試析利用Blender開發(fā)普通高校虛擬現(xiàn)實實驗室

郝振華 HAO Zhen-hua

（上海建橋?qū)W院，上海 201319）

（Shanghai Jianqiao College，Shanghai 201319，China）

0 引言

教學(xué)實驗室的建設(shè)作為高校教育中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，面臨著適應(yīng)社會需求、積極探索進取和創(chuàng)新發(fā)展的問題。根據(jù)教學(xué)目標和技術(shù)可行性，選擇合理的開發(fā)技術(shù)，建設(shè)并發(fā)展虛擬教學(xué)實驗室，從驗證性實驗向創(chuàng)新性實驗轉(zhuǎn)變；從單一的建模實驗向交互實驗轉(zhuǎn)變；集成各種輸入設(shè)備，根據(jù)需要添加可識別的實驗設(shè)備，使高校教學(xué)實驗室教學(xué)優(yōu)勢和潛力得以充分發(fā)揮。

本文試析利用Blender開發(fā)虛擬現(xiàn)實教學(xué)實驗室在普通高校中的意義，并對此展開討論。

1 適應(yīng)教學(xué)發(fā)展的虛擬教學(xué)實驗室

1.1 從驗證性實驗向創(chuàng)新性實驗轉(zhuǎn)變 傳統(tǒng)的實驗項目受到實驗室本身的制約多為命題型驗證性實驗，絕大部分高校的實驗課程都采用老師講解、演示，學(xué)生動手的模式。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為中心，學(xué)生在教學(xué)過程中自始至終處于被動狀態(tài)，主動性和積極性難以發(fā)揮。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality-VR），其特點主要體現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的3I特性，即所謂的沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）、想象力（Imaginative）。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還擁有網(wǎng)絡(luò)功能、多媒體技術(shù)、人工智能、計算機圖形學(xué)、動態(tài)交互智能感和程序驅(qū)動三維立體模型和場景等。虛擬現(xiàn)實教學(xué)實驗室是學(xué)生通過計算機產(chǎn)生被模擬仿真世界的動態(tài)三維視覺環(huán)境，學(xué)生在學(xué)習(xí)動態(tài)三維視覺環(huán)境是如何產(chǎn)生的同時，理解并通過各種交互設(shè)備（鼠標，鍵盤，游戲操縱桿，MIDI設(shè)備等）觀察、體驗并省視在交互過程中的體驗感，通過創(chuàng)作和有計劃的修改、完善虛擬現(xiàn)實的體驗，并探索新的交互的可能性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

1.2 從單一的建模實驗向交互實驗轉(zhuǎn)變 與單一的建模實驗傳統(tǒng)教育相比，虛擬實驗室需要的不只是注重基本的建模實驗，而是能提供更多的具有交互實驗的能力，強調(diào)人與機器互動，人與人互動的平臺，利用VR技術(shù)更有助于多媒體輔助教學(xué)系統(tǒng)的運用、開發(fā)與完善，有著更加深入表達教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)勢。

由于市場多樣化的沖擊而缺乏虛擬現(xiàn)實技術(shù)的統(tǒng)一標準，使得虛擬實驗室缺乏的軟硬件的相互配合，加上教學(xué)的不統(tǒng)一要求，在這種情況下，學(xué)生更傾向于類似虛擬物體建模這樣的基本實驗，降低了作為虛擬實驗室的真正功能。所以選擇一款能很自然的從建模學(xué)習(xí)到虛擬現(xiàn)實交互的應(yīng)用軟件就顯得很重要。

1.3 添加可識別的各種輸入輸出實驗設(shè)備 隨著虛擬現(xiàn)實相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種新型的輸入輸出設(shè)備層出不窮。虛擬實驗室是一個緊跟時代的互動實驗室，根據(jù)需要隨著互動技術(shù)的進步添加市場上各種典型的可識別的實驗設(shè)備，比如midi控制設(shè)備、游戲遙感設(shè)備，并在條件允許范圍內(nèi)購買虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)手套等。在市場的推進作用下，類似wii的手柄控制器等運動重力感知設(shè)備和Xbox的Kinect運動捕捉（或稱體感識別）設(shè)備等新興游戲互動設(shè)備也應(yīng)成為虛擬教學(xué)實驗室的輸入設(shè)備。有了這些設(shè)備的加入就會使虛擬實驗室強大的實驗優(yōu)勢和教學(xué)潛力得以充分發(fā)揮。

