基于三維圖像技術(shù)的多媒體交互實驗教學(xué)場景創(chuàng)設(shè)

張文達(dá)

(南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210046)

1 引言

由于現(xiàn)代越來越先進(jìn)的電子科技水平，人們在網(wǎng)絡(luò)上可進(jìn)行的活動不斷得到擴(kuò)充，例如可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行遠(yuǎn)程教育操作[1-2]?；谌S圖像技術(shù)的多媒體交互虛擬實驗系統(tǒng)實質(zhì)屬于仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)以面向?qū)ο蠹夹g(shù)、三維動畫制作技術(shù)為基礎(chǔ)[3]。在遠(yuǎn)程教學(xué)中使用虛擬實驗，其優(yōu)點是可以跨越時間和空間的限制，節(jié)約了實驗操作的花費，可避免因?qū)嶒灢僮鞑划?dāng)所引起的教學(xué)事故等。由于現(xiàn)在遠(yuǎn)程教學(xué)中使用虛擬系統(tǒng)的研究還處于開發(fā)狀態(tài)，所以在其交互性、真實性和實際教學(xué)效果等多重感官上還存在一定差距，實際教學(xué)實際需求無法滿足，Web3D技術(shù)的產(chǎn)生解決了這些問題[4]。本文基于三維圖像技術(shù)，對多媒體交互實驗教學(xué)場景的創(chuàng)設(shè)進(jìn)行了研究。

2 多媒體三維虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

圖1為多媒體三維虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計方案，在設(shè)計中，涉及到動畫制作、三維建模、多媒體編程等技術(shù)，實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的方法為：進(jìn)行實驗內(nèi)容的確定、實驗三維模型的建立、實驗器件及模型的設(shè)計、界面設(shè)計、程序代碼的添加、儀器控件的制作、進(jìn)行虛擬實驗、驗證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的調(diào)試與修改、實驗系統(tǒng)的調(diào)整。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

3 仿真實驗開發(fā)工具

3.1 Unity3D游戲引擎

本研究虛擬仿真實驗的開發(fā)工具主要為Unity3D游戲引擎，Unity3D具有強(qiáng)大的交互性能、良好的虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)能力、同多載體良好的兼容能力，在教育教學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用Unity3D完全能夠開發(fā)出具有極高的交互性和真實性以及可操控性能好的虛擬系統(tǒng)，利用在遠(yuǎn)程教育上可以使用戶體驗極高的教學(xué)效果[5]。

3.2 Mono Develop腳本編輯器

在本實驗研究中采用的腳本編輯器具有極大的自由性，由于這是一個開放源代碼集成的、跨多平臺的開發(fā)環(huán)境，所以無論是個人還是公司企業(yè)都可以對其進(jìn)行操作，具有極大的自由性，可以在多種環(huán)境下進(jìn)行操作。Mono Develop整合了許多Microsoft Visual Studio和Eclipse的特性。該編輯器跨平臺功能強(qiáng)大，使用十分方便，Unity公司將其作為核心腳本開發(fā)環(huán)境進(jìn)行使用。

3.3 三維建模軟件

本研究中使用到的三維建模軟件是由Autodesk公司所推出的一款建模軟件，該公司是在PC的基礎(chǔ)上，完美繼承了三維動畫的編輯功能、制作功能、播放功能，并且還和渲染軟件、三維建模等等共同結(jié)合創(chuàng)造除了3DS Max。3DS Max軟件的優(yōu)勢在于其是結(jié)合了三維動畫功能、渲染功能和三維建模功能等多重功能的軟件，一款軟件多重功能，性價比更高；也更加便于操作，無論是公司企業(yè)還是個人選擇，無疑是頭號之選。

3.4 圖片繪制工具

而其在處理圖像的時候，主要的對象是基于像素所形成的數(shù)字圖像。由于該圖像處理軟件的功能和性價比等都十分卓越，深受人們喜愛，特別是一些需要對成像進(jìn)行處理的行業(yè)，例如藝術(shù)設(shè)計、美術(shù)制圖、網(wǎng)頁的制作上面都有著Photoshop軟件的蹤跡。而在本實驗的操作中，對于Photoshop應(yīng)用大多還是以制圖和計算機(jī)美術(shù)等為主，對于虛擬仿真試驗系統(tǒng)的進(jìn)行繪圖和貼圖。

