《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺的設(shè)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(shè)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(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條件，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)，而且成為社會業(yè)余人士的需求。對部分高校的攝影技術(shù)課程教學(xué)情況進行調(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)、攝影實驗使用的設(shè)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(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。同時通過Web3D技術(shù)將資源以網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)布，進行網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)，為更多的學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)提供便利，同時還可以彌補網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

《攝影技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)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(luò)平臺，主要由虛擬實驗部分和實驗教學(xué)輔助模塊兩大部分組成。該平臺細(xì)分為七個模塊，分別是虛擬實驗?zāi)K、相機模型庫模塊、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。平臺的主要功能模塊如圖所示。

（1）虛擬實驗?zāi)K

虛擬實驗?zāi)K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(rèn)識；實驗三：攝像機結(jié)構(gòu)認(rèn)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(xué)條件的不足而設(shè)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(shè)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(xué)習(xí)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(biāo)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(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，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(xué)習(xí)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(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)者提交實驗報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(luò)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(rèn)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)致運行速度下降，甚至沒法運行，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(dǎo)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(shè)置的貼圖尺寸大，烘焙渲染的紋理就更加清晰，畫質(zhì)就會更好。但是過大的尺寸貼圖，會導(dǎo)致渲染速度變慢，對于復(fù)雜的場景，可能會導(dǎo)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。可以對兩種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(shè)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(biāo)事件和距離觸發(fā)事件，對各種設(shè)計元素只支持鼠標(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(yīng)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(yīng)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(shè)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(dāng)前視角的場景，模擬了真實相機LCD液晶屏構(gòu)圖的功能。當(dāng)學(xué)習(xí)者對實驗場景進行縮放和搖移的操作時，LCD液晶屏?xí)竭M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(dá)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(biāo)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(biāo)事件腳本。在透明按鈕添加的對應(yīng)的鼠標(biāo)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(shè)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(xué)習(xí)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?zāi)K是指網(wǎng)絡(luò)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?zāi)康摹嶒瀮?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?zāi)K的實現(xiàn)。虛擬實驗?zāi)K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(yīng)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(xué)實驗中的應(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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(luò)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(luò)課程的設(shè)計與開發(fā)[J].網(wǎng)絡(luò)教育與遠(yuǎn)程教育，2006（3）.

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