2 什么是Blender

英文“blender”，中文翻譯為“攪拌機”，顧名思義是用來將所有的視頻音頻圖像還有三維模型和動畫等綜合起來制作動畫及可執(zhí)行程序的軟件。

2.1 綜合性三維解決方案 Blender提供從建模、動畫、材質(zhì)、渲染，到音頻處理，視頻剪輯等一系列動畫短片制作的三維動畫制作軟件。且具有占有空間少、使用系統(tǒng)資源低并可運行于不同平臺等特性。

2.2 發(fā)展迅速的開源軟件 Blender于2002年10月13日公布其源代碼，成為為數(shù)不多的開源三維動畫及交互解決方案。因為遵循GNU通用公共許可證發(fā)布，因而沒有教育版,專業(yè)版或商業(yè)版之分。由Blender創(chuàng)作的藝術(shù)品，包含Python腳本都需要遵守GNU下的GPL協(xié)議將其開源。但署名權(quán)將完全屬于藝術(shù)品和腳本的創(chuàng)作者。

2.3 特點顯著適合科研開發(fā) Blender提供非常強大的API支持，由于Blender是在Python語言上構(gòu)建的，其API可以與Python語言的模塊完全兼容，所以具有很強的多媒體應(yīng)用擴展性。Python本身是一個十分適合流程控制和多媒體應(yīng)用的語言。Blender提供了各種輸入設(shè)備的感應(yīng)模塊,通過使用Python腳本，可以被Blender接收的輸入設(shè)備可以有更多的擴展，包括midi鍵盤和具有TUIO或OSC協(xié)議的多點觸摸設(shè)備，其中包括wii的手柄控制器、iPhone、iPad 等。

此外，由于良好的可移植性和兼容性，Blender共享系統(tǒng)Python環(huán)境并通過包裝函式，調(diào)用計算機視覺函數(shù)庫OpenCV，從而實現(xiàn)各種科學(xué)實驗。

3 Blender對高校虛擬教學(xué)實驗室建設(shè)的意義

Blender的出現(xiàn)恰好可以滿足高校虛擬教學(xué)實驗室適應(yīng)教學(xué)發(fā)展的需要，并在快速變化的信息時代逐步完善、成熟，在擔當起實驗教學(xué)的重任中起到更好的作用。

3.1 虛擬教學(xué)實驗室在注重效率的同時仍需要考慮成本

3.1.1 快速建立CG培訓(xùn)平臺 與動輒上千美元的商業(yè)3D軟件相比，Blender是一款完全免費而且開源的3D制作軟件，用戶不需要考慮版權(quán)問題就可以隨意拷貝和共享，學(xué)校、單位或相關(guān)培訓(xùn)機構(gòu)可以快捷地建立一套基于Blender的CG培訓(xùn)平臺。

3.1.2 解決長期維護 教學(xué)實驗室要注重成本和長期維護的問題，尤其是虛擬教學(xué)實驗室，要考慮到軟件的更新和維護。這些成本幾乎每年必須發(fā)生。如果選擇一款類似3DSMAX這樣的軟件作為建模材質(zhì)和貼圖的工具，那么制作虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的工具將價格不菲。以國產(chǎn)的中視典的VRP為例，基礎(chǔ)的面數(shù)不限的能完成數(shù)字校園的企業(yè)版價格也在4萬左右。盡管在8萬個面以內(nèi)的小型版本是免費的，但針對不同的模塊VRP的價格是不同的。這些還不包括API等接口的解釋和服務(wù)性的幫助，而這些對于Blender來說都是免費的。

3.2 虛擬教學(xué)實驗室建設(shè)要與課程設(shè)置銜接相關(guān)聯(lián) 以上海建橋?qū)W院為例，為數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)和軟件工程專業(yè)學(xué)生開拓實踐內(nèi)容而服務(wù)的虛擬教學(xué)實驗室，建設(shè)和發(fā)展要考慮與課程內(nèi)容互相斜街。

3.2.1 VRML被逐步更新 就數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生而言，課程結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包括了三維建模和三維動畫的內(nèi)容，使用的軟件是以三維動畫為方向的三維應(yīng)用軟件，包括Maya，3DSMAX和Lightwave等。

但是過去開設(shè)的虛擬現(xiàn)實課程卻是以VRML作為課程核心內(nèi)容的，而VRML是以網(wǎng)頁三維交互作為核心技術(shù)，學(xué)生等于使用新的編程語言來實現(xiàn)動畫和交互，這與之前學(xué)習(xí)的三維建模和動畫在知識系統(tǒng)上就難以銜接，更無法拓展。

