《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡虛擬實驗平臺的設計與開發(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，對《攝影技術(shù)》實驗進行了虛擬仿真，目的是解決攝影設備昂貴、實驗時間不足、實驗場地受限制等問題。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗平臺 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)學專業(yè)、旅游專業(yè)、新聞傳播專業(yè)、藝術(shù)設計學等專業(yè)都將攝影技術(shù)作為專業(yè)必修課程開設。然而，很多院校都不顧自身條件，在教學儀器設備等硬件設施還不完備的情況下紛紛開設此專業(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)的學習不僅是學校學生的任務，而且成為社會業(yè)余人士的需求。對部分高校的攝影技術(shù)課程教學情況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在攝影教學資源緊缺、教學形式單調(diào)、攝影實驗使用的設備過時等問題。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入攝影技術(shù)的資源建設中，使攝影技術(shù)的學習環(huán)境具有三維沉浸感，學生可以大大提高攝影技術(shù)的學習效率。同時通過Web3D技術(shù)將資源以網(wǎng)絡的形式發(fā)布，進行網(wǎng)絡化學習，為更多的學生進行自主學習提供便利，同時還可以彌補網(wǎng)絡上攝影技術(shù)相關(guān)資源的不足。

2.實驗平臺的框架模塊設計

《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡虛擬實驗平臺是將虛擬實驗發(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)絡平臺，主要由虛擬實驗部分和實驗教學輔助模塊兩大部分組成。該平臺細分為七個模塊，分別是虛擬實驗模塊、相機模型庫模塊、學習資源模塊、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。平臺的主要功能模塊如圖所示。

（1）虛擬實驗模塊

虛擬實驗模塊是本平臺最重要的模塊，由實驗說明和實驗列表組成。本模塊展示了《攝影技術(shù)》課程主要的六個虛擬實驗，分別是：實驗一：相機成像原理——針孔成像；實驗二：數(shù)碼相機結(jié)構(gòu)認識；實驗三：攝像機結(jié)構(gòu)認識；實驗四：焦距調(diào)節(jié)實驗；實驗五：光圈快門調(diào)節(jié)實驗；實驗六：校園漫游拍攝。

（2）相機模型庫模塊

相機模型庫模塊是根據(jù)《攝影技術(shù)》這門課的特征，為改善實驗教學條件的不足而設計的。通過創(chuàng)建相機模型庫，將最新的相機、攝像機進行分類入庫，并整合到平臺中可以有效地解決實驗設備不足的問題。相機模型庫模塊呈現(xiàn)三維相機模型和相機性能參數(shù)。學習者在相機模型庫中可以任意選擇一款自己感興趣的相機通過鼠標操縱對相機進行全空間觀摩，同時還可以查看該款相機的性能參數(shù)。

（3）學習資源模塊

學習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，以及其他補充性教材。友情鏈接欄目鏈接一些攝影技術(shù)專題學習網(wǎng)站，以及攝影相關(guān)網(wǎng)絡資源。

（4）作品欣賞模塊

作品欣賞模塊主要分為名家作品和學生作品。讓學習者在欣賞大師作品的同時，對自己的作品進行評價反思。

（5）課間休息模塊

課間休息模塊由攝影常識和知識問答小游戲組成。攝影小常識模塊主要為學習者提供一些攝影方面的常識，包括相機選購的注意事項、相機維護小常識、攝影技巧和攝影名家生平等；知識問答小游戲模塊是對學習者學習效果的一種考查。

（6）討論交流模塊

討論交流模塊由教師信箱和BBS論壇組成，教師信箱用于學習者提交實驗報告或者向教師咨詢問題；BBS論壇可以讓所有學習者在論壇里暢所欲言，交流心得。討論交流模塊進一步增強了整個平臺的交互性。

（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)絡虛擬實驗平臺的構(gòu)建

（1）實驗場景模型的創(chuàng)建

實驗二和實驗三分別是關(guān)于數(shù)碼照相機和數(shù)碼攝像機的結(jié)構(gòu)認識實驗，分別以Panasonic DMC-L1K單反數(shù)碼相機和Panasonic VX7攝像機為例進行實驗。與產(chǎn)品效果圖模型創(chuàng)建不同，這里創(chuàng)建的數(shù)碼照相機和攝像機模型還需要進行交互功能的開發(fā)。在創(chuàng)建數(shù)碼照相機和攝像機模型時，需要注意三點：①照相機和攝像機的零部件需要單獨創(chuàng)建。單獨創(chuàng)建的部件方便對零部件進行交互功能的開發(fā)，每個零部件按真實名稱命名，方便進行交互功能開發(fā)時查找。②零部件采用多邊形建模的方式進行建模。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，為不同ID號的模型面賦予不同材質(zhì)貼圖的方法，可以解決一個物體模型需要賦予多個材質(zhì)貼圖的問題。③按模型優(yōu)化的原則進行建模。面數(shù)太多的模型會影響模型加載時間和運行速度。創(chuàng)建模型時，盡量使用最少的面創(chuàng)建最為真實的模型。運用刪掉看不見的面等方法可以實現(xiàn)模型的優(yōu)化。創(chuàng)建的虛擬數(shù)碼相機和攝像機的模型如圖1和圖2所示。

（2）模型的優(yōu)化

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

（3）實驗場景的烘焙

對場景進行烘焙是在3ds max軟件中進行的，在3ds max軟件中創(chuàng)建完實驗場景模型，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整個場景進行烘焙。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，以貼圖的方式導入到VRP編輯器中，從而得到一個具有真實光影效果的虛擬現(xiàn)實場景的一個過程。烘焙貼圖大小對渲染的畫質(zhì)優(yōu)劣有著直接的影響，設置的貼圖尺寸大，烘焙渲染的紋理就更加清晰，畫質(zhì)就會更好。但是過大的尺寸貼圖，會導致渲染速度變慢，對于復雜的場景，可能會導致內(nèi)存不足的錯誤出現(xiàn)。選擇合適貼圖尺寸，需要依情況而定。

