鄧敏杰　馬源穎

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、娛樂、教育等領(lǐng)域。三維學(xué)習(xí)課件作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用典范，以其數(shù)字化、可視化等特征得到人們的持續(xù)關(guān)注。使用VRP和3Ds Max等工具，設(shè)計和開發(fā)三維學(xué)習(xí)型課件，具體介紹了其詳細(xì)過程及相關(guān)技術(shù)問題，并以《文字的起源與發(fā)展》歷史課件開發(fā)為例，展示了三維學(xué)習(xí)課件在自主學(xué)習(xí)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；三維課件；VRP；3Ds Max

DOIDOI：10.11907/rjdk.151445

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008016004

作者簡介作者簡介：鄧敏杰（1985-），女，河南項城人，碩士，河南師范大學(xué)教育技術(shù)系助教，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)理論與應(yīng)用；馬源穎（1993-），女，河南安陽人，河南師范大學(xué)教育技術(shù)系學(xué)生，研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)。

0 引言

目前，我國傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足主要體現(xiàn)在：課堂教學(xué)環(huán)節(jié)老套，課程講解枯燥與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)，造成學(xué)生知識掌握較少；學(xué)生參與度低，整個課堂通常完全由教師控制調(diào)配時間，學(xué)生無法很好地參與到教師設(shè)定的教學(xué)環(huán)節(jié)中，難以實(shí)現(xiàn)師生、生生間的充分交互與反饋；擴(kuò)展補(bǔ)充較少，學(xué)生的知識層面還大多局限于課本，課外拓展知識少，只能應(yīng)付日?？荚?，這使得學(xué)生的發(fā)展受到較大限制。三維學(xué)習(xí)課件以其交互性和沉浸性縮短了學(xué)生與所學(xué)內(nèi)容的距離，讓學(xué)生更好地與學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行交互，為學(xué)生學(xué)習(xí)知識提供了良好幫助。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維學(xué)習(xí)課件

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是由計算機(jī)和多媒體技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一種具有交互性、沉浸性、想象性的技術(shù)，能夠逼真地模擬人在某種環(huán)境中的視、聽、動等人機(jī)交互方式，使用者能夠及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物[12]。虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，營造了“自主學(xué)習(xí)”氛圍，使學(xué)習(xí)者可以通過與信息環(huán)境的交互作用學(xué)習(xí)到知識與技能，同時也

促進(jìn)了教育技術(shù)的發(fā)展。

1.2 三維學(xué)習(xí)課件

三維學(xué)習(xí)型課件是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種三維學(xué)習(xí)空間，它拓展了二維課件的交互性，使學(xué)習(xí)者能夠身臨其境地感受學(xué)習(xí)氛圍，自主掌握學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)習(xí)效率。同時，三維學(xué)習(xí)課件以節(jié)省成本、規(guī)避風(fēng)險、打破時空限制等特性而得到迅速發(fā)展，并應(yīng)用于教學(xué)中。

2 三維課件總體設(shè)計

2.1 場景構(gòu)建

根據(jù)課程需要，選取合適內(nèi)容并構(gòu)建場景。在三維學(xué)習(xí)課件場景構(gòu)建中，應(yīng)用3Ds Max的操作步驟一般包括模型制作、UV處理、貼圖材質(zhì)處理等環(huán)節(jié)[3]，最終生成虛擬場景，如圖1所示。

圖1 三維場景制作步驟

2.2 交互功能設(shè)計

在三維學(xué)習(xí)課件構(gòu)建的場景中，因?yàn)楦鞑糠值闹黝}和學(xué)習(xí)內(nèi)容不同，學(xué)習(xí)者需要知道自己現(xiàn)在處于什么位置，學(xué)習(xí)到哪個階段，有時還需要進(jìn)行展廳和學(xué)習(xí)內(nèi)容的切換，因而要設(shè)置一個實(shí)時導(dǎo)航來幫助學(xué)習(xí)者找到自己的位置和明確學(xué)習(xí)主題[4]。在三維學(xué)習(xí)課件中，插入了許多關(guān)于學(xué)習(xí)內(nèi)容的音頻文件，包括內(nèi)容講解和背景音樂兩部分。對于學(xué)習(xí)內(nèi)容的講解匯總，采用距離式觸發(fā)的交互方式，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)需求控制學(xué)習(xí)過程和多媒體的使用。

