摘" 要：为了实现海洋科普教育的创新发展，文章建立虚拟海洋展馆系统，可以使用户身临其境地探索海洋的奥秘，从而增强对海洋知识的理解和兴趣，更加全面地认识海洋生态和资源。针对目前海洋科普教育的需求，进行虚拟海洋展馆系统的设计开发，主要是以Maya三维建模软件和IdeaXR虚拟引擎为技术手段，围绕需求分析、框架设计、虚拟展馆制作、UI交互设计、功能实现以及发布等关键环节，阐述虚拟海洋展馆系统的设计与实现过程，旨在打造一个资源丰富、生动形象、沉浸感强的虚拟海洋展馆系统，为海洋科普教育提供全新的学习体验。
关键词：IdeaXR技术；虚拟海洋展馆系统；虚拟展示
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）22-0106-05
Design and Implementation of Virtual Ocean Exhibition Hall System Based on IdeaXR Technology
Abstract： In order to realize the innovative development of ocean popular science education， this paper establishes a virtual ocean exhibition hall system， which can enable users to explore the mysteries of the ocean in an immersive manner， so as to enhance their understanding and interest in ocean knowledge and make them have a more comprehensive understanding of ocean ecology and resources. In view of the current needs of ocean popular science education， this paper designs and develops a virtual ocean exhibition hall system， mainly based on the technical means of Maya 3D modeling software and IdeaXR virtual engine， and it focuses on the key links such as demand analysis， framework design， virtual exhibition hall production， UI interaction design， function realization and release， and so on. It expounds the design and implementation process of the virtual ocean exhibition hall system， aiming at creating a virtual ocean exhibition hall system with rich resources， vividness and strong immersion， and providing a new learning experience for ocean science education.
Keywords： IdeaXR technology; virtual ocean exhibition hall system; virtual display
0" 引" 言
随着信息技术的迅猛发展，VR/XR/MR等技术以其独特的沉浸式体验方式，在教育、文化、医疗、军事等领域展现出广阔的应用前景。特别是在科普教育领域，虚拟现实技术的沉浸感、互动性和逼真性，能够极大地提高学习者的学习兴趣和参与度，为知识的传递和理解提供全新的方式。海洋作为地球上最神秘、最广阔的领域之一，是科普教育的重要内容。然而，传统的海洋科普教育方式往往受限于时间和空间的限制，无法让学习者真正体验到海洋的奥秘和魅力[1]。因此，借助IdeaXR技术构建一个沉浸式的虚拟海洋环境，为用户提供一种身临其境的全新海洋科普教育体验，从而加深对海洋知识的理解和兴趣。基于此，本文基于IdeaXR技术设计和制作一款虚拟海洋展馆系统，以期为海洋科普教育提供新的思路和方法。
