楊小勤

（南京市誠信小學(xué)，江蘇 南京 211100）

基于Quest3D平臺虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐與思考

楊小勤

（南京市誠信小學(xué)，江蘇 南京 211100）

在虛擬現(xiàn)實中，如何將學(xué)生的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實，實現(xiàn)虛擬世界與實體世界的有機結(jié)合，前提需要技術(shù)的支撐，文章通過對虛擬現(xiàn)實平臺軟件的學(xué)習，主要探討了Quest3d技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用，從平時使用Quest3d軟件的優(yōu)缺點出發(fā)，提出了基于Quest3d平臺虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計框架，對Quest3d核心技術(shù)難點進行實踐探索并對Quest3d所搜集到的資源進行了一些總結(jié)和思考，最后結(jié)合學(xué)校3D技術(shù)在社團中應(yīng)用的一些做法進行展望，探究基于Quest3d虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展及其在教育信息化整合中的應(yīng)用前景。

虛擬現(xiàn)實；Quest3d；3D技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)技術(shù)，伴隨新技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新型技術(shù)引起人們的高度關(guān)注，虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建出的虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生視、聽、觸、嗅等真實的感受，其強大的功能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對中小學(xué)教育信息化的發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響，其在教育應(yīng)用中亦起到了很大的作用，校園是這項未來技術(shù)的著陸點，在教育領(lǐng)域中，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐的3D打印技術(shù)正逐漸步入人們的視野。特別是中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。3D打印技術(shù)在學(xué)校社團活動中嶄露頭角，但3D打印在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用還是一個嶄新的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實應(yīng)用過程中有許多技術(shù)問題值得我們深究。

本文就虛擬現(xiàn)實交互實現(xiàn)平臺Quest3d進行了研究和探討，提出了基于Quest3d虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計框架，對在學(xué)習中遇到的Quest3d技術(shù)難點進行了探討，并對平時實踐研究中收集到的資源進行了分析和總結(jié)，提出了一些自己的想法，以期為增強學(xué)習者的真實體驗、主動學(xué)習及創(chuàng)客教育在教學(xué)中的有效開展和實施起到一定的推動作用。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱 VR）,也稱為靈境技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[1]。它的主要特征有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[2]。

在虛擬現(xiàn)實中，使用者不僅能夠感受到在實體世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破地點、空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法經(jīng)歷的交互體驗[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，它最開始用于軍事和航空航天領(lǐng)域，近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)大步走進教育培訓(xùn)、文化娛樂、交通模擬、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、空間展示設(shè)計、城市規(guī)劃以及新媒體設(shè)計等領(lǐng)域，并逐漸改變著我們的生活[4]。

2.虛擬現(xiàn)實互動開發(fā)平臺

在交互媒體中，國內(nèi)外有多種實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實開發(fā)系統(tǒng)的平臺，國外的主要有：瑞典Cycore公司研發(fā)的Cult3D，主要支持線上瀏覽和操作交互設(shè)置的三維模型[5]；美國Multi Gen-Paradigm公司研發(fā)的Multigen VEGA，在實時視覺模擬和數(shù)據(jù)分析方面效果顯著[6]；法國研發(fā)的Virtools是虛擬現(xiàn)實平臺中應(yīng)用較多的一款引擎，Virtools制作的沉浸感的虛擬環(huán)境非常逼真，廣泛應(yīng)用于實時3D環(huán)境虛擬實境編輯、計算機游戲開發(fā)、教育訓(xùn)練等各個領(lǐng)域[7]；Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一款支持三維視頻游戲、實時三維動畫等多種類型互動的多平臺虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具[8]。

另外國內(nèi)比較有代表性的是深圳希技數(shù)碼科技自主開發(fā)的HD（House Designer）平臺，主要用于室內(nèi)三維空間展示，還有北京中視典數(shù)字科技公司開發(fā)的VR-Platform三維互動仿真平臺[9]。

3.Quest3d平臺介紹

本文主要介紹荷蘭Act-3D B.V.公司開發(fā)的Quest3d虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺。筆者對Unity3d和Quest3d兩款虛擬現(xiàn)實制作平臺進行了比較分析：Unity3d應(yīng)用領(lǐng)域和功能更加強大，但是需要開發(fā)者具有深厚的編譯程序和編寫底層代碼的能力；而Quest3d使用者可以用系統(tǒng)中自帶的多種元件模塊為基礎(chǔ)，通過Channel元件組塊“搭積木”的方式，直接鼠標拖過來就可以了，如圖1所示，不需要像Unity3d一樣要編寫上千行的復(fù)雜代碼，高效完成了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)，降低了門檻，更易上手和學(xué)習使用。