3 課件開發(fā)流程和具體實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)工具選取

（1）3Ds Max。3Ds Max（3D Studio Max ）是由Autodesk公司出品的一款基于PC系統(tǒng)的三維動畫制作和渲染軟件，現(xiàn)階段主要應(yīng)用于游戲、廣告、影視、三維動畫、多媒體制作、工業(yè)建筑設(shè)計等領(lǐng)域。Max具有基于PC系統(tǒng)的低配置要求、可供插件的安裝、強(qiáng)大的動畫角色制作能力、可堆疊的建模步驟等顯著特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景，并將朝智能化、多元化方向發(fā)展。

（2）VRP。VRP（Virtual Reality Platform）是由中視典數(shù)字科技有限公司設(shè)計開發(fā)的一款面向三維美工的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，在我國虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中應(yīng)用較廣。VRP具有適用性強(qiáng)、操作簡單、功能強(qiáng)大、高度可視化等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計、旅游教學(xué)、工業(yè)仿真、地質(zhì)災(zāi)害、道路橋梁設(shè)計等領(lǐng)域。

（3）Photoshop。Photoshop（Adobe Photoshop）是由Adobe公司出品的用于處理位圖圖像及圖形的軟件，被廣泛用于界面設(shè)計、后期修飾、影像創(chuàng)意、平面設(shè)計、廣告攝影等領(lǐng)域，支持圖層技術(shù)，為處理貼圖等圖像效果提供了一個便捷途徑。

（4）CrazyBump。CrazyBump主要用于調(diào)整貼圖和導(dǎo)出貼圖，CrazyBump可導(dǎo)出法線、置換、高光、OA貼圖，在軟件中也可對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使導(dǎo)出的貼圖更符合需求，從而達(dá)到簡化和美化模型的效果。

（5）AutoCAD。AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是由Autodesk公司開發(fā)的自動計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，操作較為簡單，具有良好的適用性。AutoCAD具有完善的圖形繪制功能、強(qiáng)大的圖形編輯能力、可供二次開發(fā)、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力、多硬件設(shè)備支持、多操作平臺等顯著優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于土木建筑、裝飾裝潢、城市規(guī)劃、園林設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、服裝鞋帽、航天航空等領(lǐng)域。所用工具及功能如表1所示。

3.2 場景構(gòu)建

（1）建模。在模型構(gòu)建過程中，主要用到的三維建模方法有：①多邊形建模；②樣條線建模；③基礎(chǔ)幾何體建模。在模型構(gòu)建中，模型的制作方法不是唯一的，也不是一成不變的，需要根據(jù)具體情況使用相應(yīng)的建模方法，以達(dá)到高效快速構(gòu)建模型的目的。在構(gòu)建主體建筑時，對于一些對稱性模型，可先以1/4或1/2等建筑建模后再對稱，進(jìn)而完成整體模型的構(gòu)建。前期模型整體構(gòu)建完成后需要精簡模型，刪去重復(fù)面和閃爍面，同時刪除冗余的點(diǎn)或線，以減輕后期交互引擎的負(fù)擔(dān)，使其順暢運(yùn)行。

（2）UV處理。對于模型的UV處理主要用到兩個修改器：UVW貼圖和UVW展開。為提高貼圖的利用效率，在UVW展開修改器中，相同貼圖通道的UV要求紋理相同的模型面UV最大限度的重疊。同時要使展開的UV具有調(diào)理性，相同大小、紋理的面可進(jìn)行重合對齊，紋理復(fù)雜的面可以適當(dāng)增大其在整張UVW貼圖中所占面積，相反，紋理簡單、單一的面可以縮小其在UVW貼圖中所占面積，然后使展開的面緊湊排列在UV框中，從而使繪制的貼圖能夠充分表現(xiàn)模型的紋理。將展好的UVW貼圖以圖片的形式導(dǎo)出，導(dǎo)出格式為PNG。UVW貼圖指利用UVW坐標(biāo)定位貼圖的位置和平鋪數(shù)量，用長、寬、高調(diào)整貼圖大小，從而達(dá)到使用一張貼圖即可貼大塊面積的紋理，如地板、天花板、草地等都可以使用UVW貼圖修改器。以《文字的起源與發(fā)展》歷史課件為例，其主建筑的UVW展開貼圖如圖2所示。

