基于Unity3D的冬奥会沉浸式交互体验系统

田晓璇 李宗泽 司芳慧 刘龙

摘  要  鉴于2022年冬奥会在北京和张家口举行，为了给广大民众宣传冬奥会竞技项目普及冬奥会知识，文章结合Unity3D引擎和SteamVR插件进行虚拟现实应用的开发，实现了雪景漫游、冬奥会知识科普以及趣味滑雪的沉浸式交互体验系统。

关键词  虚拟现实  Unity3D  冬奥会  滑雪

虚拟现实技术是指在立体空间构建三维立体场景，让体验者身处其中，获得身临其境的沉浸感[1]。虚拟现实技术已经深入各行各业，尤其在体育运动教学与训练、竞技体育战术策略分析方面扮演着至关重要的角色。在虚拟现实环境中构建运动员的训练和比赛场景，可以弥补因为天气、场地、器材、经费等方面的原因或者运动员受伤等原因导致无法参赛带来的负面影响[2]。在虚拟现实环境中分析如羽毛球、乒乓球等球类运动的轨迹信息能够有效弥补二维平面分析过程中轨迹信息不完整的不足，从而对运动员的战术策略分析更加精准。虚拟现实技术在竞技体育中应用的科学突破体育发展，推动我国成为体育强国[2]。

在国际奥林匹克运动改革趋势与中国社会主义现代化强国建设征程的双重背景下，2022北京冬奧会的成功举办具有十分重要的时代意义与广泛影响。习近平总书记的思想指引、社会主义制度的优越性、北京“双奥之城”的丰厚积淀、中国文化的独特魅力等构成北京冬奥会成功举办的重要基石[3]。本文将冬奥会与虚拟现实技术结合设计并实现了冬奥会沉浸式交互体验系统。该系统一方面能够科普历届冬奥会与冬奥会各种比赛项目知识，另一方面能够让人沉浸式体验冬奥会滑雪项目。将虚拟现实技术与冬奥会结合，可引导民众关注并参与传统冰雪运动，用科技助力北京冬奥会。

一、相关技术介绍

（一）虚拟现实技术介绍

虚拟现实技术亦称为“灵境技术”，其是利用计算机模拟产生一个三维的虚拟世界并让用户体验的计算机仿真系统。这一虚拟的三维环境能够为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性三大特征[4]，这就为虚拟现实技术在各行各业的应用中提供了极大帮助。

（二）HTC Vive 硬件设备

本文的沉浸式交互体验系统是利用HTC Vive进行开发的。HTC Vive是一款沉浸式虚拟现实硬件可穿戴设备，是由HTC和Valve两家公司联合开发的虚拟现实产品[5]。HTC Vive包括一个头戴式显示器，两个激光传感定位器和两个手柄控制器。人们能够产生立体视觉是因为头戴式显示器中有左右两个显示屏，分别将图像传入人眼，实现双目立体视觉。两个激光定位器通过发射的激光和光敏传感器之间的交互确定头戴式显示器的位置和运动轨迹，从而得到六自由度信息。两个手柄有多个功能按钮，通过判断按下不同按键来实现丰富的交互功能。

（三）Unity 3D引擎

本文的沉浸式体验系统是基于Unity3D平台实现的。Unity3D引擎能够让玩家轻松创建二维平面游戏、三维模型游戏、实时动画、虚拟现实作品等交互内容，是一个综合型的开发工具，Unity3D具有操作简单、跨平台、所见即所得的特性[5]。和其他引擎类似，Unity3D也需要通过代码来实现交互功能，脚本是Unity3D的逻辑功能实现的核心，本作品采用C#语言来编写各个脚本实现所需功能。

（四）Steam VR插件

Steam VR插件能够将HTC Vive设备和Unity3D连结起来，让用户在Unity3D中直接通过HTC Vive的手柄实现一系列功能测试及交互制作[6]。本作品使用的是Steam VR Unity Plugin2.0（简称SteamVR2.0）进行开发的。该插件中提供了一系列封装完好的功能如地面传送、物体抓取、与UI界面的交互等。SteamVR2.0插件中将人物封装为一个预制体“Player”，本作品利用该预制体以及手柄完成了一系列交互功能。

（一）系统架构

本作品的系统架构如图1所示。本系统分为三个模块分别是场景漫游模块、科普模块以及游戏模块。在场景漫游模块用户可以进行沉浸式雪景漫游。漫游方式有两种，一种是通过手柄上的圆盘进行平移游览，另一种是通过手柄选择不同的位置点进行传送实现游览效果。科普模块包括三部分内容分别是冬奥会科普、滑雪科普以及重大事件科普。冬奥会科普是通过选择不同的旗帜模型了解历届冬奥会的举办时间举办国家等信息;滑雪科普中主要对高山滑雪和自由式滑雪进行视频解说;重大事件科普是对中国在历届冬奥会中表现突出的事件以文本的形式进行科普。在游戏模块中，用户通过前后挥动两个手柄实现双板滑雪滑行功能，挥动速度越快，滑雪速度越快，滑雪过程中通过转动头戴式显示器控制前行方向来躲避障碍物，当滑行到终点时会显示用户所用时间，并进行排名。

