現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)中V-Ray渲染器的應(yīng)用探索

徐磊+徐金帥+焦博+許濱

摘 要：V-Ray渲染器是一款專業(yè)的3D渲染引擎，運(yùn)用它可以生成質(zhì)量高真實(shí)感強(qiáng)的圖象。它由Chaos Group和Asgvis公司出品，在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域三維模型和后期材質(zhì)的處理上得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。在場景中使用該渲染器能夠獲得更加準(zhǔn)確的光能分布，獲得更快的渲染速度，模擬光線的反射和折射更加逼真。在對V-Ray渲染器的特征及功能分析的基礎(chǔ)上，從V-Ray渲染器應(yīng)用于起重機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本原則及新技術(shù)對傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響等方面，探討了V-Ray渲染器在起重機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中運(yùn)用的技術(shù)路徑及設(shè)計(jì)框架。

關(guān)鍵詞：繼續(xù)教育；V-Ray渲染器；起重機(jī)械；課程建設(shè)

中圖分類號：G726 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

科技進(jìn)步及各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用為人類的生產(chǎn)和生活方式帶來了諸多變化。尤其是近年來以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、互聯(lián)網(wǎng)為支撐的信息技術(shù)的發(fā)展， 推動(dòng)了世界的活力與互動(dòng)， 使人類有了前所未有的關(guān)聯(lián)，也為教育全球化發(fā)展增添了一股新的重要?jiǎng)恿Α?/p>

同時(shí)，在軟件的應(yīng)用與開發(fā)方面， 工具性軟件的作用更為突出，人們能運(yùn)用它們成功的描繪自身可能想象到的任何事物， 并將其以仿真模擬立體三維的形式展現(xiàn)出來?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的潛力和優(yōu)勢， 本文將探討V-Ray渲染器在現(xiàn)代遠(yuǎn)程繼續(xù)教育起重機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中的應(yīng)用。

一、V-Ray渲染器的介紹和功能特點(diǎn)

三維模型的真實(shí)感渲染一般是指把用戶提供的建模與設(shè)置的照明以及材質(zhì)、背景等各種素材綜合到一起，制作成一個(gè)具有光影效果的圖像文件。該圖像文件必須經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件對模型的綜合計(jì)算（渲染）才能制作出來。

目前全球出色的渲染器有下面幾種，如：Chaos Software公司的V-Ray、SplutterFish公司的brazil、Cebas公司的Finalrender、Autodesk公司的Lightscape等。這幾款渲染器都各有其特點(diǎn)，但V-Ray的靈活性、易用性更加突出，而且V-Ray還被業(yè)內(nèi)譽(yù)為焦散之王。V-Ray for 3dmax是3dmax的超級渲染器，是專業(yè)渲染引擎公司Chaos Software公司設(shè)計(jì)制作的擁有Raytracing（光線跟蹤）和Global Illumination（全局照明）渲染器，用來替代Max原有的Scanline render（線性掃描渲染器），V-Ray還包括了其他增強(qiáng)性能的特性，包括真實(shí)的3d Motion Blur（三維運(yùn)動(dòng)模糊）、Micro Triangle Displacement（級細(xì)三角面置換）、Caustic（焦散）、通過V-Ray材質(zhì)的調(diào)節(jié)完成Subsuface scattering（次表面散射）的效果、和Network DistributedRendering（網(wǎng)絡(luò)分布式渲染）等等。V-Ray特點(diǎn)之一就是渲染速度快（比FinalRender的渲染速度快20%），目前許多設(shè)計(jì)公司都使用它來制作產(chǎn)品效果圖，就是看中了它渲染速度快效果好的優(yōu)點(diǎn)。V-Ray是一種結(jié)合了光線跟蹤和光能傳遞的渲染器，其真實(shí)的光線計(jì)算可以創(chuàng)建出專業(yè)的照明效果?？捎糜诠I(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、展示設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。

二、以V-Ray渲染器技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本原則

（一）專業(yè)性與場景性相結(jié)合

專業(yè)性與場景性是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特征。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)操作能力為核心，而專業(yè)操作能力的培養(yǎng)需要在一定工作場景下進(jìn)行。因此，以V-Ray渲染器技術(shù)為依托的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)注重專業(yè)分析與調(diào)研，以真實(shí)作業(yè)任務(wù)及其作業(yè)過程為依據(jù)，整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸性的特點(diǎn)，突破時(shí)空限制，構(gòu)建出適合教學(xué)任務(wù)的多種沉浸式教學(xué)環(huán)境，真實(shí)地再現(xiàn)和模擬起重機(jī)作業(yè)場景，將專業(yè)的學(xué)習(xí)置身于一定的場景之中，融“教、學(xué)、做”為一體，使學(xué)習(xí)能適應(yīng)不同的場景，在實(shí)際工作中能有更廣泛的遷移，使專業(yè)性與場景性相結(jié)合。

