ＶＲＭＬ技術在廣電實驗教學中的應用研究

李　靜

摘 要:VRML是面向Web的虛擬現(xiàn)實技術,在互聯(lián)網(wǎng)平臺上利用VRML技術開展廣電實驗教學是真實實驗最好的補充。本文分析了廣電單個設備與系統(tǒng)設備在構建VRML實驗方面的異同,從兩個方面給出了構建虛擬實驗環(huán)境的建模、交互設計、編程、發(fā)布的技術與方法。

關鍵詞:廣電單個設備 廣電系統(tǒng)設備 VRML Cult3d

中圖分類號:G434 文獻標識碼:A 文章編號:1673-8454(2009)15-0085-04

一、解讀VRML技術

VRML是虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language)的簡稱,本質(zhì)上是一種面向Web、面向對象的三維造型解釋性語言。VRML不僅支持數(shù)據(jù)和運動過程的三維表示,而且能提供實時的聲音效果。用戶能走進視聽效果十分逼真的虛擬世界,運用多種交互技術(如視、聽、觸、操縱、感知等)對虛擬對象表達自己的觀點,同虛擬環(huán)境中的實體相互作用,從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。這種先進的數(shù)字化人機接口技術已被廣泛應用于軍事、制造、城市規(guī)劃、地理信息系統(tǒng)、醫(yī)學生物、教育培訓、文化娛樂等領域。[1]

VRML技術有三個基本特征:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、構想(Imagination)。沉浸是指VRML向使用者提供的場景一如真實的三維世界,用戶進入虛擬場景獲得身臨其境的感受。作為場景中的一員,用戶可以運用交互手段變換自己的視角、操縱其中的設備、聆聽其中的聲音、感受其中振動等,用戶置身虛擬場景由內(nèi)向外觀察,而不是作為一個旁觀者由外向內(nèi)觀察,從而更逼真地觀察或操縱所研究的對象;交互是指VRML虛擬現(xiàn)實場景中的影像、運動、聲音、壓力等通過人機接口系統(tǒng)作用到使用者的感官,并通過傳感器測試及跟蹤使用者的行為實時進行雙向互應;構想是指VRML向使用者提供了發(fā)揮想象力的機制,它改變了過去用戶只能從定量計算中得到啟發(fā)的模式,開創(chuàng)了用戶可以從定性和定量綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認識,達到深化概念并激發(fā)用戶創(chuàng)造性的目的。[2]

二、廣電實驗教學迫切需要VRML技術

廣電專業(yè)是理論與實踐并重的專業(yè),實踐教學非常重要。新聞制作課程實踐教學前期要用到各種攝像設備,如攝像機、搖臂、升降臺、軌道、特技機等;后期要用到錄音卡座、調(diào)音臺、非線編系統(tǒng)、字幕機等;高年級專業(yè)實踐教學中要用到演播廳、視音頻信號系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、導播通訊系統(tǒng)、信號發(fā)射接收系統(tǒng)、存儲系統(tǒng);開路電視節(jié)目播出系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng);閉路電視衛(wèi)星信號調(diào)制接收系統(tǒng)、有線電視前端設備等等。目前廣電專業(yè)實踐教學面臨著兩方面的問題:

一是投資大、設備損耗嚴重?；A實驗室需要規(guī)模,專業(yè)實驗室的設備需要檔次。作為基礎實驗,一臺普通的教學攝像機(如Panasonic MD10000)大約需要七千元,一臺兼容電腦加一塊準專業(yè)級的非編卡要一萬多元,一個中等規(guī)模的基礎實驗室需要一百多萬元;專業(yè)實驗室器材更是昂貴,一臺專業(yè)攝像機(如Panasonic Pro50)十幾萬元,一套專業(yè)非編設備幾十萬元,一個小型演播廳上百萬元。上述各種系統(tǒng)設備,即使每種設備各購一套,也是幾百萬元的投入。由于教學實驗使用頻率高,設備損耗嚴重,加之維修不便,導致教學保障性困難。

