基于VR技術(shù)的環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)課程教學(xué)資源的研究與開發(fā)

劉銳　蘇高峰

【摘 要】隨著當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）的迅猛發(fā)展與普及，人類的教育方式和學(xué)習(xí)方式也隨之發(fā)生了深刻的變化。目前在國(guó)際工程設(shè)計(jì)教育領(lǐng)域中，已經(jīng)出現(xiàn)了基于VR技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)、虛擬訓(xùn)練等形式。但在設(shè)計(jì)學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，利用VR技術(shù)不僅能夠增強(qiáng)設(shè)計(jì)教學(xué)的互動(dòng)性，還能夠突破以往案例教學(xué)認(rèn)知模式的局限性，改變了以往空間環(huán)境設(shè)計(jì)的思維定式，具有較好的發(fā)展前景。本文描述了以《住宅空間設(shè)計(jì)》為例，開展基于VR技術(shù)的空間設(shè)計(jì)課程教學(xué)資源的開發(fā)過程，并對(duì)開發(fā)過程進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí);空間設(shè)計(jì);教學(xué)資源

中圖分類號(hào)： TU238.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0124-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.059

隨著當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）的迅猛發(fā)展與普及，人類的教育方式和學(xué)習(xí)方式也隨之發(fā)生了深刻的變化。目前在國(guó)際工程設(shè)計(jì)教育領(lǐng)域中，已經(jīng)出現(xiàn)了基于VR技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬試驗(yàn)、虛擬訓(xùn)練等形式。借助VR技術(shù)的沉浸性和交互性特征，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)角色，并能全身心地投入其中，這非常有利于學(xué)生的思維與技能訓(xùn)練。

1 研究背景與意義

空間與環(huán)境設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者有很強(qiáng)的空間想象能力，需要不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高度綜合。它既包括視覺環(huán)境和工程技術(shù)方面的問題，也包括聲、光、電等物理環(huán)境以及氛圍、意境等心理環(huán)境和文化內(nèi)涵等內(nèi)容。因此，知識(shí)結(jié)構(gòu)和自身體驗(yàn)成為學(xué)好這個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)。然而當(dāng)前的空間設(shè)計(jì)教育仍然是以傳統(tǒng)的教育模式為主，在信息傳遞和體驗(yàn)實(shí)踐上都存在著不足，主要有以下三方面：

第一，當(dāng)前主要教學(xué)方式仍然是以教師講授為主，借助板書及多媒體的輔助，將教學(xué)內(nèi)容傳遞給學(xué)生。在這樣的模式下，教師雖然已經(jīng)盡可能形象地解釋某些知識(shí)點(diǎn)，但由于學(xué)生的認(rèn)知程度不同，而造成不同程度的“理解盲點(diǎn)”。而學(xué)生往往忽視答疑緩解，而導(dǎo)致盲點(diǎn)的不斷累積。

第二，環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)課程中的部分教學(xué)環(huán)節(jié)需要相關(guān)教學(xué)模型或真實(shí)場(chǎng)景的配合，提高教學(xué)效果。但現(xiàn)實(shí)中由于受到時(shí)間、場(chǎng)地、資金的限制，始終無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。

第三，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情雖然較高，但對(duì)于一些通識(shí)性的知識(shí)點(diǎn)（例如裝飾材料與結(jié)構(gòu)）需要通過重復(fù)性地溫習(xí)，才能達(dá)到掌握的標(biāo)準(zhǔn)。而傳統(tǒng)工具書的示意圖例由于繪制的局限性，無(wú)法直觀地體現(xiàn)出來(lái)。

以《住宅空間設(shè)計(jì)》為例，開發(fā)基于VR技術(shù)的教學(xué)課件。圍繞住宅空間規(guī)劃、陳設(shè)、照明等相關(guān)方面的知識(shí)點(diǎn)，發(fā)揮VR技術(shù)的交互性、多樣性、開放性的特點(diǎn)，改變學(xué)生與各種信息發(fā)生交互的方式，加速傳授知識(shí)的過程、鞏固對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶深度。

2 住宅空間設(shè)計(jì)VR體驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）沉浸式的視覺體驗(yàn)效果以及優(yōu)秀的交互式操作方式，能夠較好地讓受眾能夠快速的帶入到虛擬世界中。整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為：{1}空間環(huán)境的內(nèi)容素材制作。{2}交互內(nèi)容的邏輯實(shí)現(xiàn)。

2.1 空間環(huán)境的內(nèi)容素材制作。

利用三維軟件（MAYA、3DMAX）等軟件在設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的制作，在此階段模型的制作是其中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，首先要考慮的是比例尺寸，因?yàn)樵赩R實(shí)現(xiàn)的過程中一般會(huì)按照正常1.7米人的身高比例進(jìn)行設(shè)計(jì)框架，這樣可以較好地與引擎實(shí)現(xiàn)比例相互匹配。其次需要嚴(yán)格控制模型的面數(shù)，盡可能為引擎的素材較少資源，為后期打包運(yùn)行流暢度做前期的準(zhǔn)備。