（二）交互性與典型性相結(jié)合

隨著科學(xué)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)用的不斷深入，在設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分利用以V-Ray渲染器技術(shù)為依托的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的交互性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多協(xié)作、高互動(dòng)的教學(xué)活動(dòng)，充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的認(rèn)知參與，培養(yǎng)協(xié)同解決問題的能力，使學(xué)生在虛擬教學(xué)環(huán)境中完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。同時(shí)，在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的過程中，應(yīng)選擇典型、主流、先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，掌握完成相應(yīng)工作任務(wù)或解決較復(fù)雜的綜合性問題的設(shè)計(jì)方法和操作技巧，從而更好地適應(yīng)將來實(shí)際工作的要求。做到交互性與典型性相結(jié)合。

（三）知識性與趣味性相結(jié)合

知識性是指學(xué)生需要掌握的專業(yè)知識、職業(yè)技能和操作方法。合理利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以較好地體現(xiàn)知識性。趣味性是指實(shí)驗(yàn)教學(xué)所具有的吸引力和感染力，趣味性既是學(xué)習(xí)者認(rèn)知與行為特點(diǎn)的要求，更是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本特征。趣味性的關(guān)鍵是學(xué)習(xí)者的積極參與和有效反饋，能夠“因材施教”。這對于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理利用V-Ray渲染器技術(shù)為依托的的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互性的構(gòu)想性特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和心理發(fā)展水平，針對教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)實(shí)踐教學(xué)情境，營造寬松學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生思維和想象的空間，幫助他們掌握起重機(jī)械專業(yè)知識，落實(shí)和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的知識性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

三、現(xiàn)代遠(yuǎn)程繼續(xù)教育起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以現(xiàn)代遠(yuǎn)程繼續(xù)教育起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)的虛擬化和信息化為目標(biāo)，采用不同的建模方法和優(yōu)化技術(shù)，創(chuàng)建三維模型庫。在軟件工程設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，遵循結(jié)構(gòu)化、模塊化、層次化的原則，開發(fā)三維起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

（一）材質(zhì)貼圖的處理

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)對所起重機(jī)作業(yè)場景進(jìn)行實(shí)地考察，進(jìn)行大量的拍照和精細(xì)圖紙繪制工作環(huán)境，并通過圖片處理軟件對貼圖進(jìn)行處理?？梢圆捎肁dobe公司出版Photoshop CS5，根據(jù)設(shè)備、環(huán)境場景對圖片的分辨率和精度的不同要求，將采集的圖像進(jìn)行大小調(diào)整、雜質(zhì)去除、亮度、對比度調(diào)節(jié)和銳化等效果處理，制作起重機(jī)模型的材質(zhì)貼圖。endprint

（二）三維場景的構(gòu)建

1.三維建模

三維模型制作在3DMAX中，利用多邊形建模技術(shù)，根據(jù)制作的起重機(jī)三維模型確定起重機(jī)作業(yè)的具體位置，認(rèn)真觀察現(xiàn)場照片確定起重機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用自下向上的方法制作。制作時(shí)，要對形體高度的概括，大力控制面的數(shù)量，消除多余的多邊型面，降低整個(gè)起重機(jī)作業(yè)場景的復(fù)雜度，做到形體準(zhǔn)確、概括、數(shù)據(jù)量小，從而降低場景實(shí)時(shí)渲染的復(fù)雜度，保證系統(tǒng)能夠流暢運(yùn)行。圖1是起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。