二是實驗時間問題。目前的教學活動大都安排在八小時之內(nèi),而學生們有大量的業(yè)余時間,比如雙休日、節(jié)假日等卻無法進行實驗。

VRML用于實驗教學,一是解決了設備消耗問題,二是解決了實驗時間問題。因為用VRML開發(fā)的同一個實驗系統(tǒng)可以同時多人多機使用,沒有實質(zhì)性的設備消耗,沒有時間限制。也就是說VRML用于廣電實驗教學不僅能為我們節(jié)約大量的資金,更能為我們的學習帶來極大的便利。如果能集中人力物力,開發(fā)出完整的廣電設備實驗系統(tǒng),對教學的作用將是巨大的。

三、利用VRML技術開展和推廣廣電實驗教學

VRML用于廣電實驗教學,簡單地可以分為兩大類,一類是單個設備的模擬,另一類是系統(tǒng)設備的模擬。這兩類實驗系統(tǒng)的開發(fā)是不一樣的,前者著重于單個設備的操作,如參數(shù)的設定、各部件的標識、各種開關及旋鈕的意義與使用方法、運行中各種狀態(tài)的識別、使用設備的過程、設備保養(yǎng)等等;后者著重強調(diào)系統(tǒng)性能,包括場景的構建、系統(tǒng)中各種設備的依存、設備間的通訊與協(xié)同關系、系統(tǒng)的整體運行效果等。由于廣電設備繁雜,要投入較多的人力物力來開發(fā),應將開發(fā)團隊進行分組,可分為建模組、交互設計組、美工組、網(wǎng)絡技術組,統(tǒng)籌設計、分工協(xié)作。

VRML開發(fā)首先是建模,即在三維設計軟件中制作三維模型,包括三維場景和三維設備模型,目前三維建模方面成熟的軟件有3dsmax、Maya和Softimage,這三個軟件功能上各有所長,但在三維動畫設計領域,Discreet公司的3D Studio Max是當今最為暢銷的三維動畫和建模軟件,它集實體造型、靜態(tài)著色和動畫創(chuàng)作于一體,在國際國內(nèi)擁有最大的用戶群,從園林設計到小區(qū)規(guī)劃、室內(nèi)裝飾、室外建筑、影視動畫等領域都有極為出色的表現(xiàn),而且易于學習,在3dsmax中完成的模型和動畫可以方便地生成中間產(chǎn)品,便于后續(xù)開發(fā);其次是交互設計,網(wǎng)絡交互制作選用Cult3d,Cult3d是瑞典Cycore公司的產(chǎn)品,它能在計算機平臺上虛擬物體的形狀、顏色、功能、特效等,其最大特點是具有良好的交互性,Cult3d制作的產(chǎn)品可以在計算機網(wǎng)絡平臺上方便地進行各種交互,如旋轉、縮放、平移等,它提供了鼠標、按鍵、事件觸發(fā)等交互操作。除物體運動外,還為場景提供了聲音、動畫播放的支持。Cult3d制作的產(chǎn)品除發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上外,還可發(fā)布到Adobe Acrobat、Powerpoint、Director、Authorware等軟件中。[3]Cult3d是現(xiàn)代廣泛應用于Web3D的新技術,具有高壓縮、強交互、跨平臺的優(yōu)點,雖然它是一個可視化軟件,但一般制作卻無需編程,尤為重要的是它提供了強大的腳本編程接口,對于復雜靈活的場景交互可以通過JAS腳本編程技術來實現(xiàn),最后生成的產(chǎn)品可用于Dreamweaver進行二次開發(fā)或直接發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上;最后是網(wǎng)頁設計,我們選用Dreamweaver。