圖2 主體建筑UVW展開貼圖

（3）貼圖。貼圖是物體表面的紋理，利用貼圖可以在不增加模型面數(shù)的情況下，表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，以增加模型質(zhì)感，完善模型造型，使創(chuàng)建的三維場景更接近現(xiàn)實(shí)。貼圖的處理主要包括兩部分：繪制貼圖和烘焙貼圖。繪制貼圖在Photoshop中進(jìn)行，將UVW展開貼圖導(dǎo)出后，在Photoshop中打開，以其邊框線為基準(zhǔn)繪制相應(yīng)的紋理，將繪制好的漫反射貼圖保存成PSD格式文件后，在UVW展開面板中拾取紋理，根據(jù)實(shí)際情況對UV進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。烘焙貼圖在CrazyBump中完成，根據(jù)在Photoshop中處理好的漫反射貼圖，在CrazyBump中調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，生成法線貼圖、高光貼圖等。該課件的漫反射貼圖如圖3所示。

圖3 使用Photoshop處理的漫反射貼圖

（4）材質(zhì)。場景模型構(gòu)建所用材質(zhì)主要為標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，此外也用到玻璃材質(zhì)等具有反射效果的材質(zhì)。將貼圖繪制好后，在3Ds Max材質(zhì)編輯器中選擇一個空白材質(zhì)球，材質(zhì)將用CrazyBump導(dǎo)出的高光、置換等貼圖賦給對應(yīng)部分的材質(zhì)貼圖。需要注意的是，導(dǎo)出的法線貼圖需要賦給材質(zhì)編輯器的凹凸貼圖，以模擬真實(shí)場景材質(zhì)的凹凸效果。玻璃類的材質(zhì)需要調(diào)節(jié)反射值或直接使用Architectural（建筑）材質(zhì)中的“玻璃—半透明”模板，調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)。

3.3 交互功能實(shí)現(xiàn)

將在3Ds Max中制作的模型導(dǎo)入到VRP中需要注意的是，在導(dǎo)出模型前要對其進(jìn)行分組和組合以避免在VRP中出現(xiàn)場景模型分布散亂而且部分分離的現(xiàn)象。同時，在導(dǎo)入過程中需要對貼圖進(jìn)行控制和調(diào)整，否則會出現(xiàn)貼圖無法顯示的情況，對于此問題的解決辦法為：①在烘焙貼圖時檢查是否有重名的模型；②檢查模型是否存在破面、重面現(xiàn)象；③烘焙前用層來管理物體，將需要烘焙和不需要烘焙的物體放置到不同的層中；④將多維材質(zhì)一次性打散成標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)；⑤在VRP中重新加載、替換貼圖；⑥烘焙好貼圖后在Photoshop中改變色相、飽和度等以匹配顏色，調(diào)整銳化、曲線等命令增強(qiáng)貼圖色調(diào)的明暗對比，或在VRP中對貼圖進(jìn)行色彩調(diào)整。將該課件的Max主建筑場景導(dǎo)入VRP，效果如圖4所示。

圖4 將主建筑場景導(dǎo)入到VRP中的效果

將在Max制作的場景導(dǎo)入到VRP中時可以使用Max中的VRP插件，此插件可以將場景中的模型及貼圖保存成VRP場景文件或者直接導(dǎo)入到VRP中，但此插件只支持Max 2011及其以下版本，若使用高版本3Ds Max則需將其另存為合適版本，再使用插件導(dǎo)出模型即可。

在制作交互功能時首先要對課件包含內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，需要明確課程內(nèi)容和把握整體課程進(jìn)度，也要了解三維學(xué)習(xí)課件中不同模塊對應(yīng)的相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，然后才能進(jìn)行交互設(shè)計步驟[5]。將賦過材質(zhì)的場景整合后導(dǎo)入VRP，進(jìn)行交互功能設(shè)計，主要包括導(dǎo)航圖設(shè)計、多媒體嵌入和視音頻交互設(shè)計。

（1）導(dǎo)航圖設(shè)計。導(dǎo)航圖是對整個學(xué)習(xí)課件進(jìn)行反饋與控制，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)起著導(dǎo)向作用，能使初學(xué)者更快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)課件內(nèi)容。

在控制導(dǎo)航的過程中，學(xué)習(xí)者可以很清楚地知道自己當(dāng)前正處于什么位置，并控制行走或?qū)⒁凶叩姆较?。?dǎo)航圖上有背景音樂、解說音量等控制按鈕供學(xué)習(xí)者使用，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)導(dǎo)航圖對自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度有一個整體把握。使用VRP中自帶的抓圖功能，抓圖整個場景，并導(dǎo)入Photoshop，設(shè)置Alpha透明通道，同時要將其添加到新建的導(dǎo)航空間中。將在Max中獲得的世界坐標(biāo)X、Y的最值分別對應(yīng)于VRP中導(dǎo)航圖貼圖左邊的上下左右值，即可將導(dǎo)航圖貼到VRP中加以使用。