2.場景優(yōu)化

虛擬展示系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)逼真地模擬起重機(jī)作業(yè)環(huán)境，考慮到硬件的限制和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求，虛擬展示系統(tǒng)的建模應(yīng)當(dāng)遵循一個(gè)原則：在能夠保證視覺效果的前提下，盡量采用比較簡單的模型。因此在創(chuàng)建場景時(shí)進(jìn)行模型優(yōu)化很重要，建模時(shí)主要采用以下方法：一是刪除隱藏面。在場景中的對象里刪除看不見的面。起重機(jī)模型的結(jié)構(gòu)有些部分是不可見的，這些面對于顯示效果沒有幫助，但是會(huì)消耗系統(tǒng)資源。同時(shí)在有關(guān)視覺設(shè)計(jì)方面不要試圖獲取非常高的精確度。二是減少分段數(shù)。減少面的數(shù)量的最簡單的方法就是在所建立的基本幾何體中減少分段數(shù)。在3DMAX中對起重機(jī)部件建模，基本幾何體中分段數(shù)的默認(rèn)設(shè)置將生成過多的面?？梢越⒒編缀误w后，轉(zhuǎn)到Modify面板調(diào)整減少分段數(shù)。在滿足要求的前提下，應(yīng)盡量減少模型的點(diǎn)數(shù)、段數(shù)，不要過于苛求細(xì)節(jié)部位，盡可能使用模擬的幾何體。三是使用紋理貼圖。起重機(jī)各部件模型的有些細(xì)節(jié)可以運(yùn)用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)，盡管使用紋理貼圖增加了下載時(shí)間和屏幕重畫時(shí)間，但這比給起重機(jī)作業(yè)場景建造細(xì)節(jié)的代價(jià)要小得多。好的紋理貼圖能使虛擬場景看起來栩栩如生。通過在圖形上使用不同的紋理貼圖以及改變尺寸和方向，可以使起重機(jī)作業(yè)場景看起來與實(shí)際形狀不同。

（三）烘焙場景的完善

為了保證烘焙后的顯示效果，烘焙前還要做一些前期的工作：更改重名模型和檢查模型破面、重面等現(xiàn)象。首先設(shè)置V-Ray為當(dāng)前渲染器，在渲染場景對話框中的常規(guī)選項(xiàng)卡中，展開指定渲染器卷展欄，然后單擊產(chǎn)品后的按鈕，緊接著在彈出的選擇渲染器對話框中，選擇V-Ray渲染器，最后單擊OK按鈕。這時(shí)，V-Ray渲染便被指定為當(dāng)前激活使用的渲染器。在將V-Ray渲染器設(shè)置成當(dāng)前激活渲染器之前，用戶需要確定已安裝了V-Ray渲染器插件，否則將無法激活V-Ray渲染器。

一般來說，紋理圖越大渲染的效果就越好。烘焙紋理也是一樣，烘焙紋理的大小直接影響最終效果。但紋理過大，對計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源的消耗也就越大，渲染速度也就相對變得很慢。因此，對于一個(gè)復(fù)雜的起重機(jī)作業(yè)場景，需要有計(jì)劃地烘焙設(shè)置，即表面積比較大的、多邊形面復(fù)雜的應(yīng)優(yōu)先考慮使用較大的紋理尺寸，次要的物體可以適當(dāng)?shù)亟档秃姹簳r(shí)的紋理尺寸。這樣便可節(jié)約有限的系統(tǒng)資源，從而獲得高質(zhì)量的烘焙效果。

（四）三維場景中影響渲染設(shè)置的因素分析

1.圖像抗鋸齒采樣器對渲染速度的影響

V-Ray渲染器具有固定圖像采樣器、自適應(yīng)準(zhǔn)蒙特卡羅圖像采樣器和自適應(yīng)細(xì)分圖像采樣器三種采樣器可供選擇，每一種采樣器具有各自的作用。根據(jù)起重機(jī)作業(yè)三維場景的特點(diǎn)，合理選擇采樣器，達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，在提高渲染圖像的品質(zhì)的同時(shí)，減少渲染時(shí)間。在大型三維場景的渲染中，自適應(yīng)準(zhǔn)蒙特卡羅圖像采樣器的渲染速度是最快的；固定圖像采樣器渲染速度稍慢，而占用內(nèi)存也相對較少；自適應(yīng)細(xì)分圖像采樣器渲染速度最慢，占用內(nèi)存最多。根據(jù)起重機(jī)各部件的圖像特性選擇不同的采樣器，就可以保證圖像的品質(zhì)及渲染速度。

除了上述三種圖像采樣器以外，V-Ray還有十四種抗鋸齒過濾器可供選擇，采用不同的抗鋸齒過濾器對渲染速度也會(huì)有相應(yīng)的影響，因此在渲染出圖時(shí)，可以使用默認(rèn)區(qū)域方式，然后將圖像的銳化等工作留到后期處理時(shí)，也可以提高渲染工作的效率。

