《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘 要： 文章借助Autodesk公司的3Ds max軟件及中視典公司的VR-Platform平臺(tái)，對(duì)《攝影技術(shù)》實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了虛擬仿真，目的是解決攝影設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足、實(shí)驗(yàn)場地受限制等問題。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 攝影技術(shù) VR-Platform

1.研究背景和意義

目前，高校很多專業(yè)都開設(shè)了《攝影技術(shù)》課程，《攝影技術(shù)》是一門技術(shù)性和藝術(shù)性相結(jié)合的課程[1]。高校的教育技術(shù)學(xué)專業(yè)、旅游專業(yè)、新聞傳播專業(yè)、藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)等專業(yè)都將攝影技術(shù)作為專業(yè)必修課程開設(shè)。然而，很多院校都不顧自身?xiàng)l件，在教學(xué)儀器設(shè)備等硬件設(shè)施還不完備的情況下紛紛開設(shè)此專業(yè)[2]。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的普及，涌現(xiàn)越來越多的攝影愛好者。攝影技術(shù)的學(xué)習(xí)不僅是學(xué)校學(xué)生的任務(wù)，而且成為社會(huì)業(yè)余人士的需求。對(duì)部分高校的攝影技術(shù)課程教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在攝影教學(xué)資源緊缺、教學(xué)形式單調(diào)、攝影實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備過時(shí)等問題。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入攝影技術(shù)的資源建設(shè)中，使攝影技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境具有三維沉浸感，學(xué)生可以大大提高攝影技術(shù)的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)通過Web3D技術(shù)將資源以網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)布，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)，為更多的學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供便利，同時(shí)還可以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)上攝影技術(shù)相關(guān)資源的不足。

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架模塊設(shè)計(jì)

《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是將虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)布成網(wǎng)頁形式并通過網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)整合成的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，主要由虛擬實(shí)驗(yàn)部分和實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助模塊兩大部分組成。該平臺(tái)細(xì)分為七個(gè)模塊，分別是虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K、相機(jī)模型庫模塊、學(xué)習(xí)資源模塊、作品欣賞模塊、課間休息模塊、討論交流模塊和使用幫助模塊。平臺(tái)的主要功能模塊如圖所示。

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K是本平臺(tái)最重要的模塊，由實(shí)驗(yàn)說明和實(shí)驗(yàn)列表組成。本模塊展示了《攝影技術(shù)》課程主要的六個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，分別是：實(shí)驗(yàn)一：相機(jī)成像原理——針孔成像；實(shí)驗(yàn)二：數(shù)碼相機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)；實(shí)驗(yàn)三：攝像機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)；實(shí)驗(yàn)四：焦距調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)五：光圈快門調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)六：校園漫游拍攝。

（2）相機(jī)模型庫模塊

相機(jī)模型庫模塊是根據(jù)《攝影技術(shù)》這門課的特征，為改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足而設(shè)計(jì)的。通過創(chuàng)建相機(jī)模型庫，將最新的相機(jī)、攝像機(jī)進(jìn)行分類入庫，并整合到平臺(tái)中可以有效地解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題。相機(jī)模型庫模塊呈現(xiàn)三維相機(jī)模型和相機(jī)性能參數(shù)。學(xué)習(xí)者在相機(jī)模型庫中可以任意選擇一款自己感興趣的相機(jī)通過鼠標(biāo)操縱對(duì)相機(jī)進(jìn)行全空間觀摩，同時(shí)還可以查看該款相機(jī)的性能參數(shù)。

（3）學(xué)習(xí)資源模塊

學(xué)習(xí)資源模塊由百度搜索、參考書目、友情鏈接組成。參考書目部分列出攝影技術(shù)相關(guān)教材，以及其他補(bǔ)充性教材。友情鏈接欄目鏈接一些攝影技術(shù)專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站，以及攝影相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源。

（4）作品欣賞模塊

作品欣賞模塊主要分為名家作品和學(xué)生作品。讓學(xué)習(xí)者在欣賞大師作品的同時(shí)，對(duì)自己的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)反思。

（5）課間休息模塊

課間休息模塊由攝影常識(shí)和知識(shí)問答小游戲組成。攝影小常識(shí)模塊主要為學(xué)習(xí)者提供一些攝影方面的常識(shí)，包括相機(jī)選購的注意事項(xiàng)、相機(jī)維護(hù)小常識(shí)、攝影技巧和攝影名家生平等；知識(shí)問答小游戲模塊是對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的一種考查。

（6）討論交流模塊

討論交流模塊由教師信箱和BBS論壇組成，教師信箱用于學(xué)習(xí)者提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者向教師咨詢問題；BBS論壇可以讓所有學(xué)習(xí)者在論壇里暢所欲言，交流心得。討論交流模塊進(jìn)一步增強(qiáng)了整個(gè)平臺(tái)的交互性。