1" IdeaXR技术概述
IdeaXR技术，是一种集成了计算机图形学、人机交互、传感器技术等多学科知识的综合性技术。IdeaXR技术作为国产虚拟平台，不仅具有丰富的资源预设、照片级渲染效果、自然环境模拟能力，而且具有较强图形化交互编辑能力、跨平台性能以及无手柄交互支持能力，通过构建高度逼真的虚拟环境，IdeaXR技术能够使用户在虚拟空间中实现与真实世界相似的交互体验。基于IdeaXR技术优秀的性能，在虚拟海洋展馆系统设计和制作过程中，不仅可以构建出珊瑚礁、海底地形、海洋生物等逼真的海洋生态环境，还能够实现用户与虚拟环境的实时交互，让用户可以在虚拟海洋展馆中自由探索，与海洋生物互动交流，深入了解海洋知识，从而加深对海洋生态系统的认识和理解。
2" 虚拟海洋展馆系统的设计
2.1" 需求分析
虚拟海洋展馆系统是一个利用虚拟现实技术构建的海洋科普教育平台，旨在为公众提供一个身临其境的海洋世界体验，让公众能够了解海洋的奥秘，激发公众保护海洋的意识。在设计虚拟海洋展馆系统之前，通过调研和访谈等研究方法，对海洋科普教育的用户需求、功能需求和非功能需求进行深入分析为系统的设计和开发提供有力支撑。比如对于儿童、青少年、成人等普通公众，主要是通过海底世界、珊瑚礁、海洋生物等虚拟海洋场景展示，使其能够通过虚拟海洋展馆系统了解海洋的知识，体验海洋的乐趣；对各层次学生用户，主要是通过虚拟海洋展馆系统学习海洋地理、海洋生物、海洋环境等海洋知识，辅助课堂教学；对于科研人员等用户，主要为其提供虚拟潜水、海洋生物模拟、海洋环境保护游戏等丰富的互动体验，以便更深入地研究海洋生态系统，探索海洋科学的奥秘。另外，还需要对虚拟海洋系统的性能、安全、易用性、可扩展性、跨平台性等非功能需求进行充分考虑，以确保系统能够满足不同用户的需求，提供稳定、高效、便捷的海洋科普教育服务。
2.2" 系统架构设计
虚拟海洋展馆系统的架构设计是确保系统稳定、高效运行的关键。在虚拟海洋展馆系统架构设计过程中，采用了模块化、层次化的设计思想，将系统划分为多个功能模块，并明确了各模块之间的数据交互和通信方式。系统整体架构可以划分为展示层、应用层、业务层、服务层、数据层，如图1所示。比如展示层主要包括门户网站、UI界面以及海洋历史馆、海洋探索馆、科普教育馆和互动交流区；应用层主要负责交互体验、多维影像、人物讲解、模型体验、虚拟漫游等应用体验；业务层主要是对于内容、目录、数据、特效以及用户信息的管理；服务层主要包括用户认证、资源认证、数据管理、用户服务和交流等内容；数据层主要负责文本、图片、模型、音频、视频、动画等形式的用户信息、海洋知识库、场景数据等数据的存储和管理[2]。
另外，在架构设计中，还特别注重了系统的安全性和稳定性。通过采用数据加密、权限控制等安全措施，确保用户数据的安全和隐私；通过优化系统性能、减少资源消耗等方式，提高系统的稳定性和响应速度。同时，我们还充分考虑了系统的可扩展性和可维护性，以便在未来能够方便地添加新的功能模块或对现有模块进行升级和维护。
2.3" 系统功能设计
基于IdeaXR技术的虚拟海洋展馆系统设计和功能实现主要涉及内容制作、贴图渲染、交互设计和展示设计等多个方面，如图2所示。系统功能设计主要围绕用户的需求和体验展开，力求为用户提供一个真实、生动、有趣的海洋科普教育环境[3]。比如内容制作方面，收集和整理大量的海洋科普资料，制作包括海底地形、珊瑚礁、海洋生物等内容的海洋场景、生物模型和知识内容，并根据海洋生态系统的特点和规律，设计了海洋生物的行为模拟、海洋环境的动态变化等各种交互场景和事件，以增强用户的沉浸感和体验感。渲染功能方面，利用IdeaXR技术的高清渲染能力，对海洋场景和生物模型进行精细的贴图处理，以及光影效果的模拟，使得虚拟海洋世界看起来更加逼真、生动。交互功能设计方面，设计了手势识别、语音交互、VR设备交互等多种交互方式，让用户可以通过触摸屏幕或佩戴VR设备，使用户能够与虚拟海洋环境中自由探索、与海洋生物互动、参与知识问答[4]。展示功能设计方面，设计了全景展示、局部放大等多种展示方式，使用户可以从不同角度和层次了解海洋知识。同时，还注重展示内容的丰富性和趣味性，通过添加动画、音效等元素，使得展示内容更加生动、有趣。
2.4" 设计开发流程
