基于Unity3D的冬奧會(huì)沉浸式交互體驗(yàn)系統(tǒng)

田曉璇 李宗澤 司芳慧 劉龍

摘 ?要 ?鑒于2022年冬奧會(huì)在北京和張家口舉行，為了給廣大民眾宣傳冬奧會(huì)競(jìng)技項(xiàng)目普及冬奧會(huì)知識(shí)，文章結(jié)合Unity3D引擎和SteamVR插件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了雪景漫游、冬奧會(huì)知識(shí)科普以及趣味滑雪的沉浸式交互體驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 ?虛擬現(xiàn)實(shí) ?Unity3D ?冬奧會(huì) ?滑雪

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指在立體空間構(gòu)建三維立體場(chǎng)景，讓體驗(yàn)者身處其中，獲得身臨其境的沉浸感[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)深入各行各業(yè)，尤其在體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)與訓(xùn)練、競(jìng)技體育戰(zhàn)術(shù)策略分析方面扮演著至關(guān)重要的角色。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中構(gòu)建運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和比賽場(chǎng)景，可以彌補(bǔ)因?yàn)樘鞖?、?chǎng)地、器材、經(jīng)費(fèi)等方面的原因或者運(yùn)動(dòng)員受傷等原因?qū)е聼o(wú)法參賽帶來(lái)的負(fù)面影響[2]。在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中分析如羽毛球、乒乓球等球類運(yùn)動(dòng)的軌跡信息能夠有效彌補(bǔ)二維平面分析過(guò)程中軌跡信息不完整的不足，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)員的戰(zhàn)術(shù)策略分析更加精準(zhǔn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在競(jìng)技體育中應(yīng)用的科學(xué)突破體育發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)成為體育強(qiáng)國(guó)[2]。

在國(guó)際奧林匹克運(yùn)動(dòng)改革趨勢(shì)與中國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)建設(shè)征程的雙重背景下，2022北京冬奧會(huì)的成功舉辦具有十分重要的時(shí)代意義與廣泛影響。習(xí)近平總書(shū)記的思想指引、社會(huì)主義制度的優(yōu)越性、北京“雙奧之城”的豐厚積淀、中國(guó)文化的獨(dú)特魅力等構(gòu)成北京冬奧會(huì)成功舉辦的重要基石[3]。本文將冬奧會(huì)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)沉浸式交互體驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面能夠科普歷屆冬奧會(huì)與冬奧會(huì)各種比賽項(xiàng)目知識(shí)，另一方面能夠讓人沉浸式體驗(yàn)冬奧會(huì)滑雪項(xiàng)目。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與冬奧會(huì)結(jié)合，可引導(dǎo)民眾關(guān)注并參與傳統(tǒng)冰雪運(yùn)動(dòng)，用科技助力北京冬奧會(huì)。

一、相關(guān)技術(shù)介紹

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)亦稱為“靈境技術(shù)”，其是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維的虛擬世界并讓用戶體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。這一虛擬的三維環(huán)境能夠?yàn)橛脩籼峁┮曈X(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性三大特征[4]，這就為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用中提供了極大幫助。

（二）HTC Vive 硬件設(shè)備

本文的沉浸式交互體驗(yàn)系統(tǒng)是利用HTC Vive進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。HTC Vive是一款沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)硬件可穿戴設(shè)備，是由HTC和Valve兩家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品[5]。HTC Vive包括一個(gè)頭戴式顯示器，兩個(gè)激光傳感定位器和兩個(gè)手柄控制器。人們能夠產(chǎn)生立體視覺(jué)是因?yàn)轭^戴式顯示器中有左右兩個(gè)顯示屏，分別將圖像傳入人眼，實(shí)現(xiàn)雙目立體視覺(jué)。兩個(gè)激光定位器通過(guò)發(fā)射的激光和光敏傳感器之間的交互確定頭戴式顯示器的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得到六自由度信息。兩個(gè)手柄有多個(gè)功能按鈕，通過(guò)判斷按下不同按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的交互功能。

（三）Unity 3D引擎

本文的沉浸式體驗(yàn)系統(tǒng)是基于Unity3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。Unity3D引擎能夠讓玩家輕松創(chuàng)建二維平面游戲、三維模型游戲、實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)、虛擬現(xiàn)實(shí)作品等交互內(nèi)容，是一個(gè)綜合型的開(kāi)發(fā)工具，Unity3D具有操作簡(jiǎn)單、跨平臺(tái)、所見(jiàn)即所得的特性[5]。和其他引擎類似，Unity3D也需要通過(guò)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)交互功能，腳本是Unity3D的邏輯功能實(shí)現(xiàn)的核心，本作品采用C#語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)各個(gè)腳本實(shí)現(xiàn)所需功能。

