基于VRP的三維學(xué)習(xí)課件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

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(lè)、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(jì)和開(kāi)發(fā)三維學(xué)習(xí)型課件，具體介紹了其詳細(xì)過(guò)程及相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，并以《文字的起源與發(fā)展》歷史課件開(kāi)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(shì)。

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(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）008016004

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：鄧敏杰（1985-），女，河南項(xiàng)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(yáng)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(guó)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(shí)掌握較少；學(xué)生參與度低，整個(gè)課堂通常完全由教師控制調(diào)配時(shí)間，學(xué)生無(wú)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(shí)層面還大多局限于課本，課外拓展知識(shí)少，只能應(yīng)付日常考試，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(shí)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(jì)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(tīng)、動(dòng)等人機(jī)交互方式，使用者能夠及時(shí)、沒(méi)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(yíng)造了“自主學(xué)習(xí)”氛圍，使學(xué)習(xí)者可以通過(guò)與信息環(huán)境的交互作用學(xué)習(xí)到知識(shí)與技能，同時(shí)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(shí)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，三維學(xué)習(xí)課件以節(jié)省成本、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、打破時(shí)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(jì)

2.1 場(chǎng)景構(gòu)建

根據(jù)課程需要，選取合適內(nèi)容并構(gòu)建場(chǎng)景。在三維學(xué)習(xí)課件場(chǎng)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(chǎng)景，如圖1所示。

圖1 三維場(chǎng)景制作步驟

2.2 交互功能設(shè)計(jì)

在三維學(xué)習(xí)課件構(gòu)建的場(chǎng)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(gè)階段，有時(shí)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(gè)實(shí)時(shí)導(dǎo)航來(lái)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(lè)兩部分。對(duì)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(guò)程和多媒體的使用。

3 課件開(kāi)發(fā)流程和具體實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)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(dòng)畫(huà)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(dòng)畫(huà)、多媒體制作、工業(yè)建筑設(shè)計(jì)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(dòng)畫(huà)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(jì)開(kāi)發(fā)的一款面向三維美工的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，在我國(guó)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(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、旅游教學(xué)、工業(yè)仿真、地質(zhì)災(zāi)害、道路橋梁設(shè)計(jì)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(jì)、后期修飾、影像創(chuàng)意、平面設(shè)計(jì)、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(gè)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(xiàn)、置換、高光、OA貼圖，在軟件中也可對(duì)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(jiǎn)化和美化模型的效果。

（5）AutoCAD。AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是由Autodesk公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，操作較為簡(jiǎn)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(kāi)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(tái)等顯著優(yōu)勢(shì)，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(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、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(chǎng)景構(gòu)建

（1）建模。在模型構(gòu)建過(guò)程中，主要用到的三維建模方法有：①多邊形建模；②樣條線(xiàn)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(shí)，對(duì)于一些對(duì)稱(chēng)性模型，可先以1/4或1/2等建筑建模后再對(duì)稱(chēng)，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(jiǎn)模型，刪去重復(fù)面和閃爍面，同時(shí)刪除冗余的點(diǎn)或線(xiàn)，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(duì)于模型的UV處理主要用到兩個(gè)修改器：UVW貼圖和UVW展開(kāi)。為提高貼圖的利用效率，在UVW展開(kāi)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(shí)要使展開(kāi)的UV具有調(diào)理性，相同大小、紋理的面可進(jìn)行重合對(duì)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(jiǎn)單、單一的面可以縮小其在UVW貼圖中所占面積，然后使展開(kāi)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(zhǎng)、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(kāi)貼圖如圖2所示。

圖2 主體建筑UVW展開(kāi)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(chǎng)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(kāi)貼圖導(dǎo)出后，在Photoshop中打開(kāi)，以其邊框線(xiàn)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(kāi)面板中拾取紋理，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)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(xiàn)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(chǎng)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(gè)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(duì)應(yīng)部分的材質(zhì)貼圖。需要注意的是，導(dǎo)出的法線(xiàn)貼圖需要賦給材質(zhì)編輯器的凹凸貼圖，以模擬真實(shí)場(chǎng)景材質(zhì)的凹凸效果。玻璃類(lèi)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(duì)其進(jìn)行分組和組合以避免在VRP中出現(xiàn)場(chǎng)景模型分布散亂而且部分分離的現(xiàn)象。同時(shí)，在導(dǎo)入過(guò)程中需要對(duì)貼圖進(jìn)行控制和調(diào)整，否則會(huì)出現(xiàn)貼圖無(wú)法顯示的情況，對(duì)于此問(wèn)題的解決辦法為：①在烘焙貼圖時(shí)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(lái)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(xiàn)等命令增強(qiáng)貼圖色調(diào)的明暗對(duì)比，或在VRP中對(duì)貼圖進(jìn)行色彩調(diào)整。將該課件的Max主建筑場(chǎng)景導(dǎo)入VRP，效果如圖4所示。