针对虚拟海洋展馆系统的特点、功能、规模和客户需求，图3为其客户端系统的开发流程，具体内容：
1）海洋素材的收集，并借助三维扫描、三维建模等方式获取海洋素材。
2）基于IdeaXR引擎进行海底地形、珊瑚礁、海洋生物等元素的创建和布局，并利用IdeaXR技术平台强大的渲染和光影效果，对场景进行精细的贴图处理和光影模拟，以增强场景的逼真度和沉浸感，打造一个环境真实的虚拟海洋世界。
3）根据用户需求，设计并实现手势识别、语音交互、VR设备交互等交互方式，使用户能够与虚拟海洋环境进行自由互动。
4）进行系统的测试和优化，确保系统的稳定性和流畅性，同时根据用户反馈进行迭代和优化，不断提升用户体验[5]。
5）发布和部署系统，让用户可以在不同的平台上访问和使用虚拟海洋展馆系统，享受海洋科普教育的乐趣。
3" 虚拟海洋展馆系统的制作
3.1" 模型制作与虚拟场景搭建
模型制作与虚拟场景搭建是虚拟海洋展馆系统制作的核心环节，其中所涉及的模型和场景制作主要涉及海底地形、珊瑚礁、海洋生物、海洋展馆等多个方面。
首先，在收集海底地形数据、海洋生物图片和模型等大量海洋素材的基础上，通过3DMAX三维建模软件制作三维模型。同时，在模型制作过程中，采用ZBrush、Mudbox雕刻软件丰富的笔刷和工具，对于海洋生物化石以及企鹅、北极熊、巨齿鲨等海洋生物的细节进行雕刻，以实现模型的逼真度和精细度处理，并采用高清贴图、光影模拟等技术手段，让模型看起来更加生动、立体，进而为虚拟海洋场和交互体验奠定基础[6]。
其次，结合海洋生态系统的特点和规律，进行海洋场景的整体布局和细节调整，打造出一个既真实又富有艺术美感的虚拟海洋环境。比如在“海底探索”场景制作中，借助IdeaXR引擎的海洋材质以及海浪、水流等动态效果模拟，营造出海洋深处的神秘氛围和动态感，并采用自然环境模拟系统和光照系统营造逼真的海底“丁达尔效应”效应，再通过声音、光影、交互等多种手段，将观众带入一个充满奇幻色彩的海洋世界。
3.2" UI交互设计与技术实现
交互功能是虚拟海洋展馆系统的核心特色之一，其UI界面设计和交互功能实现也是虚拟海洋展馆系统设计制作的难点之一。借助IdeaXR引擎，虚拟海洋展馆系统实现了手势识别、语音交互、VR设备交互等多种交互方式，让用户能够与虚拟海洋生物、场景进行互动，增强用户的沉浸感和体验感。比如手势识别功能允许用户通过手势操作来浏览虚拟海洋展馆、选择展示内容等，提高了系统的易用性和趣味性；语音交互功能则使得用户可以通过语音指令来控制系统，进行信息查询、导航等操作，进一步提升了用户体验；VR设备交互功能，让用户通过佩戴VR设备，进入虚拟海洋世界，与海洋生物近距离接触、探索海底地形等，获得身临其境的感受[7]。
以手势识别交互功能的实现为例，系统采用了先进的计算机视觉技术和机器学习算法，以捕捉用户的手势动作并转化为相应的系统指令。具体来说，系统首先通过摄像头捕捉用户的手势，然后利用图像处理技术精准识别滑动、点击、缩放等多种常见的手势动作，并将其转化为相应的操作指令，从而实现对虚拟海洋展馆的交互控制[8]。此外，我们还注重交互反馈的设计，通过声音、动画等方式，及时向用户反馈操作结果和状态变化，增强用户的交互体验。手势识别交互功能实现的C#脚本程序如下：
void Start（） {
hand = GetComponentlt;OVRHandgt;（）; // 获取当前游戏对象的OVRHand组件 }
void Update（） {
if （hand.IsGrabPose（）） // 检查手是否处于抓取姿势
{ if （！isGrabbed） // 如果对象还没有被抓取
{ RaycastHit hit; // 创建一个RaycastHit对象来存储碰撞信息
If （Physics.Raycast（transform.position， transform.forward， out hit， 1.0f）） // 执行射线投射以检测手前面的物体
{ if （hit.collider.gameObject.tag == \"Grabbable\"） // 检查命中对象是否标记为“可抓取”
{objectToGrab=hit.collider.gameObject.GetComponentlt;Rigidbodygt;（）; //获取碰撞对象的刚体组件
isGrabbed = true; //将获取的标志设置为true
}
}
}
}