（7）使用幫助模塊

使用幫助模塊包括系統(tǒng)使用說明和系統(tǒng)常見問題。

3.《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

（1）實(shí)驗(yàn)場景模型的創(chuàng)建

實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三分別是關(guān)于數(shù)碼照相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，分別以Panasonic DMC-L1K單反數(shù)碼相機(jī)和Panasonic VX7攝像機(jī)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與產(chǎn)品效果圖模型創(chuàng)建不同，這里創(chuàng)建的數(shù)碼照相機(jī)和攝像機(jī)模型還需要進(jìn)行交互功能的開發(fā)。在創(chuàng)建數(shù)碼照相機(jī)和攝像機(jī)模型時(shí)，需要注意三點(diǎn)：①照相機(jī)和攝像機(jī)的零部件需要單獨(dú)創(chuàng)建。單獨(dú)創(chuàng)建的部件方便對(duì)零部件進(jìn)行交互功能的開發(fā)，每個(gè)零部件按真實(shí)名稱命名，方便進(jìn)行交互功能開發(fā)時(shí)查找。②零部件采用多邊形建模的方式進(jìn)行建模。多邊形物體的部件模型方便材質(zhì)貼圖的添加，通過為多邊形模型不同面指定不同ID號(hào)，為不同ID號(hào)的模型面賦予不同材質(zhì)貼圖的方法，可以解決一個(gè)物體模型需要賦予多個(gè)材質(zhì)貼圖的問題。③按模型優(yōu)化的原則進(jìn)行建模。面數(shù)太多的模型會(huì)影響模型加載時(shí)間和運(yùn)行速度。創(chuàng)建模型時(shí)，盡量使用最少的面創(chuàng)建最為真實(shí)的模型。運(yùn)用刪掉看不見的面等方法可以實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化。創(chuàng)建的虛擬數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的模型如圖1和圖2所示。

（2）模型的優(yōu)化

虛擬現(xiàn)實(shí)場景模型的優(yōu)化對(duì)最終平臺(tái)的演示速度影響很大。導(dǎo)入VRP編輯器之前需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，以方便后期使用。對(duì)創(chuàng)建的數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、多媒體教室、虛擬校園等模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)遵循的原則有：①盡量做簡模，控制模型面數(shù)。在VRP中運(yùn)行時(shí)的每一幀都是通過顯卡和CPU計(jì)算出來的，高精度模型、面數(shù)多的模型都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行速度下降，甚至沒法運(yùn)行，如果面數(shù)過多，則導(dǎo)致文件容量增大，還可能在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布后導(dǎo)致下載時(shí)間增加。盡量做簡模，可以減少場景的面數(shù)，提高貼圖的利用率，提高交互場景的運(yùn)行效率。②模型數(shù)量不宜過多。模型數(shù)量過多，不僅會(huì)增加場景模型總面數(shù)，而且會(huì)增加烘焙時(shí)間，為后續(xù)工作帶來麻煩，還會(huì)降低運(yùn)行速度。③模型的三角面盡量是等邊三角形。由等邊三角形構(gòu)成的曲面會(huì)更加光滑，面不宜是矩形，因?yàn)橛删匦螛?gòu)成的面可能會(huì)出現(xiàn)鋸齒、紋理模糊等現(xiàn)象，還不利于實(shí)時(shí)渲染。

（3）實(shí)驗(yàn)場景的烘焙

對(duì)場景進(jìn)行烘焙是在3ds max軟件中進(jìn)行的，在3ds max軟件中創(chuàng)建完實(shí)驗(yàn)場景模型，賦上材質(zhì)貼圖，添加燈光測試渲染效果滿意之后，下一步的操作就是對(duì)整個(gè)場景進(jìn)行烘焙。所謂烘焙，是指將3ds max里的燈光效果通過特殊的渲染操作之后，以貼圖的方式導(dǎo)入到VRP編輯器中，從而得到一個(gè)具有真實(shí)光影效果的虛擬現(xiàn)實(shí)場景的一個(gè)過程。烘焙貼圖大小對(duì)渲染的畫質(zhì)優(yōu)劣有著直接的影響，設(shè)置的貼圖尺寸大，烘焙渲染的紋理就更加清晰，畫質(zhì)就會(huì)更好。但是過大的尺寸貼圖，會(huì)導(dǎo)致渲染速度變慢，對(duì)于復(fù)雜的場景，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足的錯(cuò)誤出現(xiàn)。選擇合適貼圖尺寸，需要依情況而定。

（4）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的交互開發(fā)

VRP編輯器提供了較為強(qiáng)大的交互開發(fā)功能?？梢詫?duì)兩種對(duì)象進(jìn)行交互功能的開發(fā)，分別是三維模型和界面上的設(shè)計(jì)元素（按鈕、面板、控件、窗口）。VRP編輯器對(duì)三維模型支持兩種事件類型交互，分別是鼠標(biāo)事件和距離觸發(fā)事件，對(duì)各種設(shè)計(jì)元素只支持鼠標(biāo)事件的交互。本課題中只采用了鼠標(biāo)事件的交互類型。對(duì)六個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)涉及的交互進(jìn)行歸納，主要有以下四個(gè)方面的交互：

