型是竞赛小车的机械臂部分，就是根据上述方法对其进行搭建和渲染，最后将模型导入Unity3D中以供用户学习和参观。此外，系统还采用一些其他的设计和技术手段，比如将整个墙体等比例放大，并保证单位设置正确，统一使用米作为单位。这样可以让用户更直观地感受到实验室的大小和空间布局，增加用户的体验感。同时，系统还注重实验室的实用性和实用价值，从而提高实验室的使用效率和使用价值。总之，制作实验室模型需要综合考虑实验室的使用需求、美观性和用户体验等多方面因素，采取科学、创新的设计和技术手段，才能够达到预期的效果。

图2 模型

3.2 系统应用流程

该系统的主要交互过程是实验室导航，使用者的行走路线由虚拟机器人和现场使用者共同完成。该系统提供参观和讲解功能，帮助使用者了解实验室的设施和资源。模拟参观实验室的交互过程包括以下步骤：

1）使用者在实验室中循环行走，如果发现某个产品或器材，可以进行触碰，系统将自动提供产品或器材的介绍及相关信息；

2）使用者可以定位到实验室内某个产品或器材的位置，对其进行位置摆放等工作；

3）使用者还可以在实验室内进行简单的实验操作，例如开合闸等，以体验相关实验过程。系统应用流程如图3所示。

图3 应用流程

4、主要技术

4.1 瞬间移动

VR(Virtual Reality）人机交互技术是指通过虚拟现实技术，在计算机和人之间进行交互的过程。例如，1）手势控制：使用者通过手势操作控制虚拟环境中的物体或者角色，使用者的手掌代表手势中的“投掷”动作，可以将物品扔到虚拟环境中。2）视线追踪：使用者利用头戴式显示器（HMD）来观察虚拟环境，当使用者的注意力集中到一个物体上时，系统会跟踪用户的视线进行互动或者响应。3）身体追踪：使用者的身体动作被识别，从而控制虚拟环境中的角色动作与交互操作，例如拳击游戏中通过使用者的拳击动作来控制角色攻击。4）身体感觉反馈：是指使用者在虚拟环境中操作得到的身体感受和反馈，使用者在VR环境中操作虚拟器具时会感受到物理的力度和压力，从而模拟真实的环境交互体验。

本系统主要运用VR手柄模拟人的手掌，通过手柄上的圆盘按钮实现位移控制。首先需要将VRTK包导入Unity3D中，将VRTK＿Controller Events、V R T K＿B e z i e r P o i n t e r和V R T K＿P o i n t e r挂在[CameraRig]下的左右手柄Controller中，VRTK＿ControllerEvents、VRTK＿HeightAdjustTeleport和VRTK＿BasicTeleport挂在[CameraRig]中即可实现瞬移功能。在VRTK＿ControllerEvents的Pointer Toggle Button和Pointer Set Button属性中可设置位移控制的触发按钮，两个属性值必须一致（默认为圆盘）。在VRTK＿BezierPointer的Point Hit Color和Pointer Miss Color属性中可设置射线碰撞时和未碰撞时的颜色。在脚本中可设置按钮状态，例如按钮全按下或半按下时的状态，并在按钮按下时使用TriggerPressed等语句发送事件。VRTK＿BezierPointer脚本必须与VRTK＿ControllerEvents同时存在，其通过控制器末端的贝塞尔曲线（由游戏对象组成）与地面上的点连接，从而实现传送到不同高度对象的功能。相较于简单的激光指针，贝塞尔指针更加实用，因为其终点可以弯曲至玩家无法看见的对象顶部，从而实现对各种高度的对象进行传送。

4.2 抓拿物体

在选中游戏对象（被拾取物品）的Inspector窗口点击“Add Component”添加组件，输入Parent Constraint，就可以添加该组件，系统要用脚本来激活Parent Constraint组件。脚本内容非常简单，需要注意的一点是，在脚本最前面要用到UnityEngine.Animations这个命名空间。以本项目的竞赛小车为例，面板如图4所示。

图4 模型属性面板

5、VR虚拟实验室应用

VR实验室导航系统主要应用于学校、科技馆等场所，以及那些存在危险、操作性不强或是大型项目的实验室中。一旦操作者进入操作场景，就可以对各个实验部分进行了解。当操作者想要了解某个实验时，可以使用手柄点击该部分，系统将对其进行详细讲解。此外，当操作者想要了解整个实验室时，他们可以按下按钮，系统将会逐一讲解实验室的历史、成果、人员等信息。当操作者进入实验室后，可以使用手柄进行移动，可以移动到操作者想要了解的平台或产品墙，并使系统对其进行讲解。这样的VR实验室导航系统可以提供互动、全方位的实验室体验，使用户能够更深入地了解实验室的各个方面。

6、结论

当前，实验室导航领域对于三维全景虚拟漫游技术和碰撞检测技术的运用还处于初步阶段。与传统的平面导航系统相比，这项技术存在着细节缺失、缺乏立体感和定位不准确等问题。然而，基于实景的全景漫游展示可以直观真实地展示场景信息，并为用户提供位置信息服务，具有巨大的发展潜力和研究价值。举例来说，可以利用这项技术对学校内的实验室或校区进行全景展示，并将其发布到校园官网、官方微博、微信公众号等平台上。浏览者可以通过网络实现便捷的校园漫游导航，直观地了解校区的分布、环境，并欣赏校园的美景。此外，三维全景虚拟漫游技术和碰撞检测技术在空间勘测、工程施工可视化展示以及旅游景点全景漫游等领域也具有重要的实用价值和商业价值。随着与现代化技术如无人机等的结合，未来的漫游技术将朝着更为广阔的方向迈进。

参考文献:

[1]王学慧,王冯依欣,宋瑾钰,等.西湖诗词旅游导航系统设计与实现[J].软件导刊,2021,20(6):142-148.

[2]姬磊,孙芝娆.基于虚拟现实技术(VR)的校园安全消防实训系统研究[J].电子测试,2022,36(17):91-93.

[3]吴涛,杨甲乐,陶欣.基于VR全景技术的扬州大学校园漫游导航系统的应用研究[J].华中建筑,2019,37(12):28-31.

[4]舒道伟.基于VR的虚拟实验室的基本交互式设计[D].昆明:云南大学,2017.

[5]吴忠,冯洋,陈敢,等.基于VR技术的变电设备多危险点可视化定位系统设计[J].电子设计工程,2023,31(5):120-124.

[6]董胜豪.基于VR的桥吊车间可视化系统研究[D].大连:大连理工大学,2021.

[7]焦雨蒙,高晓晓,魏本宏,等.基于VR的沉浸式虚拟实验室设计研究[J].数字教育,2020,6(4):38-42.

[8]周传婷.基于VR的计算机组装及维修网络虚拟实验室研究与设计[J].电子科学技术,2017,4(5):130-133.

[9]孟斌.基于VR的微格实训系统的设计与应用研究[D].金华:浙江师范大学,2022.

[10]全云海.虚拟现实在计算机实验中的研究与应用[J].内江科技,2020,41(6):43+120.

基金资助:2021年大学生创新创业训练项目“‘移动党校’—基于VR技术的沉浸式党史研学系统设计”(202114532008);