圖1 Quest3d元件模塊搭建

二、基于Quest3d虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺構(gòu)建的優(yōu)勢及不足

1.Quest3d軟件的優(yōu)勢

（1）易用性。在Quest3d里，所有的編輯器都是視覺化、圖形化的，真正所見即所得。它封裝了很多可視化的模塊，編程界面可視化程度高，用戶不需要花費時間去編譯程序和復(fù)雜的底層代碼及運算圖形，大部分程序操作可以采用“搭積木”的方法實現(xiàn)。

（2）高效便捷。正由于Quest3d軟件通過函數(shù)的封裝、采用元件模塊去實現(xiàn)函數(shù)功能的可視化，所以使用者只需要將所需的功能模塊通過鼠標拖拽的方式就可以搭建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提高了工作效率，高效地實現(xiàn)虛擬系統(tǒng)的開發(fā)。

（3）Quest3d價格相對低廉，適用性廣。

（4）Quest3d中內(nèi)建有許多的物體，如：具有逼真的人物、植物、光照、陰影、山林、火及煙的特效，還有真實的水波紋效果，可以輕易地加入Quest3d場景中。

（5）Quest3d比較適合做小的場景，效果和美工方面較好。

2.Quest3d軟件的不足

（1）和其它相關(guān)軟件配合不太流暢，和其它三維軟件兼容性不是太好。

（2）Quest3d支持平臺沒有Unity3d軟件廣，插件、格式限制較嚴格，且不適合做大的場景。

（3）Quest3d可利用的資源較少，在網(wǎng)上可查找到的Quest3d方面的書籍、視頻教程、論壇相較于其它三維軟件少。

（4）Quest3d對模型的數(shù)據(jù)量有很多的限制，碰撞捕捉也不是很精確。

三、基于Quest3d虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

基于Quest3d虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計主要包括前期準備階段、3D建模階段、交互設(shè)置階段、發(fā)布階段。如圖2所示。

圖2 基于Quest3d虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

前期準備階段：先要對虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)進行需求分析，即最終要實現(xiàn)的目的和效果，教學(xué)設(shè)計包括學(xué)習內(nèi)容選擇、學(xué)習內(nèi)容分析、教學(xué)目標分析、學(xué)習對象分析，根據(jù)教學(xué)設(shè)計內(nèi)容進行素材收集，確定各環(huán)節(jié)具體顯示效果。

3D建模階段：先要進行三維模型的建模，如比較常用的3dsMax、Maya，在Photoshop中修正的紋理貼圖等賦予3D模型，設(shè)置正確UV，在3dsMax中布置燈光、烘焙貼圖后進行場景的集成。

交互設(shè)置階段：場景集成后，通過PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0.插件將三維模型轉(zhuǎn)換成Quest3D所支持的.X格式，順利導(dǎo)入Quest3D編輯器中，然后通過元件模塊即Channel開發(fā)實現(xiàn)場景的漫游、人機交互、特效編輯，完成系統(tǒng)的各項功能。

發(fā)布階段：平臺搭建完成后，經(jīng)過不斷的測試和優(yōu)化，生成QuestViewer能夠播放的*.Q3D文件或發(fā)布成可獨立執(zhí)行的*.exe文件。

四、基于Quest3d平臺核心技術(shù)的實踐應(yīng)用

1.外部三維模型的導(dǎo)入

因為Quest3d平臺本身對建模的限制，故在Quest3d平臺中的模型搭建基本上都是從外部建模軟件導(dǎo)入，而要將外部的三維模型（如3dmax、maya中所做的模型）順利導(dǎo)入到Quest3d中，在實踐操作中，首先要解決一個技術(shù)問題，即插件的問題，從網(wǎng)上下載的插件PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0，在 3dsMax的插件當中加載一下，加載完成之后在3dsMax導(dǎo)出對話框中就會有Quest3d所支持的.X格式文件選項，解決了插件問題，就能將自己在三維軟件中所做的模型保存成Quest3d所支持的格式，順利導(dǎo)入到Quest3d中。不過在實踐的過程中，所下載的插件PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0.只是針對3dMax平臺的插件，而且它僅支持3dMax2012及之前的版本，而對于2012之后的3dMax版本則不支持，故在實踐操作應(yīng)用中，對不同的平臺和建模軟件加載的插件版本要求不一。