1.VRML構建廣電單個實驗設備的設計

廣電單個設備,根據(jù)實驗教學中設備的使用屬性,廣電實驗教學設備大致可由廣電實驗教學設備名稱及分類表來表示(如表1所示)。

(1)廣電單個設備的建模

廣電單個設備的建模,首先是測量與拍照,測量的目的是為建模服務的,要盡可能準確,測量不準會導致三維建模的比例失真,降低模型的真實感。靜態(tài)拍照是為三維建模準備紋理貼圖,拍照要在燈光柔和、亮度適宜、無影的環(huán)境下進行,有條件的可直接在演播室拍照,注意設備的各部件清晰,受光均勻,陰影應在三維建模中運用燈光完成。由于三維模型中色彩與材質(zhì)光照有關,逼真的色彩只能在三維場景中構建。三維建模中要完成的任務是:建模、材質(zhì)、燈光、攝像機、運動,最終導出模型文件。建模的原則是盡量減少面的個數(shù),不必太過精細,太精細會影響渲染速度,盡量多地采用標準建模,對于具有較為復雜、光滑曲面的設備(如:攝像機、話筒等)可采用NURBS無縫建模,建模時要考慮到模型層級間的依存關系及物體重心的設定,這是構造逼真運動不可缺少的關鍵技術,建模完成后要在3dsmax和Cult3d中進行模型優(yōu)化,最大程度地減少面的個數(shù),所有這些都是為了提高網(wǎng)絡實時顯示的速度。材質(zhì)的設定應以貼圖為主材質(zhì)為輔,材質(zhì)以基本屬性為主,盡量不用反射與折射,非用不可的地方用假反射替代,因為真實的反射與折射會消耗大量的系統(tǒng)時間,復雜紋理應使用貼圖完成,簡單而重復的紋理也可在Cult3d中通過JAS編程來實現(xiàn)。單個設備的建模中燈光只是為了再現(xiàn)逼真的圖象,不必考慮陰影,用常規(guī)燈光就可以了,也可以采用稀疏的燈光矩陣,如果不得已用到了光學度燈光或是天光陽光,并打開了全局光照,就要使用貼圖烘焙技術與貼圖展平技術來提高顯示速度。攝像機的運用要考慮到Cult3d同一時刻只支持一臺攝像機,多角度觀察可采用多攝像機切換或使用實體旋轉的方式來完成,攝像機的焦距要以自然人的視角為依據(jù),超廣角的使用會導致物體失真。運動是VRML中最為精彩實用的部分,所有運動的設定都不宜太長,以不超過五秒為宜,為了便于在后續(xù)制作中調(diào)用,考慮到Cult3d不能很好地識別中文名稱,所有運動應采用英文命名,運動時要以頂層物體帶動下層物體運動的方式完成,旋轉物體的運動要考慮到物體重心的位置,這些都要事先在建模時考慮到,以免半成品翻工重來。所有提示性信息可在后期制作中完成,三維建?？刹槐乜紤]。

(2)單個設備的交互設計

單個設備的交互設計不同于系統(tǒng)設備的交互,它著重于單件設備本身的屬性理解與操作,交互行為分為以下幾種:

1)設備的整體控制。如設備的旋轉、縮放與平移。利用這些行為可以方便地看清物體的各個側面及更小的子物體,以便了解它們的屬性并對其操作。

2)部件的操作?？捎檬髽嘶蜴I盤對各個部件進行操作,如打開和關閉攝像機帶倉、按下或彈起拍攝按鈕、調(diào)整攝像機焦距、操縱升降臺上升或下降、操縱切換臺并觀察輸出信號等。

3)播放動畫。如打開攝像機就能看到被拍攝的畫面,調(diào)整焦距視窗畫面就會放大或縮小,單擊打開帶倉按鈕帶倉連同磁帶就會運動并彈出磁帶,按下特技切換按鈕相應的信號與特技即合成節(jié)目輸出畫面等等。

4)聲音操作。廣電設備虛擬實驗離不開聲音處理,應先將相關操作的聲音、節(jié)目播放的聲音、各路原聲及合成的效果聲提前錄制好,以*.wav格式保存,Cult3d可以直接導入聲音,聲音事件可由鼠標或按鍵方式觸發(fā),在調(diào)聲臺、錄聲卡座與話筒的實驗中是必不可少的。

