基于3dMax與VRP技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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摘要：本文以凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了前期分析，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)K，利用3d Max與VRP完成實(shí)驗(yàn)器材的建模與三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的組合，采用VRP進(jìn)行腳本與虛擬交互設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了適用于初中物理的虛擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)該平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。

關(guān)鍵詞：3d Max；VRP；虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2017）09-0060-04

以3d Max和VRP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)，能夠構(gòu)建具有強(qiáng)交互性、沉浸性和多感知性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)而幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)器材，掌握實(shí)驗(yàn)步驟，形成正確概念，真正提高學(xué)生的動(dòng)手研究能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)等綜合科學(xué)素質(zhì)，這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)更有助于學(xué)以致用。[1]

前期分析

凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)選自義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》八年級(jí)上冊(cè)，是光學(xué)的重要內(nèi)容，又是初二物理知識(shí)的重點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)集物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律于一體，涉及的物理名詞有物距（u）、像距（v）、焦距（f）、實(shí)像和虛像等。教學(xué)目標(biāo)表現(xiàn)如下，①知識(shí)與技能目標(biāo)：理解凸透鏡成像的規(guī)律；知道凸透鏡的光心、焦點(diǎn)、焦距和主光軸；知道凸透鏡所成像的正倒、大小、虛實(shí)與物距的關(guān)系；學(xué)會(huì)運(yùn)用凸透鏡成像規(guī)律解釋一些簡(jiǎn)單的現(xiàn)象。②過(guò)程與方法目標(biāo)：能在探究活動(dòng)中初步獲得提出問(wèn)題的能力；通過(guò)探究活動(dòng)，體驗(yàn)探究過(guò)程的全過(guò)程和方法；學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)象中歸納科學(xué)規(guī)律的方法。③情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：培養(yǎng)對(duì)科學(xué)的求知欲，樂(lè)于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理道理；初步建立將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的意識(shí)；培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及探究創(chuàng)造的心理品質(zhì)。

技術(shù)分析

1.3D Studio Max

3D Studio Max（3ds Max或3d Max）是Discreet公司開(kāi)發(fā)的基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。3d Max對(duì)PC系統(tǒng)的配置要求較低，并且安裝插件就可以對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)充，同時(shí)具有強(qiáng)大的角色動(dòng)畫(huà)制作能力以及可堆疊的建模步驟，使得制作模型有非常大的彈性，所以被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)等領(lǐng)域。筆者以上述的“凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)”為例，使用3d Max主要完成了實(shí)驗(yàn)器材的建模與三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的組合。

2.VR-Platform

VRP（Virtual Reality Platform，簡(jiǎn)稱(chēng)VR-Platform或VRP）即虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率較高的一款國(guó)產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)軟件。VRP腳本的中文化使用戶(hù)比較容易編寫(xiě)腳本語(yǔ)言，同時(shí)它具有適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見(jiàn)即所得等特征。使用VRP的前提是需要操作者有良好的3d Max建模和渲染基礎(chǔ)，筆者在“凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)”中使用VRP主要用來(lái)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，首先將3d Max中制作完成的“凸透鏡成像”三維模型導(dǎo)入，再通過(guò)軟件提供的相機(jī)、腳本等功能完成實(shí)驗(yàn)界面的制作及相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)并導(dǎo)出產(chǎn)品。

虛擬實(shí)驗(yàn)的功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有以下六個(gè)功能模塊：

①“實(shí)驗(yàn)幫助”模塊：主要講解軟件使用方法、操作、快捷鍵及實(shí)驗(yàn)物品名稱(chēng)與特性等。

②“環(huán)視實(shí)驗(yàn)器材”模塊：可以選擇需要觀察的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行360度環(huán)視，觀看器材的不同側(cè)面。

③“實(shí)驗(yàn)條件”模塊：設(shè)定實(shí)驗(yàn)的前提條件，根據(jù)該條件判斷器材擺放位置是否正確并提供相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反饋。

④“實(shí)驗(yàn)開(kāi)始”模塊：學(xué)習(xí)者在對(duì)器材認(rèn)知的基礎(chǔ)上，在該模塊中根據(jù)要求利用鼠標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

⑤“實(shí)驗(yàn)演示”模塊：作為指導(dǎo)性模塊存在，在該模塊中按步驟播放完整的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)，清晰地展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生完成正確操作。

⑥“退出實(shí)驗(yàn)”模塊：關(guān)閉軟件。

虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)流程

1.建立三維場(chǎng)景

（1）創(chuàng)建三維模型并賦予材質(zhì)

在凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)中，需要?jiǎng)?chuàng)建的三維模型主要有凸透鏡模型、蠟燭模型、光具座模型、刻度尺模型、光屏模型和火柴模型，建模圖示以凸透鏡為例，如圖1所示。

接下來(lái)需要為建立的模型貼圖，不同模型表面的材質(zhì)各異，需要根據(jù)實(shí)際物體為其賦予不同材質(zhì)，以蠟燭模型為例，除了需要在材質(zhì)編輯器中為其賦予特定的材質(zhì)外，最重要的是在“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”中設(shè)置“光線跟蹤”效果，在“光線跟蹤”基本參數(shù)的卷展欄中，設(shè)置“漫反射”的顏色為白色，在調(diào)整“高光級(jí)別”與“光澤度”的同時(shí)設(shè)置“特殊效果”選項(xiàng)區(qū)域中的“附加光”“半透明”“熒光”選項(xiàng)的顏色，完成后蠟燭模型與實(shí)物相近，視覺(jué)上比較真實(shí)。

