基于Unity的虚拟现实与增强现实学习环境的建立外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

原文标题Setting up virtual reality and augmented reality learning environment in Unity

译文标题 基于Unity的虚拟现实与增强现实学习环境的建立

基于Unity的虚拟现实与增强现实学习环境的建立

Vinh T. Nguyen^{1 ,} Tommy Dang²

1 德克萨斯理工大学，美国 拉伯克

2 德克萨斯理工大学，美国 拉伯克

图 1利用增强现实和虚拟现实技术构建分水岭游戏的框架

摘要：我们提出了一个用于演示虚拟现实和增强现实环境课程内容的复杂模型的框架和设置。在我们构造了一些例如树、石头、河、水坝等代表真实世界物体的三维模型后，我们的工作流程使用Unity引擎与虚拟现实耳机设备相结合，为虚拟现实和增强现实环境创建交互式应用程序，以帮助学生通过其周围了解课程内容。在创建三维课程内容时，有个典型的挑战是将这些模型集成到Unity中，并在可能的情况下提出解决方案。该项目的总体结构被描述为添加到Unity的一些用于可视化和与模型交互的功能。

关键词：混合现实，计算思维，课程内容，Unity引擎，分水岭

1 引言

人们已广泛地意识到了灌输和培养计算思维能力，例如问题定式，有效的数据表达，以及确定、分析和实施可能的解决方案对于学生在科学、技术、工程和数学（STEM）学科中的成功至关重要。人们越来越认识到技术、人类行为和环境影响是紧密相关的，利用计算思维来理解复杂的人类与环境的相互作用对于培养系统的、可持续的解决方案至关重要。

目前的科学标准提倡K-12教师使用特定学科的思想来探索科学现象和发展解决问题的技能。游戏的介入最近被称赞为一种可行的工具，这不仅可以让学生学习STEM内容，而且还能开发计算思维技能，以及传统的教学方法和学习方法。近年来，随着现代技术的进步，虚拟现实和增强现实技术已经成为帮助学生获得特定知识的工具。虚拟现实创造了一个模拟现实的编程环境，另一方面，增强现实将数字信息集成到人们所生活的真实环境中。许多基于虚拟现实学习的可应用程序都集中在诸如解剖学、生物学和天文学等硬科学领域，并有一组预先定义的对象和编程过程。虽然这种方法极大地吸引学生了解对象及其现象，但学生大多局限在模拟环境中而不是在现实世界中进行探索。此外，随着新技术为进入K-12教育领域的虚拟现实铺平道路，学生创造和设计自己的经验的想法变得更加可行。

因此，有必要需要利用虚拟现实和增强现实技术开发一个教育支持系统，来演示如何在高中学习计算思维和解决问题的能力，这可用于实际工程和环境管理应用，并帮助学生连接理论概念与现实世界的现象。

对此，本文以以下几点为学生构建计算思维游戏应用提供初步的参考：

bull; 我们提出一个实用的综合结构框架，用虚拟现实和增强现实技术构建应用程序；

bull; 我们演示了如何在Unity游戏引擎中集成框架的每个组件；

bull; 我们集成组件并在可能发生的情况下提供解决方案，同时解决了一些常见的技术挑战。

这个游戏的概念可以在同一个应用程序中分为不同的类别：在增强现实游戏中，学生在真实的环境中使用手机摄像机指向一个真实的物体（例如，树）。然后一棵树的3D模型就会弹出；学生点击这个模型来增加他们的库。被收集的3D模型之后会被应用到一个学生被随机分配土地的虚拟现实应用中。学生们将利用收集到的库中资源来建设城市。

本文的其余部分组织如下: 我们首先在第2部分中概述了虚拟现实技术和增强现实技术的应用。第3节概述了构建应用程序的全面结构框架。我们在第4节中评估了我们的应用程序的有效性。我们第5节中讨论一些技术挑战和可能的解决方案。最后，我们在第6节中总结我们的未来计划。

2 相关工作

Serafin从理论和商业的角度提供了将虚拟现实（VR）和增强现实（AR）集成到音乐教育中的一些方法。这个研究表明，学生的学习质量和学生的保留率有显著提高。我们考虑了几个潜在的应用建议，以帮助学生获得更好的表现，并在公共场合感到更自信。然而，本文仅指出了一些可行的方法和有希望的研究方向，而没有进一步指导如何构建一个真正的应用程序。

