趙家興 卞璐

虛擬現(xiàn)實（ VR）技術(shù)在近幾年的信息技術(shù)發(fā)展發(fā)展中不斷完善，它是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸式感覺的技術(shù)。而UE4是一款游戲開發(fā)引擎，并且具有成熟的VR開發(fā)模塊。于是我們充分利用該軟件進行VR教學(xué)平臺的開發(fā)與研究，將枯燥難懂的平面教材轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芟冗M、沉浸交互的場景化教學(xué)。借助VR技術(shù)，可使知識點更加生動與直觀的展現(xiàn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情與主動性，有效記憶與理解重點難點，提高教學(xué)效率與質(zhì)量。

1基于UE4對VR教學(xué)內(nèi)容制作必須解決的問題

UE4實際上是一群優(yōu)秀程序工程師魔改C++編程并搭建后的產(chǎn)物，說UE4是由c++編寫的既可以說對也可以說不對。一方面來說，虛幻引擎的確用C++語言進行編寫，另一方面虛幻引擎在編寫的時候并沒有完全遵守c++相關(guān)的編寫規(guī)定，工程師他們另起爐灶，用復(fù)雜的宏定義和新穎的藍圖可視化編程對引擎進行創(chuàng)新，引進各種復(fù)雜的系統(tǒng)來不斷完善這個引擎，這也就是為什么UE4相對于U3D人手那么難的原因，虛幻引擎不像U3D，在編程時，它的類別會分到最細，這就導(dǎo)致了在模塊和模塊之間進行邏輯編輯時尤其復(fù)雜。

那為什么我們不選擇U3D呢？在邏輯層面來說，想要實現(xiàn)大規(guī)模邏輯判斷和計算，U3D在前期有很大優(yōu)勢，但是后期捉襟見肘，代碼往后寫時越寫越復(fù)雜，越寫邏輯越混亂。而實驗教學(xué)內(nèi)容的制作上邏輯判斷和計算是極其重要的，UE4的細分結(jié)構(gòu)會在開發(fā)后期發(fā)揮巨大作用，但是前期來說，這會導(dǎo)致前期效率低下，我們要在這上面花費巨大時間來搭建內(nèi)容基礎(chǔ)。

于此同時，我們選擇UE4還有一個巨大的原因，在虛擬現(xiàn)實中，想要達到和真實實驗相差無幾的畫面，這就必須在引擎設(shè)計上面對畫面渲染下巨大功夫。UE4采用延遲渲染，引用高光等重要參數(shù)，為搭建真實場景提供了巨大幫助。但是想要制作真實畫面，我們必須完全了解引擎。所以我們必須基于UE4在VR教學(xué)內(nèi)容制作上解決如下問題：將模型素材有效的設(shè)計并搭建成教學(xué)內(nèi)容所需要的場景；實現(xiàn)教學(xué)場景中物體的交互性；實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的引導(dǎo)和反饋。

2基于UE4對VR教學(xué)內(nèi)容制作的實現(xiàn)

首先我們對實驗內(nèi)容進行確定，根據(jù)相關(guān)的教材進行內(nèi)容設(shè)計，然后開始準備相關(guān)的模型素材實現(xiàn)場景搭建，在此基礎(chǔ)上我們得到了一個完全可視化的場景，但是只能看，不能用。接下來我們要全力轉(zhuǎn)向c++，用代碼配合藍圖的高效率開發(fā)方式來完成邏輯判斷與反饋。我們要不斷設(shè)計，不斷調(diào)試。比如VR電子實驗教學(xué)中從簡單電路開始，一步步的完善我們底層的代碼和各部件的結(jié)果顯示。在配合高效動畫設(shè)計和UI界面的設(shè)計，不斷完善整個項目，來達成對VR教學(xué)內(nèi)容制作的實現(xiàn)。

2.1生成教學(xué)內(nèi)容的場景

根據(jù)相關(guān)的教材內(nèi)容，我們設(shè)計并搭建實驗教學(xué)場景。在UE4的界面中，世界窗口上顯示實驗場景的具體內(nèi)容，我們從下方的內(nèi)容瀏覽器窗口將相關(guān)模型素材添加到實驗內(nèi)容中。然后將具體對象在右側(cè)

的世界大綱中打開編輯，改變物體在場景中的坐標參數(shù)、大小、顏色、材質(zhì)等自身屬性。通過命名分類，方便后期的添加，修改和刪除。從而生成和完善教學(xué)內(nèi)容的場景。

2.2教學(xué)內(nèi)容中物體的交互性。

我們的教學(xué)場景不僅僅是滿足看的功能還需要結(jié)合VR交互性強的特點，實現(xiàn)場景中物體的拾取及調(diào)整。于是我們對所有的元器件進行碰撞參數(shù)上面的設(shè)置，并且關(guān)聯(lián)手柄上面的按鍵（或手套）。這樣使用者完全可以用手柄（或手套）來操控虛擬實驗室里面的一切物體，同時我們利用UE4強大的物理引擎系統(tǒng)，模擬各物體之間的碰撞，形變，碎裂等情況。在配合粒子系統(tǒng)和渲染系統(tǒng)，給使用者以最佳的交互體驗。

2.3教學(xué)內(nèi)容的引導(dǎo)和反饋。

既然是教學(xué)，那么系統(tǒng)必須對使用者在實驗過程中的方式方法給出正確或者錯誤的判斷，我們的預(yù)期目標是讓一個完全沒有學(xué)過此實驗的人能夠通過我們的引導(dǎo)下明白基礎(chǔ)原理，并且根據(jù)引導(dǎo)獨立完成實驗。以電子實驗內(nèi)容為例，當體驗者拿起一個元器件的時候，面前的玻璃會投影關(guān)于這個元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，并且進行講解。并且你可以選擇完全引導(dǎo)模式，這樣當你拿起這個元器件的時候，電路板上面會顯示你應(yīng)該放在哪邊。體驗者也可以選擇半引導(dǎo)模式，在玻璃上面根據(jù)工作原理的電路圖，在電路板上面放置所有的元器件。而這樣的過程我們需要通過c++以及UE4獨有的藍圖來實現(xiàn)。

3.應(yīng)用實例

除上述提及的電子教學(xué)內(nèi)容制作，該軟件還可以充分發(fā)揮在建景，動畫方面的功能，以及可視化藍圖的便捷性實現(xiàn)教學(xué)過程中需要遇到的各類實驗，解決實驗設(shè)備購買和維護成本昂貴，一次性使用以及人身安全等問題。VR在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域上的使用已經(jīng)初有成效，消防安全模擬，飛行器模擬等相關(guān)應(yīng)用也被廣泛開發(fā)和應(yīng)用。這有利于體驗者快速準確的了解到體驗內(nèi)容的相關(guān)知識，并留下深刻印象。

基于UE4這樣優(yōu)秀成熟的軟件，使得VR教學(xué)內(nèi)容的開發(fā)難度大大降低，相信不久的將來VR教學(xué)將成為學(xué)生教育的一種新方法，一改當前單一的紙質(zhì)的、平面的教學(xué)模式。它所帶來的學(xué)習的高效性和趣味性也就不言而喻了。