此外，VRML本身技術(shù)的更新是X3D格式，就目前來看，作為同等級別的三維網(wǎng)絡(luò)交互應(yīng)用制作工具，其競爭對手是 Cult3D；同時 Viewpoint以及Adobe的Atmosphere也對其構(gòu)成威脅；尤其是Viewpoint，作為一個可以和Flash的SWF共同使用的老牌網(wǎng)絡(luò)三維表現(xiàn)軟件，Viewpoint在工業(yè)品表現(xiàn)領(lǐng)域活躍了10多年，已改變了VRML的主流地位。而新興的WEBMAX也在試圖針對這一應(yīng)用市場拓展自己的份額。從這些情況來看，VRML也已經(jīng)不再適合作為虛擬現(xiàn)實課程的核心內(nèi)容。

3.2.2 強調(diào)三維交互 虛擬現(xiàn)實的另一個重要領(lǐng)域在于表現(xiàn)與三維對象的交互上，這點也同時是三維游戲引擎所注重的方面。

具有三維游戲引擎功能的軟件，不僅提供仿真模擬的功能，更重要的是他們注重與其他三維動畫軟件的銜接，有些更包含了自己的建模和動畫工具，如Maya，尚缺乏可充分自定義來拓展與其他三維動畫軟件的銜接。當然，還有很多優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實軟件在提供本地應(yīng)用的同時也可以生成網(wǎng)絡(luò)三維交互應(yīng)用。如Mac系統(tǒng)的Unity 3D，雖然它不僅可以作為很好的游戲引擎和虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，也可以作為網(wǎng)絡(luò)3D游戲和網(wǎng)絡(luò)三維交互開發(fā)的工具套件，甚至可以拓展到游戲平臺和移動媒體應(yīng)用，只可惜價格和運行平臺成為了最難推廣的瓶頸；另一個元老級的VR商業(yè)軟件是Quest3D，完全節(jié)點式的操作模式使得其相當?shù)牧眍悾藘r格昂貴以外，其制作的內(nèi)容僅限于windows平臺；還有一個合適的選擇是類似Torque這樣的中小型游戲引擎，雖然價格相對適中但功能不全。如果沒有一款適合的軟件，學(xué)生就很難充分運用之前課程中學(xué)習(xí)的建模和動畫知識來很好地制作完成新的三維交互內(nèi)容。

3.2.3 符合課程要求的Blender而Blender與和它集成在內(nèi)的游戲引擎BGE（Blender Game Engine）不僅是免費的，而且功能還可以自定義的拓展，既符合課程要求，也對學(xué)生所學(xué)知識能相互銜接，學(xué)生通過這類軟件的學(xué)習(xí)并理解三維交互的核心構(gòu)成后對網(wǎng)絡(luò)三維軟件概念也不會陌生。這些對學(xué)生了解基礎(chǔ)概念而言己經(jīng)足夠了。

3.3 虛擬教學(xué)實驗室要以創(chuàng)新為導(dǎo)向 核心的三維建模知識都大同小異，但是選擇一款具有集合功能、并能充分自定義、最終產(chǎn)生三維交互的動畫軟件，很大程度上拓展了學(xué)生三維交互的創(chuàng)作領(lǐng)域。

3.3.1 選擇具有充分自定義的核心軟件 要使學(xué)生形成自己對虛擬現(xiàn)實的理解，以此為目標，教學(xué)實驗室就要以創(chuàng)新為導(dǎo)向，在核心軟件的選擇上要具有充分的自定義。在這點上Blender具有很好的自由度。

對于開源的Blender而言，這個三維軟件允許學(xué)生對它的源代碼作自由的修改以滿足實驗需要。學(xué)校方面也可以自己編譯適合自己實驗需要的Blender。在這方面Maya和3DSMAX等軟件都不如Blender。如果以Maya作為建模和動畫渲染工具，做虛擬現(xiàn)實時將面臨著對所有模型的導(dǎo)出以及整個場景設(shè)置的廢棄；所有的材質(zhì)和貼圖也將可能在虛擬現(xiàn)實軟件中重設(shè)。以Virtools為例，所有在Maya里的高級貼圖將都無法導(dǎo)入，大量燈光設(shè)置丟失，只有燈光位置和強度被保留；攝影機動畫會產(chǎn)生問題；對骨骼綁定和動畫導(dǎo)入也將遇到重新設(shè)置等諸多麻煩。