①相機(jī)控制交互

相機(jī)控制交互是本課題虛擬實(shí)驗(yàn)最常見的一種交互，即通過單擊按鈕實(shí)現(xiàn)場景攝像機(jī)的搖移或者不同攝像機(jī)的切換。本課題中涉及相機(jī)控制交互的地方較多，主要有以下幾處：單擊實(shí)驗(yàn)界面右下角的八個(gè)視圖控制按鈕，場景攝像機(jī)會(huì)進(jìn)行上移、下移、左移、右移、前進(jìn)、后前、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的操作；單擊實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)面板中的“步行”按鈕和“動(dòng)畫”按鈕，場景會(huì)切換成步行相機(jī)和動(dòng)畫相機(jī)；單擊實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)面板中“頂視圖”、“前視圖”、“后視圖”三個(gè)按鈕，可以將場景的攝影機(jī)切換成對(duì)應(yīng)視角的攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)或攝像機(jī)模型從各個(gè)不同角度進(jìn)行觀摩；單擊實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)面板中的“28mm焦距”、“35mm焦距”、“50mm焦距”、“135mm焦距”四個(gè)按鈕，場景攝像機(jī)會(huì)切換成對(duì)應(yīng)焦距的攝像機(jī)。

②單擊按鈕打開圖片

在實(shí)驗(yàn)五光圈快門調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，單擊不同的EV值按鈕會(huì)顯示不同曝光程度的圖片。實(shí)現(xiàn)這種交互需要在3ds max軟件中設(shè)置不同的EV值進(jìn)行曝光，將曝光的圖片保存到本地文件夾，然后通過創(chuàng)建懸浮窗口的腳本顯示不同曝光的圖片。

③相機(jī)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示

本課題的三個(gè)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)六）的場景正前方有一臺(tái)Canon EOS 500D單反相機(jī)，該相機(jī)的LCD液晶屏上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前視角的場景，模擬了真實(shí)相機(jī)LCD液晶屏構(gòu)圖的功能。當(dāng)學(xué)習(xí)者對(duì)實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行縮放和搖移的操作時(shí)，LCD液晶屏?xí)竭M(jìn)行場景的縮放和搖移。在VRP編輯器中實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示效果比較容易，是通過VRP編輯器中的“畫中畫”面板實(shí)現(xiàn)的。

④單擊相機(jī)快門達(dá)到拍照效果

本課題的三個(gè)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)五、實(shí)驗(yàn)六）的場景正前方有一臺(tái)Canon EOS 500D單反相機(jī)，在Canon EOS 500D單反相機(jī)的快門上單擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，會(huì)伴隨著“咔嚓”一聲，一張照片顯示出來。拍照交互的實(shí)現(xiàn)需要首先在相機(jī)快門處創(chuàng)建一個(gè)透明的按鈕，然后為該透明按鈕添加鼠標(biāo)事件腳本。在透明按鈕添加的對(duì)應(yīng)的鼠標(biāo)事件腳本即可。

（4）相機(jī)模型庫的實(shí)現(xiàn)

相機(jī)模型庫模塊是攝影實(shí)驗(yàn)的相機(jī)模型庫，也是網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器室。相機(jī)模型庫展示了包括索尼、佳能、松下三個(gè)廠家的各種型號(hào)相機(jī)，相機(jī)種類全，數(shù)量多。學(xué)習(xí)者可以在相機(jī)模型庫里任意查看自己感興趣的相機(jī)，單擊相機(jī)下方的參數(shù)特性按鈕，查看該款相機(jī)的性能參數(shù)。相機(jī)模型庫模塊實(shí)現(xiàn)的最終效果如圖3所示。

（5）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整合

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K是指網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首頁的六個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)部分，由實(shí)驗(yàn)說明和六個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)組成。實(shí)驗(yàn)說明是關(guān)于這些虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)形式的說明。每一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)完成之后，將發(fā)布成網(wǎng)頁的虛擬實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)站進(jìn)行整合，即完成了虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用左右框架結(jié)構(gòu)，單擊左側(cè)實(shí)驗(yàn)列表的不同實(shí)驗(yàn)名稱，右側(cè)會(huì)加載顯示對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)通過網(wǎng)站進(jìn)行整合后的效果如圖4所示。

4.結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用越來越廣泛，開發(fā)工具軟件版本的更新，開發(fā)交互性更強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)會(huì)更加容易。針對(duì)本課題研究的不足，今后還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究：（1）攝影是一門藝術(shù)，攝影實(shí)驗(yàn)也要體現(xiàn)其藝術(shù)性，目前平臺(tái)對(duì)攝影實(shí)驗(yàn)的藝術(shù)體現(xiàn)不夠。如何將攝影藝術(shù)體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中，將是下一步的研究內(nèi)容；（2）目前學(xué)習(xí)者進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)環(huán)境之后，想要進(jìn)行在線互動(dòng)，只能通過平臺(tái)的留言板進(jìn)行互動(dòng)。下一步我們考慮將多人在線功能引入到實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)習(xí)者一邊做實(shí)驗(yàn)，一邊在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下方的面板中進(jìn)行文字實(shí)時(shí)聊天互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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