（4）實驗項目的交互開發(fā)

VRP編輯器提供了較為強大的交互開發(fā)功能?？梢詫煞N對象進行交互功能的開發(fā)，分別是三維模型和界面上的設計元素（按鈕、面板、控件、窗口）。VRP編輯器對三維模型支持兩種事件類型交互，分別是鼠標事件和距離觸發(fā)事件，對各種設計元素只支持鼠標事件的交互。本課題中只采用了鼠標事件的交互類型。對六個虛擬實驗涉及的交互進行歸納，主要有以下四個方面的交互：

①相機控制交互

相機控制交互是本課題虛擬實驗最常見的一種交互，即通過單擊按鈕實現(xiàn)場景攝像機的搖移或者不同攝像機的切換。本課題中涉及相機控制交互的地方較多，主要有以下幾處：單擊實驗界面右下角的八個視圖控制按鈕，場景攝像機會進行上移、下移、左移、右移、前進、后前、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的操作；單擊實驗一實驗面板中的“步行”按鈕和“動畫”按鈕，場景會切換成步行相機和動畫相機；單擊實驗二和實驗三實驗面板中“頂視圖”、“前視圖”、“后視圖”三個按鈕，可以將場景的攝影機切換成對應視角的攝像機，實現(xiàn)對相機或攝像機模型從各個不同角度進行觀摩；單擊實驗四實驗面板中的“28mm焦距”、“35mm焦距”、“50mm焦距”、“135mm焦距”四個按鈕，場景攝像機會切換成對應焦距的攝像機。

②單擊按鈕打開圖片

在實驗五光圈快門調(diào)節(jié)實驗中，單擊不同的EV值按鈕會顯示不同曝光程度的圖片。實現(xiàn)這種交互需要在3ds max軟件中設置不同的EV值進行曝光，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LCD液晶屏實時顯示

本課題的三個實驗（實驗四、實驗五、實驗六）的場景正前方有一臺Canon EOS 500D單反相機，該相機的LCD液晶屏上動態(tài)實時的顯示當前視角的場景，模擬了真實相機LCD液晶屏構(gòu)圖的功能。當學習者對實驗場景進行縮放和搖移的操作時，LCD液晶屏會同步進行場景的縮放和搖移。在VRP編輯器中實現(xiàn)LCD液晶屏實時顯示效果比較容易，是通過VRP編輯器中的“畫中畫”面板實現(xiàn)的。

④單擊相機快門達到拍照效果

本課題的三個實驗（實驗四、實驗五、實驗六）的場景正前方有一臺Canon EOS 500D單反相機，在Canon EOS 500D單反相機的快門上單擊鼠標左鍵時，會伴隨著“咔嚓”一聲，一張照片顯示出來。拍照交互的實現(xiàn)需要首先在相機快門處創(chuàng)建一個透明的按鈕，然后為該透明按鈕添加鼠標事件腳本。在透明按鈕添加的對應的鼠標事件腳本即可。

（4）相機模型庫的實現(xiàn)

相機模型庫模塊是攝影實驗的相機模型庫，也是網(wǎng)上實驗設備儀器室。相機模型庫展示了包括索尼、佳能、松下三個廠家的各種型號相機，相機種類全，數(shù)量多。學習者可以在相機模型庫里任意查看自己感興趣的相機，單擊相機下方的參數(shù)特性按鈕，查看該款相機的性能參數(shù)。相機模型庫模塊實現(xiàn)的最終效果如圖3所示。

（5）實驗項目的整合

虛擬實驗模塊是指網(wǎng)絡虛擬實驗平臺首頁的六個虛擬實驗部分，由實驗說明和六個虛擬實驗組成。實驗說明是關(guān)于這些虛擬實驗的實驗目的、實驗內(nèi)容和實驗形式的說明。每一個虛擬實驗開發(fā)完成之后，將發(fā)布成網(wǎng)頁的虛擬實驗通過網(wǎng)站進行整合，即完成了虛擬實驗模塊的實現(xiàn)。虛擬實驗模塊采用左右框架結(jié)構(gòu)，單擊左側(cè)實驗列表的不同實驗名稱，右側(cè)會加載顯示對應的虛擬實驗。虛擬實驗通過網(wǎng)站進行整合后的效果如圖4所示。

4.結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學實驗中的應用越來越廣泛，開發(fā)工具軟件版本的更新，開發(fā)交互性更強的虛擬實驗平臺會更加容易。針對本課題研究的不足，今后還需要從以下幾個方面進行進一步的研究：（1）攝影是一門藝術(shù)，攝影實驗也要體現(xiàn)其藝術(shù)性，目前平臺對攝影實驗的藝術(shù)體現(xiàn)不夠。如何將攝影藝術(shù)體現(xiàn)在實驗中，將是下一步的研究內(nèi)容；（2）目前學習者進入到實驗環(huán)境之后，想要進行在線互動，只能通過平臺的留言板進行互動。下一步我們考慮將多人在線功能引入到實驗環(huán)境，學習者一邊做實驗，一邊在實驗環(huán)境下方的面板中進行文字實時聊天互動，實現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡虛擬實驗平臺。

參考文獻：

[1]王朋嬌，趙苗苗，劉家勛.“攝影技術(shù)與藝術(shù)”網(wǎng)絡課程的設計與開發(fā)[J].網(wǎng)絡教育與遠程教育，2006（3）.

[2]肖鳳霞.高校藝術(shù)設計專業(yè)攝影教學探談[D].長春：東北師范大學，2007：1-2.