5)時序操作,應精確記錄各種操作過程需要的時間,并注意到操作的先后順序,VRML中精確的時序控制可用計時器事件及時間線來完成。

(3)單個設備的美工

好的產(chǎn)品離不開美工,單個設備美工首先要考慮的是設備的各部分比例是否和實體一致,顯示的紋理和色彩與實體的差異是否在允許的范圍內(nèi),這方面的問題可與建模組協(xié)同解決。其次是要設計好虛擬設備的切入角度以便于觀察,襯托背景的設計是要花一些時間的,要考慮背景的選擇與實驗設備的相容性,太強的對比會使人產(chǎn)生疲勞,太弱的對比又模糊不清,色彩與畫面的設計中還要考慮到文字及提示信息的顯示,選用適宜的字體字號及顏色有助于提高畫面的美感,所有這些都離不開精良的美工。

(4)網(wǎng)頁設計與編程

雖然Cult3d可以方便地在Adobe Acrobat、Powerpoint、Director、Authorware等軟件中發(fā)布,但考慮到目前互聯(lián)網(wǎng)是最好的學習平臺,還是應該利用Dreamweaver強大的網(wǎng)絡功能進行后期制作并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)為宜。Dreamweaver不僅有強大的網(wǎng)頁編輯功能,更重要的是它支持JAS腳本編程,并易于嵌入由Cult3d生成的*.co文件,雖然Cult3d本身具有局限性,但Cult3d Designer提供了方便的Java接口, 可以對它的功能進行擴展,如要對實驗設備進行更復雜更靈活的控制,就必須使用Java編程或用JAS腳本編程來實現(xiàn)。

Dreamweaver中主要進行兩方面的設計,一是靜態(tài)部分,如網(wǎng)頁界面、文字與圖象。另一部分是動態(tài)設計。前者使用靜態(tài)網(wǎng)頁實現(xiàn),后者配合Cult3d中Java動作使用JAS編程來完成。設備各部件的標識在靜態(tài)網(wǎng)頁中設計比較方便,復雜設備可以分畫面完成,設計時如果說明性文字太多,可考慮使用指向性箭頭和重疊文字框來避免畫面的零亂。設計中還應為實驗操作開辟獨立的空白頁面,這樣不僅便于操作和觀察結果,更重要的是獨立的頁面能讓操作者注意力集中。

由于廣電設備的多樣性與復雜性,應為VRML實驗教學配備專門的服務器,盡管大部分實驗教學內(nèi)容在客戶端就可以完成,但復雜靈活的腳本程序離不開服務器的支持。

2.VRML構建系統(tǒng)實驗環(huán)境的設計

系統(tǒng)設備是相對于單個設備而言的,在廣電教學過程中,系統(tǒng)設備比單個設備顯得更加重要,如燈光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、導播通訊系統(tǒng)、演播廳信號系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、非線編系統(tǒng)、有線電視前端系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)等等,每一個系統(tǒng)都是由許多單個設備協(xié)同工作組成的,VRML設計系統(tǒng)實驗教學時,重要的是考慮系統(tǒng)中各設備的協(xié)同工作并關注其整體性能,默認操作者已經(jīng)熟練掌握了構成系統(tǒng)的單個設備的操作。

(1)系統(tǒng)場景與設備的建模

系統(tǒng)場景建模前也需要實地測量,場景模型必須與實驗室已有的場景大小及配置相一致,只有與實景相一致的場景才能讓學生產(chǎn)生共鳴,真正達到身臨實境的感覺,場景的建模以粗線條為宜,只要比例適當就行了,以小型直播演播廳攝錄信號系統(tǒng)場景為例,作為獨立的子系統(tǒng),不必考慮燈光與音響以免主體不突出。相應的舞臺、背景、道具易簡不易繁,重要的是根據(jù)演播廳的大小,安排好機位、軌道車、搖臂、現(xiàn)場音響設備、導播切換臺以及后續(xù)實時字幕疊加合成與傳輸設備。組成系統(tǒng)的各部件的建模與單個設備的建模也是不一樣的,比如攝像機,只要創(chuàng)建粗線條的模型就可以了,里面開關、按鈕、帶倉等都可以忽略。導播切換臺只要創(chuàng)建其輸入輸出監(jiān)視連接畫面,而不必將其本身的細節(jié)做得十分清楚,因為大的場景強調(diào)的是整體功能,組成系統(tǒng)的各個設備按指令工作,我們關注的是它能否按系統(tǒng)要求完成工作而不必關注它如何工作。在每個系統(tǒng)中,VRML的建模者一定要知道這個系統(tǒng)工作中心所在,要明確知道每個設備應完成怎樣的任務。如演播廳信號系統(tǒng)其工作中心在導播切換臺,每個機位的攝像機只要提供良好的視頻信號并知道本機位的信號是否正被采用即可。在VRML建模設計中要考慮到指示信息(如顏色信號燈、箭頭線條的閃爍等)的建模,用以提示VRML實驗操作者哪些設備的信號正在被采用,哪些設備正處于運行狀態(tài),系統(tǒng)工作是否正常等。