2.“.x”和“.cgr”格式導(dǎo)入貼圖區(qū)別

在使用過程中，可以將3dmax中所做出的三維模型分別保存成.x和.cgr格式導(dǎo)入到Quest3d中。

首先，對于.x格式，如何將3dMax中經(jīng)過復(fù)雜貼圖和3d烘焙后的三維模型導(dǎo)入到Quest3d中是實踐中的一個技術(shù)難點，在虛擬現(xiàn)實平臺制作的過程中，筆者曾經(jīng)嘗試兩種方法導(dǎo)入物體，一種是在3dMax中導(dǎo)入一個最原始的未加任何貼圖和渲染的模型，則能順利導(dǎo)入，另一種導(dǎo)入經(jīng)過渲染的三維模型，則能將模型導(dǎo)入，但之前的渲染和貼圖則消失，解決辦法就是要將3dMax中所做的三維模型存放到同一個文件夾下，再導(dǎo)入到Quest3d中進行勾選。所以.x格式導(dǎo)入到Quest3d中要一直指定貼圖的路徑，這時候Quest3d會自動掃描文件夾，尋找場景中所用的貼圖。

其次，用同樣的兩種方法將保存成.cgr格式的三維模型導(dǎo)入到Quest3d中，則3dMax中所做的三維模型和貼圖即使沒有存放到同一個文件夾下，也能導(dǎo)入到Quest3d中，這是和.x格式導(dǎo)入Quest3d不一樣的地方。

3.貼圖烘焙問題

因為筆者在3dsMax中學(xué)過渲染烘焙，所以在Quest3d中也想實踐下如何烘焙，于是在學(xué)習制作過程中對二者的烘焙進行了一些嘗試和比較，一種是直接在Quest3d中運用其自身程序?qū)ξ矬w進行貼圖烘焙。另外一種是在3dsMax中通過“Render to tecture”命令進行貼圖烘焙，完成后導(dǎo)入Quest3d中，實現(xiàn)貼圖烘焙。結(jié)果通過Quest3d直接進行貼圖烘焙效果不佳，其自身燈光系統(tǒng)不完善導(dǎo)致光影關(guān)系較弱，得不到最佳效果，而通過在3dsMax中烘焙后再導(dǎo)入Quest3d中則完美地解決了這一問題。

所以實踐操作中，針對烘焙這個難題，筆者認為，一方面，Quest3d貼圖烘焙一定要在3dsMax中最大程度完成，減少Q(mào)uest3d中后期的修改；另外一方面，在3D中烘焙，由于計算量大，可能會因為軟件性能的瓶頸而導(dǎo)致出錯和死機，因此，應(yīng)該盡量減少烘焙時候的面數(shù)或者進行分段烘焙。另外，受限于Quest3d軟件自身，單純依靠貼圖烘焙技術(shù)并不能完全模擬所有特效，需在Quest3d中加載其他模塊進行特效的模擬。

4.光照陰影

在Quest3d中光照和陰影也是實踐操作中一大難點，模型上有了陰影才有更強的立體感，然而在Quest3d中制作實時的陰影是相當耗費資源的，而模型一旦很大，陰影就會計算錯誤，這是一個困難點，比如在利用光照和陰影來做房子的光照映射時，如圖3所示，當做到將“Width”和“Height”都設(shè)置為 1024時，結(jié)果并不能顯示物體的陰影，所以這個設(shè)置的數(shù)據(jù)是不對的，當設(shè)置這個“Width”為 1024“Height”為 512 時，則物體陰影顯示出來，但物體顯示的陰影卻是不規(guī)則的，方向各不相同，如何將這些陰影都按照光線的方向規(guī)則的顯示是一個難題，所以實時陰影的顯示需要后續(xù)進一步的研究和深入探討。