另一方面，Miyata为开发虚拟应用程序创建了一个教育学习环境。他通过创建不同的虚拟现实应用程序的竞争，强调团队工作和协作的重要性。类似这种方法，Dinis为学生在学习过程中提供一个更实际的方法。在6周的入门级的项目中，土木工程的硕士一年级学生将创建虚拟环境，在这个环境中，模型将在CAD中被创建，并导入Unity3D。输出结果将在Oculus Rift耳机设备查看。增强现实也实现了移动设备识别对象的图像。这是非常有趣的方法，因为它有助于学生参与的全过程，从创建一个模型，到将模型转化为Unity3D和输出结果的VR / AR耳机设备。然而，这个有用的报告没有概述如何从技术角度构建应用程序的总体框架。在同一领域，没有一个精通技术的读者很难重建学习过程。

Chen提供了一个基于AR的系统，来提高工程制图教育的空间意识和学习兴趣。三维虚拟物体被叠加在二维图形上，来帮助学生快速获取三维立体结构和空间细节信息。这个应用大大减少了教师和学生在课堂上所花费的时间。Messner提供一个昂贵的方法，即使用洞穴状投影系统为本科建筑工程专业的学生创建虚拟现实界面。应用程序对学生的表现有很大的影响，因为学生能够在很短的时间内（1小时）制定一个核电站的建设计划，即使学生对建筑和基础设施的经验非常少。

关于地学教育, Jiayan Zhao为学生们用Li- DAR技术（光探测和测距）和图像创建一个沉浸环境平台来重建冰岛的Thrihnukar火山。从开放地形导入数据，再从org入口转录到Unity3D。模拟结果呈现在HTC vive耳机设备。在Agisoft PhotoScan Pro中创建一个3D火山模型，该软件是一种快速的三维摄影软件，它可以直观地缝合照片，形成三维几何图形。这项研究描述了获取数据的非常详细的必要步骤，构建模型并将其应用到虚拟现实环境中。此外，这项工作利用现有的先进技术，加强了学生的学习过程却避免了让学生去危险的地方，比如活火山里面。Parmar计划进行的一个工作与我们的研究非常类似。基于与程序同步的相似点，Parmar创建了虚拟环境的相互作用（VEnvI）的应用，让学生学习编程如序列，循环，条件变量的复杂的概念，功能和并行化。研究结果表明，学生的动力是由学习活动激发的，并且记住他们在VR环境中看到的东西，而不是基于实验室的演示。

Voinea也研究了如何获取免费的3D模型，并在VR/AR中定制使用它们。这项研究的目的是激活肌肉骨骼系统的化身。在支持工具（Simpleware三维模型扫描IP）的帮助下从医学数据集获得了三维模型，然后在模型中添加骨架以模拟动画。

针对教育目的的文献中仍有更多的VR应用；然而，这些方法大多集中在编程脚本或一组静态数据上。从现实生活环境和内容中去理解物质内容是应该考虑的主要问题。此外，本文还提出了一个指导学习者和教育者建立相似环境的综合框架。

3 设计

在本节中，我们提出了一个实用的，建立一个应用程序使用虚拟现实与增强现实技术的综合结构框架，它描述了如何在框架中的每个组成部分纳入Unity3D。如图2所示，我们的框架包括五个主要组成部分，即：物质内容，用于Unity3D的vuforia，Google Cardboard套装，Unity3D游戏引擎和应用（VR / AR）。

图 2 一个全面的应用框架构建

3.1 物质内容

在我们的应用中，物质内容是学习过程中激发和激励学生的最重要因素。然而为教室创造这些是非常耗费时间的，所以我们想出了一个免费获取它们的想法，而不需要另外的发明创造。例如，河流、树木、动物就是我们从网上载入的那些模型。一般来说，我们的材料有两个主要来源：免费3D模型和手动创建的模型。有很多可用的免费3D模型网站例如free3D.com，tuborsquid.com，clario.io， cgtrader.com， archive3d.net或者是Unity的资产存储。我们选择了四个主要的来源，如图2所示，因为它们提供了与我们项目相关的大部分资源。图3演示了我们将集成到应用程序中的一些3D模型。（树木，房子，河流，水坝，奶牛）

