錢相呈

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)演播廳展示為例，使用3D MAX創(chuàng)作基本的模型、動畫及相應(yīng)材質(zhì)貼圖的使用，利用VRP實(shí)現(xiàn)模型和動畫的導(dǎo)出及相關(guān)交互實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計方法。虛擬物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)的設(shè)計能有利于學(xué)生更加直觀地理解物理現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生的動手能力和實(shí)踐能力，也是物理教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞 三維模型 物理實(shí)驗(yàn) 演播演示

0引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的一個重要的組成部分，其目標(biāo)是讓學(xué)生通過實(shí)際操作來驗(yàn)證學(xué)過的物理知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動手能力，分析問題，觀察問題，發(fā)現(xiàn)問題的能力，對學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力都有所提升。但目前多數(shù)學(xué)校普遍存在物理儀器不足，設(shè)備老化，還有一些危險性試驗(yàn)無法給學(xué)生感性的認(rèn)識。本文設(shè)計的虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)是以3dMax和VRP為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)，能夠構(gòu)建具有強(qiáng)交互性、沉浸性和多感知性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，從根本上解決學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)存的問題，讓學(xué)生在計算機(jī)上操作實(shí)驗(yàn)，從中驗(yàn)證物理理論，獲取知識，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。進(jìn)而幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)器材，掌握實(shí)驗(yàn)步驟，形成正確概念，真正提高學(xué)生的動手研究能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識等綜合科學(xué)素質(zhì)，這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)更加受到社會各界的喜歡。

1模型的搭建和動畫制作

3D模型可以說是利用三維軟件建造的三維立體空間效果的模型，具有直觀、立體感和透視感，包括各種建筑、人物、植被、機(jī)械等等。其搭建需要用到一層層的拖拽、調(diào)整、變形，本文以電磁驅(qū)動演示實(shí)驗(yàn)場景模型的制作為例，首先需要搭建一個桌子模型，這便用到了擴(kuò)展基本體中的切角長方體命令，通過設(shè)置圓角分段與圓角度來使邊緣圓滑，這樣便通過5個不同尺寸的切角長方體來搭建桌子模型。學(xué)生電源模型因包含大量小型按鈕與刻度，且模型較不規(guī)則，因此需要用到布爾、放樣、貼圖等技術(shù)。在使用切角長方體建出規(guī)則模型之后，再使用布爾差集做出需要的形狀。在導(dǎo)線的制作時，由于圓柱體彎曲較為不靈活，因此選擇了放樣操作。首先將導(dǎo)線要連接的兩端用樣條線連接起來。為了使導(dǎo)線彎曲自然，我在連接樣條線的時候選擇初始類型為角點(diǎn)，拖動類型為平滑，這樣新建出的樣條線就比較平滑自然，然后通過移動點(diǎn)來使導(dǎo)線更加自然柔軟，再新建一個半徑較小的圓，通過放樣做出導(dǎo)線模型。在模型及貼圖全部都完成之后，便是動畫的制作，3D MAX中動畫分為剛體動畫和柔體動畫。最基本的動畫操作是對對象進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)和縮放，可以用動畫控制器來控制，即剛體動畫；物體自身的造型也可以設(shè)置成動畫，用為對象添加的各種變形修改器來控制，即柔體動畫。

2模型動畫的導(dǎo)出及交互的實(shí)現(xiàn)

模型與動畫全部制作完成之后便是將其導(dǎo)入VRP，在導(dǎo)入之前，首先要將包含剛體動畫的模型成集并命名為vrp_rigid，這樣，才能將剛體動畫導(dǎo)入VRP。因?yàn)榘?3ds max 中的模型導(dǎo)入到 VR-Platform 平臺中時，不能將光景信息直接帶入，需要把 3ds max 中物體的光影以貼圖的方式帶到 VRP 中，才能產(chǎn)生真實(shí)感。所以在材質(zhì)部分需首先將貼圖烘焙，這樣才能保證貼圖順利導(dǎo)入VRP且顯示準(zhǔn)確。如圖1所示。

在導(dǎo)入VRP之后，首先進(jìn)入首頁面，點(diǎn)擊演示實(shí)驗(yàn)后通過顯示隱藏控件進(jìn)入全部演示實(shí)驗(yàn)界面。點(diǎn)擊其中某一個實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)高級界面，以電磁驅(qū)動為例，在這一部分用到的腳本主要為顯示隱藏控件、顯示隱藏對話框。如圖2所示。

在簡介按鈕通過鼠標(biāo)移入與鼠標(biāo)移出腳本來控制靜態(tài)圖片控件的顯示與隱藏，實(shí)現(xiàn)當(dāng)鼠標(biāo)滑過簡介按鈕時，自動彈出關(guān)于電磁驅(qū)動實(shí)驗(yàn)的介紹，使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加方便。點(diǎn)擊開始演示按鈕后通過轉(zhuǎn)換相機(jī)與顯示隱藏控件、對話框正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。在此界面點(diǎn)擊電磁驅(qū)動綠色開關(guān)便可觀看此演示實(shí)驗(yàn)。

3結(jié)語

虛擬物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)的使用，在一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，可以方便學(xué)生打破時間和空間的限制，可以自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)方面，也可以起到讓學(xué)生熟悉儀器和練手的作用，防止學(xué)生因不熟悉實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)流程而造成的設(shè)備損壞，由于物理實(shí)驗(yàn)儀器大多比較精密且昂貴，因此本項(xiàng)目也大大減少了不必要的損失，能夠更好地保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器。

（通迅作者：李冰）

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