圖3 房子模型光照和陰影

5.聲音導(dǎo)入

聲音是一個虛擬現(xiàn)實場景中不可或缺的元素，真實的聲音可以烘托場景氛圍，使用戶獲得身臨其境般的聽覺、視覺體驗。Quest3d軟件中有多個元件可以支持聲音的播放、調(diào)節(jié)等操作，目前Quest3d軟件中可以支持wav、MP3、MIDI格式的外部聲音文件。

在Quest3d中進行聲音的導(dǎo)入主要有兩點：①在Quest3d4.2.2版本中小汽車聲音不能導(dǎo)入，卻在Quest3d4.3.2中導(dǎo)入了小汽車的聲音，這個不是軟件版本的問題，應(yīng)該是小汽車的聲音文件的問題，因為在網(wǎng)上下載的MP3格式的音樂經(jīng)過格式工廠進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成.wav格式的音樂，再導(dǎo)入到Quest3d中，無論是Quest3d4.2.2版本還是Quest3d4.3.2版本的都能夠正常進行播放。②在虛擬現(xiàn)實場景中“關(guān)于音頻時間長短的問題”，虛擬現(xiàn)實場景中插入聲音文件之后如何設(shè)置音頻時間，使用Sound File Channel將聲音文件導(dǎo)入到系統(tǒng)中去，根據(jù)相機和聲源的相對位置自動調(diào)整聲音的音量、左右聲道和頻率效果，即可以實現(xiàn)修改音頻時間長短的問題。

五、基于Quest3d軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)的資源建設(shè)及思考

1.Quest3d平臺資源庫

（1）期刊文獻資源

在中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫中，通過查閱眾多文獻，發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實方向研究所用到的虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)方法最多的是Multigen Vega和VRML，專門研究這兩個方法的期刊論文和博士碩士論文也最多。而對于“Quest3d”方面的論文，大多是如何用Quest3d來做一個虛擬漫游場景，或者是“基于Quest3d的某方面的設(shè)計和實現(xiàn)”。

（2）書籍

通過閱讀一些“虛擬現(xiàn)實”方面的書籍，從圖書館和網(wǎng)上進行搜集，主要閱讀了《虛擬現(xiàn)實案例教程:基于Quest3D/VR-Platform/Virtools項目》（隨書有光盤），以及《中國高校動畫專業(yè)系列教材——Quest3D虛擬現(xiàn)實設(shè)計》和復(fù)印的講義《Quest3D教程指南》。同時，在當當網(wǎng)、亞馬遜中查找，發(fā)現(xiàn)目前我國現(xiàn)在出版的“Quest3d”方面的書籍還是較少的，主要是這三本：《虛擬現(xiàn)實案例教程:基于Quest3D/VR-Platform/Virtools項目》（隨書有光盤）、《Quest3D從入門到精通》（隨書有光盤），以及《中國高校動畫專業(yè)系列教材——Quest3D虛擬現(xiàn)實設(shè)計》。關(guān)于“虛擬現(xiàn)實”方面的書籍雖然很多，但關(guān)于Quest3d在虛擬現(xiàn)實中應(yīng)用的書籍較少，有的書籍中或多或少提及Quest3d，但關(guān)于Quest3d的介紹，很多書籍只是把它作為虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)平臺的一個引擎，或一筆帶過，或只是重點介紹了一下軟件的概況，并沒有全面介紹，而有針對性的通過一些案例的示范來對Quest3d進行講解的更是少之又少。

（3）網(wǎng)絡(luò)視頻、論壇資源

搜集到的網(wǎng)上的視頻，免費的有“Quest3d官方八集視頻教程”、“Quest3d手把手教學(xué)”“Quest3d基礎(chǔ)教程”，這些免費教程在百度和一些論壇里面都可以下載，但都只是簡單的小案例的實現(xiàn)，而且視頻中的素材貼圖都無法獲取，只是一些基礎(chǔ)。