（四）Steam VR插件

Steam VR插件能夠?qū)TC Vive設(shè)備和Unity3D連結(jié)起來(lái)，讓用戶在Unity3D中直接通過(guò)HTC Vive的手柄實(shí)現(xiàn)一系列功能測(cè)試及交互制作[6]。本作品使用的是Steam VR Unity Plugin2.0（簡(jiǎn)稱SteamVR2.0）進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。該插件中提供了一系列封裝完好的功能如地面?zhèn)魉汀⑽矬w抓取、與UI界面的交互等。SteamVR2.0插件中將人物封裝為一個(gè)預(yù)制體“Player”，本作品利用該預(yù)制體以及手柄完成了一系列交互功能。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

本作品的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)分為三個(gè)模塊分別是場(chǎng)景漫游模塊、科普模塊以及游戲模塊。在場(chǎng)景漫游模塊用戶可以進(jìn)行沉浸式雪景漫游。漫游方式有兩種，一種是通過(guò)手柄上的圓盤(pán)進(jìn)行平移游覽，另一種是通過(guò)手柄選擇不同的位置點(diǎn)進(jìn)行傳送實(shí)現(xiàn)游覽效果。科普模塊包括三部分內(nèi)容分別是冬奧會(huì)科普、滑雪科普以及重大事件科普。冬奧會(huì)科普是通過(guò)選擇不同的旗幟模型了解歷屆冬奧會(huì)的舉辦時(shí)間舉辦國(guó)家等信息;滑雪科普中主要對(duì)高山滑雪和自由式滑雪進(jìn)行視頻解說(shuō);重大事件科普是對(duì)中國(guó)在歷屆冬奧會(huì)中表現(xiàn)突出的事件以文本的形式進(jìn)行科普。在游戲模塊中，用戶通過(guò)前后揮動(dòng)兩個(gè)手柄實(shí)現(xiàn)雙板滑雪滑行功能，揮動(dòng)速度越快，滑雪速度越快，滑雪過(guò)程中通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)頭戴式顯示器控制前行方向來(lái)躲避障礙物，當(dāng)滑行到終點(diǎn)時(shí)會(huì)顯示用戶所用時(shí)間，并進(jìn)行排名。

（二）場(chǎng)景設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共包括兩個(gè)場(chǎng)景分別是雪屋科普?qǐng)鼍昂突w驗(yàn)場(chǎng)景。雪屋科普?qǐng)鼍爸邪瑘?chǎng)景漫游模塊和科普模塊兩部分內(nèi)容;滑雪體驗(yàn)場(chǎng)景包含游戲模塊的內(nèi)容。下面將分別對(duì)這兩個(gè)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

1.雪屋科普?qǐng)鼍霸O(shè)計(jì)。雪屋科普?qǐng)鼍爸邪▋刹糠?，分別是雪屋外的雪景漫游內(nèi)容，以及雪屋內(nèi)的科普模塊內(nèi)容。在雪屋內(nèi)，墻上放置了高山滑雪和自由式滑雪項(xiàng)目的科普視頻，體驗(yàn)者可以與視頻交互并觀看學(xué)習(xí)。在雪屋內(nèi)的冬奧會(huì)科普沙盤(pán)中，本系統(tǒng)整理了歷屆冬奧會(huì)的舉辦時(shí)間和舉辦國(guó)家，將這些信息附到旗幟模型中，并組成一條滑雪賽道。點(diǎn)擊各個(gè)旗幟可以了解該屆冬奧會(huì)的詳細(xì)信息，點(diǎn)擊賽道起點(diǎn)處的按鈕可以跳轉(zhuǎn)場(chǎng)景到滑雪體驗(yàn)場(chǎng)景。

2.滑雪體驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)?；w驗(yàn)場(chǎng)景是以雪屋科普?qǐng)鼍爸卸瑠W會(huì)沙盤(pán)為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)的。體驗(yàn)者用手柄拾取雪杖，前后揮動(dòng)雪杖開(kāi)始滑雪體驗(yàn)，手柄揮動(dòng)速度越快滑雪速度越快，滑雪過(guò)程中撞擊到障礙物會(huì)減慢滑雪速度，體驗(yàn)者可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)頭戴式顯示器控制滑雪方向躲避障礙物?；┻^(guò)程中每經(jīng)過(guò)一個(gè)旗幟會(huì)這一屆冬奧會(huì)簡(jiǎn)略信息的UI界面，當(dāng)滑倒終點(diǎn)時(shí)會(huì)提示所用時(shí)間及排名信息。