(2)系統(tǒng)實驗環(huán)境的交互設計

VRML系統(tǒng)實驗環(huán)境的交互設計不同于單個設備的交互設計,后者著重于對設備本身的認知、學習、操作規(guī)程、操作方法的模擬與設計,前者只需要單個設備的操作時間與操作結果,而著眼點在系統(tǒng)的整體性能。

Cult3d進行系統(tǒng)實驗環(huán)境設計時分三個層次:

一是為系統(tǒng)中的單個設備提供操作和結果,如攝像機提供開關功能、機位移動功能、鏡頭推拉搖移功能、視頻信號的輸出功能。切換臺提供各機位視頻信號的監(jiān)視功能,切換操作功能,切換結果的信號輸出與監(jiān)視功能。

二是場景設計中要考慮到各部件的連接操作,教學實踐中我們深切地感受到系統(tǒng)設備的連線操作至關重要,不同的設備有不同輸入、輸出、線型和連接頭。設備的連接不單是物理連線那么簡單,要考慮到匹配、阻抗、屏蔽、損耗與衰減,連接的過程中必須檢測,多機位攝拍時各臺機器的視頻電纜應基本等長,所有設備正常優(yōu)質(zhì)的連接是系統(tǒng)成功的一半。

三是系統(tǒng)運行的操作模擬,系統(tǒng)運行的整體效果是與各單個設備的操作結果相關聯(lián)的,因此VRML設計中務必使操作者感受到這一點,比如,某臺攝像機沒打開或連接不正確,將會導致導播切換臺的監(jiān)視器上沒有視頻信號,如果該路信號當前正好被采用,直播發(fā)射機將因黑屏造成聚波比過高而報警。對于較為復雜的系統(tǒng),交互操作中可將其分成幾個子系統(tǒng),如這里所列的小型直播演播廳攝錄信號系統(tǒng),可分為信號輸入子系統(tǒng)、切換合成子系統(tǒng)、分配傳輸子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)相互間有著依存關系,VRML設計中必須考慮到前一個子系統(tǒng)正常運行是后一個子系統(tǒng)開始工作的前提。對于不合理的操作、違反時序的操作要有提示信息或報警信息,及時提醒操作者。

好的學習系統(tǒng)少不了激勵機制,為了提高學習效能,應在VRML中設計激勵機制,根據(jù)操作的不同結果給出相應的操作成績。

系統(tǒng)場景的美工與編程與單個設備是一樣的,此處不再贅述。

四、結束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,VRML的應用越來越廣泛,3dsmax與Web3D技術也將日臻成熟,VRML應用于各類設備的實驗教學將會越來越廣泛?；赪eb3D技術的VRML用于實驗教學將給人們提供越來越方便的實驗平臺,它不僅能構建開放性的實驗教學環(huán)境,改進實驗教學手段和方法,更重要的是能促使我們更新實驗教學觀念。這種虛擬實驗與真實實驗的相互促進與補充,在教學活動中將會發(fā)揮越來越大的作用。[4] ?筅

參考文獻:

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[3]阿新工作室.任我虛擬Cult3d/3ds Max4.2/Maya 4/三維產(chǎn)品設計與互動教程[M].北京:希望電子出版社,2002.

[4]林桂平,向秋玲等.虛擬實驗及其在生理學教學中的應用[J].醫(yī)學教育探索,2007(6).