而收費的教程比較有權(quán)威和全面的是parrot錄制的視頻教程，有：parrot主講《Quest3d系列教程》10小時視頻教程、《Quest3d系列》10小時教程（不是書籍）、parrot主講《玄武招商》7.5小時教程（不是書籍）、parrot主講《Quest3d大揭秘系列教程之boat Visualization》。這些收費的視頻教程一方面內(nèi)容很全，比如在parrot主講《Quest3d系列教程》10小時視頻教程中，它的內(nèi)容就包括基礎(chǔ)界面、模型貼圖、漫游控制、邏輯程序、邏輯強化練習、界面定制、燈光陰影、動畫控制、動畫技巧練習、粒子系統(tǒng)、角色動畫、For循環(huán)與數(shù)組、內(nèi)置Shader、種植系統(tǒng)、有限狀態(tài)機、尋徑、實時反射、全局特效、聲音控制、動態(tài)加載等很多方面的知識，包括“Quest3d軟件中撤銷（undo）的問題”都有解決答案。但是另一方面這樣的視頻課程又是很昂貴的。所以現(xiàn)在整體而言，Quest3d方面的視頻資源還是很匱乏的。

Quest3d的論壇資源在網(wǎng)上則比較多樣化，論壇比較活躍和資源較多的網(wǎng)站有很多，比如Quest3d論壇-建筑可視化虛擬現(xiàn)實、Quest3d資訊作品教程-SketchUp中國論壇、Quest3d官方論壇等等。

2.基于Quest3d軟件資源建設(shè)的思考

（1）學(xué)習形式多樣化

僅僅學(xué)習Quest3d軟件是不夠的，Quest3d作為后期的組裝加工固然重要，但是素材的收集、二維貼圖制作、三維建模這些前期的準備是極其重要的，特別是3dsMax尤其重要，由于Quest3d自身不具備三維建模的能力，在Quest3d中復(fù)雜的三維模型都需要從外部導(dǎo)入，因此3dsMax這樣的三維軟件在虛擬現(xiàn)實設(shè)計過程中就發(fā)揮著很重要的作用，如果這些不會，就沒有可以組裝的原料，所以，如果要完成一個漫游類虛擬現(xiàn)實項目的設(shè)計與制作，則要學(xué)懂Photoshop和3dmax，沒有這樣的基礎(chǔ)，Quest3d場景制作是不可能的。

（2）外部資源優(yōu)化

首先，Quest3d現(xiàn)有資源應(yīng)加強和外部一些軟件的契合，比如在講到3dmax或Maya中三維模型導(dǎo)入到Quest3d中，有些書籍中并沒有講清楚“插件從哪可以下載到”、“插件對于各種版本的要求是怎樣的”，“.x和.cgr不同的保存格式導(dǎo)入到Quest3d中效果實現(xiàn)哪個更好”，只是很籠統(tǒng)的讓讀者自己可以在“F1幫助”中下載（這只是針對正版軟件），但是具體操作過程卻并沒有那么簡單，需要自己好好琢磨。

其次，現(xiàn)有參考書籍中如果能夠講到貫穿于整本書中到底用的是什么版本的MAX和Quest3d，使用者用起來更加高效，因為不同的版本可能對插件和一些參數(shù)的設(shè)置會有不同的要求，有時即使按照這些書上的案例照著做，也沒有實現(xiàn)最終的效果，有沒有是版本的問題？而對于很新版本的比如Quest3d5.0有什么功能和進步之處，書籍中也鮮有提及，如果在講解的同時能夠結(jié)合最新的軟件版本和功能進行比對，應(yīng)該會更方便學(xué)習和使用。

（3）分享交流

在資源建設(shè)中所推薦的論壇中與學(xué)習者進行交流和分享，還是很受益的。論壇中的資源很多都是最新的，通過回答別人的疑問，或者提出問題，大家可以共同進步。所以筆者認為要想學(xué)到更多的Quest3d知識，就應(yīng)該多多上論壇，和大家一起分享交流。

六、總結(jié)和展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是教育信息化發(fā)展的一個趨勢，通過對教學(xué)場景在虛擬現(xiàn)實中的三維構(gòu)建，營造逼真的學(xué)習情境，可以更好地發(fā)揮教育信息化的作用，目前在中小學(xué)社團活動中，3D打印很受學(xué)生歡迎，3D打印技術(shù)本質(zhì)上就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，它將學(xué)生奇特的想法變成現(xiàn)實，3D打印技術(shù)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托，在教學(xué)中的應(yīng)用提高了學(xué)生的動手能力，促進了學(xué)生思維能力的進一步發(fā)展，相信在未來的幾年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將大面積走進中小學(xué)課堂，必將對現(xiàn)有教學(xué)產(chǎn)生深刻的影響和變革。

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（編輯：魯利瑞）

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A

1673-8454（2017）14-0087-05