3.5 視頻編輯處理軟件

在本研究的仿真實驗中，使用的實驗視頻為Premiere視頻編輯處理軟件，對于該視頻編輯處理軟件的應(yīng)用環(huán)節(jié)還是在后期的編輯和操作等等，對于視頻進(jìn)行后期修改處理。而Premiere也是Adobe公司所開發(fā)的產(chǎn)品，是一款常用的視頻編輯處理軟件，其優(yōu)點是高效、易學(xué)、兼容性強(qiáng)。

4 虛擬仿真實驗的實現(xiàn)

在進(jìn)行虛擬實驗的開發(fā)時，其流程主要包括三個階段，用VIRTOOLS進(jìn)行交互控制和數(shù)據(jù)處理；用3DMAX構(gòu)建實驗場景和三維模型；最后以網(wǎng)頁形式或可執(zhí)行文件輸出。圖2為虛擬實驗開發(fā)的流程圖。

圖2 虛擬實驗開發(fā)的流程圖

4.1 三維模型的創(chuàng)建

在虛擬仿真實驗中，三維模型是采用3DS Max軟件進(jìn)行制作。3DS Max的建模的包括實驗桌、實驗室、畫像框、垃圾筐以及一系列在實驗中所涉及到的實驗儀器等等；而在Unity3D的建模操作過程中，主要創(chuàng)造對象是在平拋運動中中用到的細(xì)線、小球以及在平拋運動中涉及到的輔助器械等等。而其他的三維物體的創(chuàng)建基本是可以直接利用Unity3D中資源庫的模型，從而創(chuàng)建花草和樹木等一系列自然景觀。

4.2 繪制貼圖

在本文的虛擬仿真試驗研究中，需要利用到貼圖軟件的部分主要是以下這三種：第一是系統(tǒng)操作界面圖形圖像；第二種是各類材質(zhì)貼圖，包括參考方格表和實驗儀器上測量刻度表等；第三種是實驗教學(xué)和實驗中有關(guān)的文字說明和圖像說明等，例如平拋運動過程中小球經(jīng)歷了平拋運動后的運動軌跡可以在圖中顯示出來?？衫迷摫矸治鲂∏蜻\動。在3DS Max中，在前視窗口達(dá)到最大化的時候，可以同時按下PrintScreen鍵和Alt鍵，從而進(jìn)行視頻截圖功能，可以得到該刻度表的平面尺寸圖。圖3為圖案貼圖中的畫筆。

圖3 圖案貼圖中的畫筆

4.3 使用Unity3D進(jìn)行工作

三維游戲引擎Unity3D是本研究虛擬仿真實驗的主要整合工具和開發(fā)工具。在制作完成所有貼圖和模型后，將其導(dǎo)入Unity3D中，然后進(jìn)行后續(xù)工作。將模型從3DS Max中導(dǎo)出，使其成為FBX類型的文件。與Unity3D相比，F(xiàn)BX類型的三維模型較為適合，系統(tǒng)能對其進(jìn)行很好的識別。在Unity3D中，導(dǎo)入所有素材資源，就可以在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行自動識別分類儲存。首先創(chuàng)設(shè)的是實驗環(huán)境和場景，在場景中，最先一步的就是創(chuàng)建一個平行光，這樣一來就可以模擬太陽光線從而照亮整個場景。通過鼠標(biāo)操作，一一點擊選擇后將實驗所需和涉及到的實驗儀器和設(shè)備等都選入場景中，例如實驗桌、實驗室、畫像框、垃圾筐以及一系列在實驗中所涉及到的實驗儀器等。根據(jù)真實情況將各自位置調(diào)整好，并將實驗室環(huán)境布置好。在實驗室天花板下，進(jìn)行四個點光源的設(shè)置，從而用于模擬實驗室內(nèi)部的光照設(shè)備。當(dāng)實驗室場景中的儀器設(shè)備和光照設(shè)施等都完成了之后，就可以打開投影功能，從而增強(qiáng)場景的仿真效果。