（2）多媒體嵌入。在VRP中，多媒體的嵌入主要有兩種方式：內(nèi)部嵌入和外部鏈接。內(nèi)部嵌入方式主要通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖3種方式，將視頻媒體嵌入到VRP中，可以加載到三維模型上也可以加載到界面元素上。外部鏈接則需要使用腳本控制，在“視頻”按鈕上添加“腳本文件”中的“打開任意文件”腳本，再選擇所要鏈接到課件中的視頻。外部鏈接式的多媒體嵌入在播放時需要加載外部組件以實(shí)現(xiàn)視頻播放。音頻媒體的控制均采用內(nèi)部嵌入方式，添加“音頻”相應(yīng)腳本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對音頻的播放控制。

（3）視音頻交互設(shè)計。視頻主要是關(guān)于部分學(xué)習(xí)知識和文字學(xué)習(xí)背景的講解。通過直觀、高效的視頻學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者可以快速掌握所觀看的知識，同時配合三維學(xué)習(xí)課件主建筑內(nèi)部相關(guān)場景或物件，學(xué)習(xí)者對所學(xué)內(nèi)容會有更深刻的印象，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者二次記憶。音頻分為背景音樂和解說詞兩部分，解說詞主要是對一些不適合用視頻呈現(xiàn)或內(nèi)容不精煉的學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)，學(xué)生可以根據(jù)需要自行實(shí)現(xiàn)背景音樂的播放及音量控制。

視音頻交互均采用距離式觸發(fā)交互方式，距離式觸發(fā)交互方式即當(dāng)學(xué)習(xí)者進(jìn)入到設(shè)定的距離范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)置的內(nèi)容，三維學(xué)習(xí)課件中有講解學(xué)習(xí)內(nèi)容的視頻或音頻，當(dāng)學(xué)習(xí)者退出設(shè)定的交互范圍時，系統(tǒng)自動識別，停止先前觸發(fā)內(nèi)容即視音頻的播放。

4 課件測試

整體調(diào)整好交互功能后，即可通過VRP進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布文件為EXE格式，可以脫離VRP的開發(fā)環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。

測試環(huán)節(jié)主要分兩部分：開發(fā)人員測試和學(xué)習(xí)者測試。開發(fā)人員測試內(nèi)容主要是對場景漫游和交互功能的測試。由于開發(fā)人員把握了整個三維學(xué)習(xí)課件的場景構(gòu)建和學(xué)習(xí)內(nèi)容的交互，因而可以運(yùn)行課件以檢測場景運(yùn)行是否正?；蚪换ナ欠駥?shí)現(xiàn)，并及時進(jìn)行調(diào)整。

測試調(diào)整后，則需要學(xué)習(xí)者對課件進(jìn)行測試，包括對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果的測試。因?qū)W習(xí)者對三維課件各方面的功能處于未知狀態(tài)，這樣更能體現(xiàn)學(xué)習(xí)課件的效果，學(xué)習(xí)者通過課件的學(xué)習(xí)可以了解并掌握該部分知識，同時也能發(fā)現(xiàn)課件中的不足，并反饋給開發(fā)人員，再進(jìn)行修改、完善。

5 結(jié)語

三維學(xué)習(xí)課件因其可視化、直觀化、形象化等特點(diǎn)使其在學(xué)習(xí)過程中的作用日益顯著，因而開發(fā)三維學(xué)習(xí)課件的重要性也愈加凸顯。本文開發(fā)的三維學(xué)習(xí)型課件對文字起源與發(fā)展方面的知識加以有效整合，為學(xué)習(xí)者提供了良好的基于學(xué)習(xí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者能夠更高效地投入學(xué)習(xí)，并快速地掌握相應(yīng)知識。

三維學(xué)習(xí)課件作為虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的一類產(chǎn)品，對提高學(xué)習(xí)者興趣、增強(qiáng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的趣味性及自主性等起著積極作用。其在三維場景中的互動演示彌補(bǔ)了二維課件，擴(kuò)大了知識容量，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)技能，值得深入研究。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）