圖4 將主建筑場(chǎng)景導(dǎo)入到VRP中的效果

將在Max制作的場(chǎng)景導(dǎo)入到VRP中時(shí)可以使用Max中的VRP插件，此插件可以將場(chǎng)景中的模型及貼圖保存成VRP場(chǎng)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(shí)首先要對(duì)課件包含內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，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(duì)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(jì)步驟[5]。將賦過(guò)材質(zhì)的場(chǎng)景整合后導(dǎo)入VRP，進(jìn)行交互功能設(shè)計(jì)，主要包括導(dǎo)航圖設(shè)計(jì)、多媒體嵌入和視音頻交互設(shè)計(jì)。

（1）導(dǎo)航圖設(shè)計(jì)。導(dǎo)航圖是對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)課件進(jìn)行反饋與控制，對(duì)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(guò)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(lè)、解說(shuō)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(duì)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度有一個(gè)整體把握。使用VRP中自帶的抓圖功能，抓圖整個(gè)場(chǎng)景，并導(dǎo)入Photoshop，設(shè)置Alpha透明通道，同時(shí)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(duì)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(guò)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(kāi)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(shí)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(duì)音頻的播放控制。

（3）視音頻交互設(shè)計(jì)。視頻主要是關(guān)于部分學(xué)習(xí)知識(shí)和文字學(xué)習(xí)背景的講解。通過(guò)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(shí)，同時(shí)配合三維學(xué)習(xí)課件主建筑內(nèi)部相關(guān)場(chǎng)景或物件，學(xué)習(xí)者對(duì)所學(xué)內(nèi)容會(huì)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(lè)和解說(shuō)詞兩部分，解說(shuō)詞主要是對(duì)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(lè)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(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，停止先前觸發(fā)內(nèi)容即視音頻的播放。

4 課件測(cè)試

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

測(cè)試環(huán)節(jié)主要分兩部分：開(kāi)發(fā)人員測(cè)試和學(xué)習(xí)者測(cè)試。開(kāi)發(fā)人員測(cè)試內(nèi)容主要是對(duì)場(chǎng)景漫游和交互功能的測(cè)試。由于開(kāi)發(fā)人員把握了整個(gè)三維學(xué)習(xí)課件的場(chǎng)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(cè)場(chǎng)景運(yùn)行是否正常或交互是否實(shí)現(xiàn)，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

測(cè)試調(diào)整后，則需要學(xué)習(xí)者對(duì)課件進(jìn)行測(cè)試，包括對(duì)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過(guò)程、學(xué)習(xí)效果的測(cè)試。因?qū)W習(xí)者對(duì)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(guò)課件的學(xué)習(xí)可以了解并掌握該部分知識(shí)，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)課件中的不足，并反饋給開(kāi)發(fā)人員，再進(jìn)行修改、完善。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)程中的作用日益顯著，因而開(kāi)發(fā)三維學(xué)習(xí)課件的重要性也愈加凸顯。本文開(kāi)發(fā)的三維學(xué)習(xí)型課件對(duì)文字起源與發(fā)展方面的知識(shí)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(shí)。

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(lèi)產(chǎn)品，對(duì)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(chǎng)景中的互動(dòng)演示彌補(bǔ)了二維課件，擴(kuò)大了知識(shí)容量，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)技能，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛毅靜.虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺(jué)文化意涵[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2013（1）：813.

[2] 高義棟，李曼曼.基于UDK引擎的圖書(shū)館虛擬漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（10）：121126.

[3] 夏蕾.3Ds Max在城市虛擬現(xiàn)實(shí)建模中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2013（10）：126128.

[4] 高義棟，楊小飛.虛擬導(dǎo)游實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中交互功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——以《比干廟導(dǎo)游實(shí)訓(xùn)VR教學(xué)平臺(tái)》為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013（5）：117121.

[5] 杜麗，林筑英，尹兵.網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)游戲開(kāi)發(fā)中的VR技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2011（7）：7680.

（責(zé)任編輯：孫 娟）