5 實驗視頻

通過實驗視頻的拍攝與應(yīng)用，可以有效地幫助受教育者對于實驗的操作步驟進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)受教育者對于實驗中的操作步驟或原理等有不理解的地方，可以通過反復(fù)的觀看實驗視頻，從而解決困惑，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。與傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)相比，三維模擬實驗視頻系統(tǒng)有其特別之處，對于實驗教學(xué)特別適合。

5.1 錄制實驗視頻

對于實驗視頻內(nèi)容的主體是實驗的全部操作步驟，將其完全拍攝下后，并將視頻中使用的解說詞定下。一個實驗學(xué)習(xí)者需要從不同角度觀察，因此使用兩個機(jī)位進(jìn)行拍攝，且全部為主要鏡頭機(jī)位。例如在平拋運動中，主要是分析小球在運動過程中，水平方向和垂直方向運動的關(guān)系，由于小球在進(jìn)行平拋運動，如果只是在小球的前方設(shè)置一個攝影機(jī)，雖然可以觀看到小球的位置關(guān)系，但對于學(xué)習(xí)者來說，從肉眼看，兩個小球在拋出之后是屬于同一水平線的，無法去判斷其在垂直方向上的運動軌跡，所以適當(dāng)?shù)脑黾右粋€機(jī)位可以更好的突出小球軌跡，證明自由落體和平拋運動分運動的等時性，更加方便理解和學(xué)習(xí)。

5.2 編輯處理實驗視頻

對于視頻的后期編輯操作主要使用的是Premiere軟件，Premiere軟件對于視頻的處理功能主要是視頻的剪裁、插入圖片對視頻中的瑕疵進(jìn)行修補、采用調(diào)整文件Alpha值在視頻銜接處制作淡入淡出效果、將原有音頻文件移除、對小段視頻持續(xù)速度進(jìn)行修改獲得慢鏡頭效果、對實驗中用到的輔助圖形進(jìn)行繪制、進(jìn)行字幕文件的制作等。在Premiere中，使用Adobe Media Encoder軟件將視頻導(dǎo)出，其格式為AVI。因后期編輯設(shè)置、攝像機(jī)硬件設(shè)備、AVI格式文件等，造成AVI輸出文件非常龐大。因而在后續(xù)工作中，要在Unity3D中導(dǎo)入視頻文件，并通過對視頻格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使AVI視音頻文件轉(zhuǎn)化成MP4格式。

5.3 在Unity3D中視頻導(dǎo)入并播放

在Unity3D中，在導(dǎo)入視頻文件時，可把視頻文件直接拖動，然后使用菜單命令或放入工程一欄中導(dǎo)入。在成功導(dǎo)入視頻文件后，會顯示其自帶的音頻文件。在Unity3D中，若要播放視頻，就需要重新對于該視頻文件對象物體的新建，即在場景中創(chuàng)建一個新的物體用于導(dǎo)入視頻的播放，需要播放該視頻時就調(diào)用新建物體。圖4為仿真實驗中平拋運動實驗視頻圖。

圖4 平拋運動實驗視頻

6 結(jié)語

本文基于三維圖像技術(shù)，對多媒體交互實驗教學(xué)場景的創(chuàng)設(shè)進(jìn)行了研究。利用Unity3D搭建了虛擬實驗室，營造了一個充滿真實感、新穎的，使學(xué)習(xí)者處于臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境。三維模型采用3DS Max軟件進(jìn)行制作，通過將AVI文件轉(zhuǎn)成MP4格式，使原來6.8 GB的AVI格式文件經(jīng)過轉(zhuǎn)換后形成僅有40.5 MB的文件，且視頻質(zhì)量良好的。模擬實驗作品通過Unity3D可發(fā)布為多種媒體格式，這是傳統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)所難以實現(xiàn)的。