3.3.2 尋找創(chuàng)作樂趣 Blender是一款不斷發(fā)展著的應(yīng)用軟件，正如它的中譯名“攪拌機”那樣，它所提供的是目前同類軟件都未曾有過的很強的集合功能。作為一款單一窗口的軟件，Blender不僅具備了完善的建模工具流水線，動畫角色骨骼工具，物理模擬引擎，材質(zhì)貼圖編輯器，可以控制紋理通道的節(jié)點編輯器，更集合了非線性編輯器和游戲引擎的能力，這使得Blender既能像Lightwave那樣注重品質(zhì)和特效的動畫軟件，也能使它有類似Maya和3DSMax那樣的運動模擬和仿真能力，更重要的是Blender具備了初級的VR軟件的能力。模型師，動畫師，材質(zhì)師和程序員再也不必為不同界面不同工具的導(dǎo)入導(dǎo)出和設(shè)置問題所煩惱，可以專心下來做真正重要的事情，那就是創(chuàng)作本身。

對本科階段的學(xué)生而言，創(chuàng)作是課程上最大的樂趣，也是課程中比較核心的內(nèi)容，工具和理論知識都可以在創(chuàng)作的過程中獲得。這也是教學(xué)實驗課程的核心目的。

3.3.3 創(chuàng)造多樣性學(xué)習(xí) 數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生可以用一種全新的表達方式，使他們了解并掌握新的藝術(shù)表現(xiàn)形式；軟件工程專業(yè)的學(xué)生更加有機會通過具體的需要來改造虛擬現(xiàn)實軟件的各種功能從而測試并提高他們的能力。如果不是有這樣一種可以貫穿所有知識類型的軟件，學(xué)生很難將課程理論通過作品實踐的方法便捷地綜合并展示出來。不同學(xué)科的學(xué)生發(fā)揮各自的專長，通過合作，相互學(xué)習(xí)，帶來更有深度的多樣性學(xué)習(xí)，發(fā)揮出學(xué)生更好的創(chuàng)造力。

4 虛擬教學(xué)實驗室必須選擇注重開發(fā)的軟件保持可持續(xù)發(fā)展

4.1 注重開發(fā)保持可持續(xù)發(fā)展 作為普通高校的虛擬教學(xué)實驗室，同時也必須符合快速原型開發(fā)的各個條件，選擇一款注重開發(fā)，保持可持續(xù)發(fā)展的軟件很重要。Blender在GNU公共許可下已經(jīng)發(fā)布并公開其源代碼，成為世界上開發(fā)速度和更新速度最快的3D軟件之一。

Blender有完善的API文檔和大量的線上教程，以及無數(shù)分布在全球各地的程序員為之完善。從Graphicall.com上初步的統(tǒng)計每月windows平臺上更新次數(shù)大于20次，很多核心的功能開發(fā)項目已經(jīng)被“谷歌公司”列入Google Summer Of Code托管。這是個在世界范圍內(nèi)活躍的一款軟件，具有相當潛力。

4.2 提倡開源互動學(xué)習(xí) 作為3D開源軟件Blender積極創(chuàng)導(dǎo)技術(shù)共享與開發(fā)自由的新興知識產(chǎn)權(quán)，在三維交互設(shè)計領(lǐng)域中也越來越多地被認識和應(yīng)用，特別是Blender努力提出的互動學(xué)習(xí)模式——開放性社區(qū)的全民學(xué)習(xí)。

在Blender的社區(qū)里，你可獲得大量豐富而全面的Blender免費教程和資源，使學(xué)習(xí)成為一種動力和享受，這里人人都可以是老師，參與討論和提問、互相幫助、共同進步，一種真正的開源精神，尤其適用于高校。注重開發(fā)的Blender不但開源源代碼，也同時把核心功能與核心知識一并開源了。學(xué)生通過這樣的教學(xué)實驗室的訓(xùn)練后，可以更自信地適應(yīng)不同的商業(yè)軟件進行自學(xué)，就業(yè)后對企業(yè)的培訓(xùn)也不會陌生。

5 結(jié)束語

信息技術(shù)的發(fā)展必將對高等教育帶來革命性的變革，作為高校教育中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，教學(xué)實驗室也不例外，虛擬實驗教學(xué)模式將成為未來實驗教學(xué)的重要途徑和方式。根據(jù)“技術(shù)設(shè)計為教學(xué)設(shè)計服務(wù)的原則”，基于Blender的虛擬現(xiàn)實教學(xué)實驗室無論是提高學(xué)生制作3D興趣和技能水平，還是今后的就業(yè)市場日益發(fā)展的需求前景，Blender作為三維交互設(shè)計不可或缺的工具，在高校教學(xué)實驗中已日益重要。

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