模型制作過程中區(qū)別與普通三維靜態(tài)模型的制作方法，在UV的設(shè)定中必須分布兩套UV，一套是貼圖材質(zhì)UV，一套是光照UV，如不這樣生成，在后期引擎渲染中會(huì)造成模型表面發(fā)黑或光照渲染錯(cuò)誤的情況，進(jìn)而影響最終的運(yùn)行和體驗(yàn)效果。如圖（1、2）所示

模型的制作修改和調(diào)整依靠物體本身的坐標(biāo)來(lái)調(diào)節(jié)，現(xiàn)在的VR引擎市面運(yùn)用范圍較廣輸出效果較好的兩種引擎有Unitd3D、Unreal Engine4兩種引擎，不同的公司會(huì)根據(jù)自己的不同需求運(yùn)用更多的引擎。這兩款引擎軟件對(duì)三維模型的識(shí)別度較好，但是引擎對(duì)三維模型制作有分廠嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如模型坐標(biāo)本身與引擎的坐標(biāo)識(shí)別方式不同，因此在三維軟件制作中制作完成一個(gè)模型后中心點(diǎn)必須歸零，調(diào)節(jié)至網(wǎng)格中心點(diǎn)，反之引擎是會(huì)記錄模型本身和中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)差值，容易造成無(wú)法調(diào)節(jié)或不方便調(diào)節(jié)的問題，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)中不明確是世界空間坐標(biāo)還是物體本身所在的坐標(biāo)如圖（3、4）所示。

2.2 交互內(nèi)容的邏輯實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式的表現(xiàn)方式中畫面仿真度起著至關(guān)重要的作用，需要將三維模型素材進(jìn)行材質(zhì)燈光的二次構(gòu)建，因?yàn)樵谝骈_發(fā)的過程中所有的事件是在靠藍(lán)圖和C++程序編輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)觀看場(chǎng)景中細(xì)微的變化，周圍環(huán)境，無(wú)需借助渲染插件，所見即所得，能夠更好地整體把控效果，通過藍(lán)圖的實(shí)現(xiàn)，也可以在手柄觸發(fā)SDK的開發(fā)中方便地控制模型的不同材質(zhì)表現(xiàn)。如圖（5、6）所示。

交互內(nèi)容事件的實(shí)現(xiàn)載體是三維模型，將三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的模型素材導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine4中轉(zhuǎn)化成藍(lán)圖和可執(zhí)行腳本文件，便于更好的適配不同的端口。

VR系統(tǒng)的設(shè)定中的交互方式一般有三種，一種是觸碰式交互，第二種是手柄按鍵式交互，第三種是聲音頻譜交互。在本文中主要闡述手柄按鍵交互和觸碰式交互，手柄操作的完整入口如圖7。

受眾體驗(yàn)的過程中手柄的簡(jiǎn)單化操作才會(huì)符合人體的使用習(xí)慣，才能接近人們?nèi)粘Ｐ袨椴僮髁?xí)慣，那么在使用的過程中用手柄替代手，不能夠像手那樣靈活，所以在系統(tǒng)開發(fā)的過程中要用最簡(jiǎn)單的程序?qū)崿F(xiàn)最有效的交互體驗(yàn)，如體驗(yàn)觸碰物體（開關(guān)），拾取物體，控制燈光等等，做到一次觸發(fā)便可以完成任務(wù)，不能使用TICK事件占用某一部分功能性的操作。如拾取物體的效果入口事例如下所示：

所有的體驗(yàn)都應(yīng)該圍繞良好體現(xiàn)效果來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在視覺體驗(yàn)中如果畫面出現(xiàn)很多的UI標(biāo)簽，會(huì)破壞整體的效果，感覺所有都是凌亂的，也與教學(xué)的目的性的體驗(yàn)不符合，因此在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)運(yùn)用了隱形UI和顯性UI（既觸碰顯性形UI設(shè)計(jì)和TIGE觸發(fā)式隱性UI），解決方案如圖（8-11）。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)預(yù)示了現(xiàn)代教育手段和方式變革的到來(lái)，這也為空間設(shè)計(jì)教育找到了很好的切入點(diǎn)：它能使學(xué)生主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)的過程中，能帶給學(xué)生形象直觀的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，能提供動(dòng)態(tài)形象，能使學(xué)生完全感受到新的三維體驗(yàn)，對(duì)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展是十分有利的，也是其他學(xué)習(xí)環(huán)境所無(wú)法比擬的。結(jié)合“住宅空間設(shè)計(jì)VR體驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)”的實(shí)踐，總結(jié)出以下三點(diǎn)：

第一，通過對(duì)數(shù)字化課件的開發(fā)，有利于整理和重新審視課程的教學(xué)進(jìn)度組織與安排是否得當(dāng)，各種教學(xué)手段應(yīng)用的比重是否合理，教學(xué)效率是否得到有效提高。

第二，運(yùn)用VR技術(shù)的空間設(shè)計(jì)教育模式切合了建構(gòu)主義所提倡的在教師指導(dǎo)下的“以學(xué)習(xí)者為中心”的學(xué)習(xí)，既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)識(shí)主體作用，又發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用。

第三，為設(shè)計(jì)類專業(yè)其他課程的課件開發(fā)提供了參考范式，隨著5G時(shí)代的到來(lái)，借助云平臺(tái)可以研發(fā)出反饋速度更快的教學(xué)體驗(yàn)系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

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