（二）场景设计

本系统共包括两个场景分别是雪屋科普场景和滑雪体验场景。雪屋科普场景中包含场景漫游模块和科普模块两部分内容;滑雪体验场景包含游戏模块的内容。下面将分别对这两个场景的结构设计进行说明。

1.雪屋科普场景设计。雪屋科普场景中包括两部分，分别是雪屋外的雪景漫游内容，以及雪屋内的科普模块内容。在雪屋内，墙上放置了高山滑雪和自由式滑雪项目的科普视频，体验者可以与视频交互并观看学习。在雪屋内的冬奥会科普沙盘中，本系统整理了历届冬奥会的举办时间和举办国家，将这些信息附到旗帜模型中，并组成一条滑雪赛道。点击各个旗帜可以了解该届冬奥会的详细信息，点击赛道起点处的按钮可以跳转场景到滑雪体验场景。

2.滑雪体验场景设计。滑雪体验场景是以雪屋科普场景中冬奥会沙盘为参考进行设计的。体验者用手柄拾取雪杖，前后挥动雪杖开始滑雪体验，手柄挥动速度越快滑雪速度越快，滑雪过程中撞击到障碍物会减慢滑雪速度，体验者可以通过转动头戴式显示器控制滑雪方向躲避障碍物。滑雪过程中每经过一个旗帜会这一届冬奥会简略信息的UI界面，当滑倒终点时会提示所用时间及排名信息。

三、沉浸式交互系统实现

（一）场景搭建

本系统的场景风格为低多边形（Lowpoly）风格。采用这种场景风格的原因一方面是场景模型容易制作并且整体效果相比写实风格更能增加趣味性，另一方面是由于其相比写实风格的场景消耗更少的内容，方便快速实现某些效果与功能调试。

搭建滑雪体验场景需要先在Unity3D中安装三个场景制作的插件工具，分别是ProBuilder、PolyBrush、ProGRids。使用ProBuilder工具预先设置好场景中地形大小，接着利用PolyBrush中的笔刷对地形的突起和凹陷部分进行绘制，同时导入一些树木、草、石头等预制体作为笔刷在地形上随机的刷涂。地形刷涂完毕后可以使用ProGrids作為辅助工具，对地形中随机刷涂的游戏物体进行细节调整。使用PolyBrush中的笔刷对阴影颜色和草地颜色进行绘制，使整体场景看起来更加立体。最后在地形中添加并调整其他游戏物体如各国旗帜、障碍物、围栏、雪天粒子特效等，用同样的方法搭建雪屋科普场景。

（二）交互功能实现

1.雪景漫游功能。本系统中主要使用固定点传送实现游览雪景的效果。将SteamVR2.0插件中的封装好的预制体“TeleportPoint”拖拽到雪景中的特定位置，在不同的位置分别放置该预置体，最后将名为“Teleporting”的预置体拖拽到场景中。通过这种方法实现不同位置点之间的漫游传送功能。

2.与沙盘中旗帜的交互功能。在雪屋科普场景中，点击沙盘中的旗帜，该旗帜会在沙盘中放大，并且放大后的旗帜上绘制了举办该届冬奥会的国旗图案，并辅助文字提示起到对体验者的科普作用。实现该功能的脚本如图2所示。

3.挥动手柄滑雪功能。在滑雪体验场景中，用户挥动手柄即可实现向前滑行。本系统的实现该功能的方法是先获取到手柄中雪杖的速度，将该速度赋值给“Player”即VR摄像机的速度，但VR摄像机的速度不能立刻增加，需要一定的缓冲时间慢慢增加到特定速度。

具体实现脚本如图3所示。

四、结语

本系统是使用Unity3D设计并完成的一款冬奥会知识科普与沉浸式滑雪体验的交互式作品。本系统共有三个模块分别是场景漫游模块、科普模块、游戏模块。其中场景漫游模块和科普模块在同一场景中，能够让体验者沉浸式漫游雪景并从中了解到冬奥会的相关知识;游戏模块将滑雪和冬奥会知识结合在一起，让体验者既能学到知识也能感受沉浸式滑雪的乐趣。本系统将虚拟现实技术与冬奥会结合，用计算机科学技术弘扬冬奥会文化，普及冬奥会的知识，目的是用科技的力量呼吁更多人关注冬奥会和竞技体育运动，弘扬体育文化。

★通讯作者：刘龙（1988-），男，北京人，博士，讲师，研究方向：虚拟现实技术。

参考文献：

[1]陈枫，王峰.VR/AR技术在虚拟博物馆游览系统中的应用研究——以故宫博物院为例[J].大众文艺，2020（04）：61-62.

[2]张魁.虚拟现实技术在体育运动中的应用研究[J].计算机产品与流通，2020（03）：275.

[3]王润斌，肖丽斌.2022北京冬奥会举办的历史选择、成功基石与风险应对[J].天津体育学院学报，2022（01）：1-8.

[4]罗博峰，周清.虚拟现实技术训练应用研究综述[J].计算机仿真，2020，37（04）：1-4.

[5]宋世坤.基于HTC Vive的车间虚拟漫游系统设计与研究[J].现代计算机（专业版），2019（03）：97-100.

[6]王佳祺，程明智，刘龙，等.基于虚拟现实的秦淮灯会沉浸式交互体验[J].北京印刷学院学报，2021，29（12）：157-160.