图 3 一些应用到的免费3d模型

虚拟环境是需要考虑的另一个重要因素。我们不使用人工构建周围环境，而是利用高度图重建学生居住的地方的虚拟环境。高度图是一种用来存储值的光栅图像，如表面高程数据。黑色代表最低点，白色代表最高点。Smelik做的一项调查显示，高度图经常被用来作为一个地形模型的基础。自然的，像山一样的结构通过添加和调整几个层次的Perlin噪声在每点获得高度图。用于高度图的输入数据从terrain.party门户网站描述生成，如图4。我们发现这个网站很有用，因为它允许用户生成一个给定的区域，即在世界上任何地方的高度图。在屏幕顶部覆盖的方块可以让用户选择所需的区域；此框可以根据用户的喜好展开或收缩。但这个门户的主要缺点是选择框的大小，因为它仅限于60公里。在我们的应用中，教室里学生的平均人数大约是25名学生；每个学生随机分配一块500米的土地。所以60公里对于我们的案例研究是远远不够的，也是不合理的。注意，在每一个维度，它的尺寸应该是1像素大于地形纹理的分辨率，即二加一的力量。因为纹理中的每个像素必须被映射到一个多边形，它由两个三角形组成，而不是一个在地形网格中的像素。

图 4 来自terrain.party的高度图生成器

图4（b）显示图4（a）产生的实际地形高度图

如前所述，我们应用程序中的大部分资源都是从网上导入的。然而，一些资源需要更多的工作，如动画、索具、纹理或修改来满足我们的需要。此外，还需要创建应用程序的不可用模型，例如常见的树或鸟。在许多其他3D软件中，我们选择混合器是为了这个目的，因为它是免费的、强大的、它有丰富的社区参与和许多平台的兼容性。例如，奶牛是一个免费的静态3D模型。我们将这个模型导入混合器，并添加一些用于操纵和动画的骨架，允许它在某个区域移动。

图 5 从Unity中产生的地形高度图

3.2 用于Unity3D的Vuforia

为增强现实应用在移动设备上的创作，我们选择vuforia软件开发包来用于Unity3D。它是一个免费开发工具包，支持多个平台，如Android、iOS或Unity。为了使它工作，用户必须登记和下载vuforia网站许可密钥。

这个软件包最常用的功能是实时识别和跟踪平面图像。现实世界中的每一个物体都将被标记为一个图像，应用程序可以识别这个图像，然后对真实世界对象定位相应的3D模型。图6说明了使用增强现实来收集真实世界对象的情况。学生们会走出教室到达一个转折点，然后收集他们喜欢的东西（树木、水坝、河流hellip;hellip;）。在虚拟现实游戏中，收集到的物品将放在他们的库存中。

图 6 桦木三维模型

3.3 Google Cardboard套装

vuforia包有助于通过使用移动相机来创造增强现实应用程序，另一方面，Google Cardboard套装，提供了一些预编程的功能如用户头部跟踪，并排的立体渲染，检测用户互动的系统，我们将用它来建立我们的应用程序。并排立体渲染将手机屏幕分成两部分。用户将使用Google Cardboard查看这个虚拟环境。

为Unity下载和导入谷歌VR SDK是很简单的。用户进入谷歌开发者页面并下载适合他们环境的SDK工具包（Android或iOS）。下载之后，用户将导入资源文件夹中的Unity。我们的应用程序运行在iOS设备，所以在iphone的应用接口安装额外的软件包(XCode)。

图 7 在目录中使用树来种植和建造城市的例子

3.4 Unity3D

对于3D游戏开发的许多可用的软件，Unity3D是我们项目由于其发展自由定价的选择，它将游戏移植到多个平台，有丰富的社区，在资产存储模型和对象很多，且支持两种最流行的编程语言（JavaScript，C #）。Peters所做的一项研究也表明，Unity 3D是开发VR / AR应用最具成本效益、灵活和可持续的解决方案。如图2中的框架描述，Unity3D是连接所有其他组件和用户端应用的核心部件。

3.5 应用

不像

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