（2）組合三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)驗(yàn)儀器模型建模后需要將其整合為完整的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，以便導(dǎo)入VRP中，整合操作過(guò)程如下：

①選擇其中一個(gè)文件為主文件，然后單擊開(kāi)頭圖標(biāo)選中“導(dǎo)入”選項(xiàng)。

②在“合并文件”窗口中，選擇需合并的文件，在下一個(gè)窗口中，單擊“全部”按鈕，合并所有內(nèi)容，單擊“確定”完成合并。

③將文件合并到同一個(gè)場(chǎng)景中后，使用“移動(dòng)”“旋轉(zhuǎn)”等工具調(diào)整每個(gè)模型的大小、位置，使它們符合實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性擺放。

④重復(fù)上兩步，整合全部模型為一個(gè)整體，最終凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的三維模型場(chǎng)景如圖2所示。

2.制作實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)

凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)演示動(dòng)畫(huà)是通過(guò)創(chuàng)建關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，制作步驟為：

①單擊右下方“時(shí)間配置”按鈕，將結(jié)束時(shí)間改為800。

②選中蠟燭物體，單擊下方的“設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)”按鈕，再單擊“關(guān)鍵幀記錄”按鈕，把時(shí)間軸光標(biāo)移動(dòng)到100幀處，選中蠟燭的Y軸平行移動(dòng)到指定位置，再次單擊“關(guān)鍵幀記錄”按鈕。

③選中光屏參照步驟②來(lái)進(jìn)行，此時(shí)是從100幀開(kāi)始設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)。

④繼續(xù)分別制作蠟燭和光屏移動(dòng)的效果。

動(dòng)畫(huà)需要呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)象為：當(dāng)u>2f，f2f時(shí)，光屏成像為倒立的放大的實(shí)像（如圖4）；當(dāng)uf時(shí)，光屏成像為正立的放大的虛像，物像同側(cè)（如圖5）。

3.將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景導(dǎo)入VRP編輯器

以上步驟完成后，需要將場(chǎng)景模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP編輯器中。在3d Max2010中，單擊右側(cè)屬性欄“工具”選項(xiàng)卡中的“VRPlatform”按鈕，向下拖動(dòng)面板，勾選“全部”，單擊“調(diào)入VRP編輯器”按鈕，在彈出的窗口中單擊“保存場(chǎng)景”按鈕將其導(dǎo)入VRP編輯器中，若不確定導(dǎo)出場(chǎng)景效果，可以先單擊“快速預(yù)覽”按鈕確認(rèn)效果無(wú)誤后，再調(diào)入VRP中，并保存該場(chǎng)景。

4.虛擬實(shí)驗(yàn)界面的制作及交互功能的實(shí)現(xiàn)

（1）界面規(guī)劃

將所需場(chǎng)景模型導(dǎo)入VRP后便可以開(kāi)始制作整個(gè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)界面。

①處理圖片。在Photoshop軟件中進(jìn)行圖片處理，將實(shí)驗(yàn)界面所需菜單欄、按鈕和標(biāo)題的圖片進(jìn)行設(shè)計(jì)并保存。

②在VRP中創(chuàng)建圖片。在VRP編輯器中選擇“編輯界面”，單擊“創(chuàng)建新面板”，選擇圖片，完成圖片名稱(chēng)的修改，依次將做好的圖片放到相應(yīng)位置。

③創(chuàng)建按鈕。選擇VRP中“編輯界面”，單擊“創(chuàng)建新面板”，選擇所需按鈕并調(diào)整布局。在右側(cè)屬性面板“透明”下，選擇“整體透明”，透明度設(shè)為1，注意不可設(shè)為0，否則按鈕無(wú)法觸發(fā)。根據(jù)以上步驟規(guī)劃實(shí)驗(yàn)界面整體布局，如圖6所示。

（2）腳本設(shè)計(jì)

界面完善后，使用腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的交互功能，交互按鈕主要包括實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)幫助、實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、退出實(shí)驗(yàn)、環(huán)視實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)條件，以“實(shí)驗(yàn)演示”按鈕交互為例，設(shè)計(jì)如圖7所示，主要按鈕腳本如下表所示。

f2f按鈕及uf按鈕的腳本與u>2f，f

5.發(fā)布實(shí)驗(yàn)文件

VRP的發(fā)布輸出非常方便、靈活。制作者可以選擇編譯獨(dú)立執(zhí)行的Exe文件，方法是在彈出的窗口中設(shè)置存儲(chǔ)路徑、圖表及填寫(xiě)版權(quán)公司等信息后進(jìn)行編譯即可生成Exe文件。如果需要進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)在線瀏覽，則只需要輸出可網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的Vipie文件即可，并確定存儲(chǔ)路徑進(jìn)行發(fā)布。

結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展能夠解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不全、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏創(chuàng)造性等問(wèn)題，其仿真性和豐富的交互性為學(xué)生提供了主動(dòng)探究的環(huán)境，為培養(yǎng)和提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新意識(shí)等綜合科學(xué)素質(zhì)提供了較好的路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/.

[2]2016新媒體聯(lián)盟中國(guó)基礎(chǔ)教育技術(shù)展望[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/16/0116/19/29939622_528441188.shtml.

基金項(xiàng)目：山西省教育科學(xué)指令課題“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)仿真平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)”，項(xiàng)目編號(hào)：ZL-13020；山西省“十二五”規(guī)劃課題“三維虛擬環(huán)境下教學(xué)模式研究”，項(xiàng)目編號(hào)：GH-12063。