else if （isGrabbed） //如果对象被抓取{ objectToGrab.MovePosition（transform.position）; // 将物体移动到手的位置
objectToGrab.MoveRotation（transform.rotation）// 将物体旋转到手的旋转方向
if （！hand.IsGrabPose（）） // 如果手不处于抓握的姿势
{ isGrabbed = 1; // 将获取的标志设为1
}
}
}
3.3" 知识内容展示与科普教育
虚拟海洋展馆系统的最终目的是为用户提供海洋科普教育。因此，在知识内容展示和科普教育方面也进行了精心的设计和实现具体内容：
1）收集和整理了海洋地理、海洋生物、海洋环境等丰富的海洋科普资料，包括，并通过文字、图片、音频、视频、动画等多种形式进行展示，使得用户能够更加直观地了解海洋知识[9]。以“海洋生物”的内容展示为例，通过IdeaXR引擎中的碰撞检测机制、UI系统的弹窗组件以及蓝图编辑器，成功实现了角色靠近特定展示点时自动触发视频播放、用户拍照的交互功能，不仅让鲨鱼等海洋生物的知识内容以图文、视频或动画的形式进行展示而且，增强了海洋科普教育的趣味性和互动性，如图4所示。
2）是设计了海洋知识问答、海洋环保宣传等丰富的互动环节和科普游戏，以增强用户的参与感和体验感。互动环节和科普游戏的设计，不仅可以让用户在轻松愉快的氛围中学习海洋知识，还可以提高用户对于海洋环保的认识和意识。
4" 测试与发布
在“虚拟海洋展馆系统”设计和制作完成之后，选择“文件”中“导出”，在导出的窗口中选择所需要的“Windows”“HTMLS”“Android”“IOS”“Linux/X11”等所有支持的系统平台，并设置导出路径和文件名称进行项目的导出和发布。
“虚拟海洋展馆系统”发布之后，选取通过模拟真实用户的使用场景和操作习惯，使用电脑、手机、VR设备等对系统的稳定性、流畅性以及系统的内容展示、交互功能、用户信息管理等进行了全面的测试。另外，将“虚拟海洋展馆系统”应用于海洋科普教育、学校教育活动中，邀请学生和公众进行实际体验，并根据用户反馈和测试结果，对系统进行了针对性的优化和改进，提升了用户体验和系统性能[10]。图5为虚拟海洋展馆系统测试图。
5" 结" 论
总之，运用IdeaXR引擎构建的虚拟海洋展馆系统，在交互手段、知识内容展示以及科普教育等方面取得了显著成效。通过手势识别、语音互动、VR设备操作等多种交互途径，系统为用户营造出沉浸式的海洋体验，使用户能够更为直观地掌握海洋知识，加深对海洋的理解和认知。同时，多样化的互动环节与科普游戏设计，使得海洋科普教育更具生动性和趣味性，激发用户的参与热情与学习兴趣。未来，仍需继续挖掘先进的交互技术与展示手段，持续完善和优化虚拟海洋展馆系统，为用户带来更为丰富、更为真实的海洋体验。
参考文献：
[1] 杨虎良，甄志龙.基于VR技术的满族展馆虚拟系统设计与开发 [J].工业控制计算机，2023，36（1）：109-111.
[2] 惠阳.网络虚拟展馆的设计实现与发展趋势 [J].艺术科技，2020，33（16）：55-58.
[3] 杨芳圆，蔡青青.基于Unity3D平台的VR黄酒博物馆漫游交互系统开发 [J].电视技术，2022，46（8）：26-28+33.
[4] 余冰清.基于可视化交互技术的数字化博物馆动态全景虚拟展示系统设计 [J].现代电子技术，2019，42（12）：140-143.
[5] 管志翰，温爱华，杨海澎.虚拟仿真红色文化展馆育人资源的设计实现与推广应用[J].软件，2022，43（12）：43-45.
[6] 曾健友，张昂霄，许露，等.虚拟现实展馆中基于手柄交互的引导设计研究 [J].包装工程，2023，44（18）：120-127.
[7] 曹俊江，昔克，李剑.基于Krpano的VR场景展示系统设计与实现 [J].电子设计工程，2021，29（1）：83-86+91.
[8] 何琳.基于VR的生态博物馆虚拟展示平台设计初探 [J].测绘与空间地理信息，2021，35（6）：80-81+84.
[9] 孙杨，张贺.基于VR技术的景观建筑复杂场景虚拟生成算法 [J].计算机仿真，2023，40（8）：458-461+504.
[10] 曹林森，徐欢.VR全景图与传统媒介在景观视觉评估中的差异研究 [J].西北林学院学报，2021，36（2）：275-281.