三、沉浸式交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）場(chǎng)景搭建

本系統(tǒng)的場(chǎng)景風(fēng)格為低多邊形（Lowpoly）風(fēng)格。采用這種場(chǎng)景風(fēng)格的原因一方面是場(chǎng)景模型容易制作并且整體效果相比寫(xiě)實(shí)風(fēng)格更能增加趣味性，另一方面是由于其相比寫(xiě)實(shí)風(fēng)格的場(chǎng)景消耗更少的內(nèi)容，方便快速實(shí)現(xiàn)某些效果與功能調(diào)試。

搭建滑雪體驗(yàn)場(chǎng)景需要先在Unity3D中安裝三個(gè)場(chǎng)景制作的插件工具，分別是ProBuilder、PolyBrush、ProGRids。使用ProBuilder工具預(yù)先設(shè)置好場(chǎng)景中地形大小，接著利用PolyBrush中的筆刷對(duì)地形的突起和凹陷部分進(jìn)行繪制，同時(shí)導(dǎo)入一些樹(shù)木、草、石頭等預(yù)制體作為筆刷在地形上隨機(jī)的刷涂。地形刷涂完畢后可以使用ProGrids作為輔助工具，對(duì)地形中隨機(jī)刷涂的游戲物體進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。使用PolyBrush中的筆刷對(duì)陰影顏色和草地顏色進(jìn)行繪制，使整體場(chǎng)景看起來(lái)更加立體。最后在地形中添加并調(diào)整其他游戲物體如各國(guó)旗幟、障礙物、圍欄、雪天粒子特效等，用同樣的方法搭建雪屋科普?qǐng)鼍啊?/p>

（二）交互功能實(shí)現(xiàn)

1.雪景漫游功能。本系統(tǒng)中主要使用固定點(diǎn)傳送實(shí)現(xiàn)游覽雪景的效果。將SteamVR2.0插件中的封裝好的預(yù)制體“TeleportPoint”拖拽到雪景中的特定位置，在不同的位置分別放置該預(yù)置體，最后將名為“Teleporting”的預(yù)置體拖拽到場(chǎng)景中。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)不同位置點(diǎn)之間的漫游傳送功能。

2.與沙盤(pán)中旗幟的交互功能。在雪屋科普?qǐng)鼍爸?，點(diǎn)擊沙盤(pán)中的旗幟，該旗幟會(huì)在沙盤(pán)中放大，并且放大后的旗幟上繪制了舉辦該屆冬奧會(huì)的國(guó)旗圖案，并輔助文字提示起到對(duì)體驗(yàn)者的科普作用。實(shí)現(xiàn)該功能的腳本如圖2所示。

3.揮動(dòng)手柄滑雪功能。在滑雪體驗(yàn)場(chǎng)景中，用戶揮動(dòng)手柄即可實(shí)現(xiàn)向前滑行。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)該功能的方法是先獲取到手柄中雪杖的速度，將該速度賦值給“Player”即VR攝像機(jī)的速度，但VR攝像機(jī)的速度不能立刻增加，需要一定的緩沖時(shí)間慢慢增加到特定速度。

具體實(shí)現(xiàn)腳本如圖3所示。

四、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是使用Unity3D設(shè)計(jì)并完成的一款冬奧會(huì)知識(shí)科普與沉浸式滑雪體驗(yàn)的交互式作品。本系統(tǒng)共有三個(gè)模塊分別是場(chǎng)景漫游模塊、科普模塊、游戲模塊。其中場(chǎng)景漫游模塊和科普模塊在同一場(chǎng)景中，能夠讓體驗(yàn)者沉浸式漫游雪景并從中了解到冬奧會(huì)的相關(guān)知識(shí);游戲模塊將滑雪和冬奧會(huì)知識(shí)結(jié)合在一起，讓體驗(yàn)者既能學(xué)到知識(shí)也能感受沉浸式滑雪的樂(lè)趣。本系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與冬奧會(huì)結(jié)合，用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)弘揚(yáng)冬奧會(huì)文化，普及冬奧會(huì)的知識(shí)，目的是用科技的力量呼吁更多人關(guān)注冬奧會(huì)和競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)，弘揚(yáng)體育文化。

★通訊作者：劉龍（1988-），男，北京人，博士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳楓，王峰.VR/AR技術(shù)在虛擬博物館游覽系統(tǒng)中的應(yīng)用研究——以故宮博物院為例[J].大眾文藝，2020（04）：61-62.

[2]張魁.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（03）：275.

[3]王潤(rùn)斌，肖麗斌.2022北京冬奧會(huì)舉辦的歷史選擇、成功基石與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)[J].天津體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2022（01）：1-8.

[4]羅博峰，周清.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)訓(xùn)練應(yīng)用研究綜述[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（04）：1-4.

[5]宋世坤.基于HTC Vive的車(chē)間虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2019（03）：97-100.

[6]王佳祺，程明智，劉龍，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的秦淮燈會(huì)沉浸式交互體驗(yàn)[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，29（12）：157-160.