2.全局光引擎對渲染速度的影響

V-Ray渲染器具有發(fā)光貼圖渲染引擎、光子貼圖渲染引擎、準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎和燈光緩沖渲染引擎等四種不同的全局光渲染引擎，每種貼圖渲染引擎具有各自的特點(diǎn)和適用場合。

發(fā)光貼圖渲染引擎是基于發(fā)光緩存的計(jì)算方式，僅計(jì)算場景中可以看到的面，而其他的不去計(jì)算，計(jì)算速度比其他幾種引擎快一些，特別適合有大量平坦表面區(qū)域的場景。

光子貼圖渲染引擎是建立在從光源發(fā)出的并能在場景中來回反彈的一種光線粒子。它一般用于場景中近似值的計(jì)算，主要用在第二反彈里，可以讓整個(gè)起重機(jī)的作業(yè)場景變得更逼真。

準(zhǔn)蒙特卡羅渲染引擎是最簡單的一種渲染引擎，它只有兩個(gè)參數(shù)，單獨(dú)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的GI，所以渲染速度非常慢，但是效果特別好。它能夠保護(hù)間接照明中所有的細(xì)節(jié)，尤其是在具有大量細(xì)節(jié)的場景中，對于運(yùn)動(dòng)模糊的計(jì)算也特別精準(zhǔn)。

燈光緩沖渲染引擎是類似于場景中全局光照明的技術(shù)，設(shè)置比較簡單，與發(fā)光貼圖正好是相反的，是逆向的，僅需追蹤攝像機(jī)可見的光線，適合室內(nèi)外場景的渲染。對于燈光的類型沒有限制，幾乎支持所有類型的燈光，預(yù)覽效果也特別快，它可以獨(dú)立完成對整個(gè)起重機(jī)作業(yè)場景的GI照明，也可以配合其他貼圖做二次反彈，能夠處理非常細(xì)小的物體和角落。

V-Ray在使用及功能等方面比其他大多數(shù)三維渲染軟件更加優(yōu)秀，然而在功能強(qiáng)大而完善的背后是紛繁復(fù)雜的參數(shù)，所以要掌握此渲染器對起重機(jī)作業(yè)場景的模擬，首先要深入了解各個(gè)重要參數(shù)的功能。在V-Ray中影響渲染設(shè)置的因素涉及到諸多方面，渲染的品質(zhì)和速度是由各種因素及參數(shù)決定的，考慮不同的因素，采用不同的參數(shù)，就會(huì)得出不同的渲染效果，而這些因素又會(huì)彼此影響、互相制約。

四、結(jié)語

起重機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于3dsmax，Photoshop以及After Effects進(jìn)行制作合成。運(yùn)用3dsmax軟件創(chuàng)建起重機(jī)作業(yè)的實(shí)體模型，環(huán)境模型及設(shè)備模型，通過IK動(dòng)畫關(guān)聯(lián)將起重機(jī)的安裝、吊裝、拆卸動(dòng)作與實(shí)物關(guān)聯(lián)，結(jié)合鏡頭追蹤技術(shù)以及延時(shí)攝像技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中通過攝像機(jī)拍攝出來的視頻效果。掌握V-Ray渲染器的特點(diǎn)和用途，將V-Ray渲染器技術(shù)引入現(xiàn)代遠(yuǎn)程繼續(xù)教育起重機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中，制作優(yōu)秀的起重機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，突破了學(xué)習(xí)過程的時(shí)間和空間的限制，有助于實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)開展，提高實(shí)驗(yàn)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)將“理論、設(shè)計(jì)、操作、驗(yàn)證”融為一體，可有效地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]王秀萍，程文明，梁曉波等.基于VR的起重運(yùn)輸機(jī)械培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（7）.

[2]練恒青.V-Ray渲染器在三維動(dòng)畫場景中的運(yùn)用[J].科技廣場，2012（1）.

[3]陳曉青，王少偉.基于Unity的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用[J].技術(shù)應(yīng)用，2011（12）.

[4]于明.基于VRP的三維樓盤漫游系統(tǒng)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2013（9）.

[5]覃志浩.淺談優(yōu)化V-Ray 渲染在制作三維場景的應(yīng)用研究[J].廣西水利水電，2011（6）.

[6]王金崗.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011（23）.endprint