基于VR技術(shù)的三維圖形創(chuàng)作課程教學(xué)模式探究

摘? 要：隨著數(shù)字信息化時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸在教育領(lǐng)域的諸多方面都實(shí)現(xiàn)了快速融合發(fā)展。文章依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合數(shù)字媒體藝術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，研究其對(duì)三維圖形創(chuàng)作課程的教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、資源利用等方面所產(chǎn)生的積極作用和重要意義。通過研究重新構(gòu)建該類課程的教學(xué)框架和教學(xué)體系，提高教與學(xué)的高質(zhì)高效，優(yōu)化人才培養(yǎng)內(nèi)核。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);建筑動(dòng)畫;仿真性;交互性;體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP39;G434? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）22-0183-04

Abstract： With the advent of the digital informatization era， virtual reality technology has gradually achieved rapid integration development in many aspects of the field of education. Relying on the advantages of virtual reality technology， combined with the discipline characteristics of digital media art and digital media technology， this paper studies the positive role and significance of virtual reality technology in the teaching method， teaching content and resource utilization of 3D graphics creation course. Through research， reconstruct the teaching framework and teaching system of this kind of courses， improve the high quality and efficiency of teaching and learning， and optimize the core of talent training.

Keywords： virtual reality; architectural animation; simulation; interactivity; experience

0? 引? 言

“數(shù)字化表示人類實(shí)踐方式的革命，也是其生存方式、感覺方式、思維方式和行為方式的革命……”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為當(dāng)下數(shù)字影像交互的重要手段，其技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形仿真、智能感知傳感器、數(shù)據(jù)交互集成等多種科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)與我們真實(shí)世界感知方式完全一致的特別虛擬空間。作為數(shù)字化時(shí)代下的一種信息化交互技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、電子技術(shù)、物理學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。近年來，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)中的三維圖形創(chuàng)作相關(guān)課程與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合性趨勢(shì)日益增強(qiáng)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式、仿真化、想象性的獨(dú)特多維感官體驗(yàn)特點(diǎn)，在視覺設(shè)計(jì)作品的虛擬展示與創(chuàng)意表達(dá)方面表現(xiàn)已經(jīng)十分成熟，但在三維圖形創(chuàng)作相關(guān)課堂教學(xué)的應(yīng)用研究卻仍然有限。本文以建構(gòu)三維圖形創(chuàng)作課程教學(xué)新模式為目標(biāo)，結(jié)合本人具體教學(xué)實(shí)踐工作，依托VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實(shí)三維交互平臺(tái)，探討創(chuàng)新教學(xué)融合新模式中的課程教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源共享等問題。

1? 構(gòu)建體驗(yàn)式仿真教學(xué)平臺(tái)

近幾年，國(guó)內(nèi)各類院校的三維圖形創(chuàng)作課程教學(xué)模式普遍采用“工具講授+案例實(shí)操”的方式，即教師在授課過程中將三維設(shè)計(jì)軟件的常用工具操作與案例制作流程相結(jié)合，分步驟分類型講解。該方式仍然是一種線性、單向填充式的教學(xué)方式，缺少對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)的全面拆解認(rèn)知，無法幫助學(xué)生快速構(gòu)建立體空間思維，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力較弱。而通過VR技術(shù)的有效加持，重新構(gòu)建仿真模擬的三維交互教學(xué)課堂，通過對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行視覺上的仿真感官體驗(yàn)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)由被動(dòng)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)接受，形成多維體驗(yàn)，打破教學(xué)中時(shí)間與空間對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力的限制，從課堂向VR課堂的漸進(jìn)性轉(zhuǎn)變，如圖1所示。

“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)的是使人們?cè)隗w驗(yàn)逼真情境之前試圖建立起自身對(duì)于接下來可能發(fā)生之事的一種道德判斷，繼而在接下來的虛擬體驗(yàn)中還原、推進(jìn)這種仿真體驗(yàn)?！庇纱丝梢姡ㄟ^虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠完成了對(duì)感知物象的表層模擬仿真，還可以對(duì)參與者的在場(chǎng)情感進(jìn)行仿真。如圖2所示，學(xué)生通過VRP虛擬交互學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行各類攝像機(jī)的正確使用，從而更好地運(yùn)用攝像機(jī)完成各類場(chǎng)景，這種仿真具身體驗(yàn)是傳統(tǒng)教學(xué)不能比擬的。

例如，在該課程中三維模型建模知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐教學(xué)中，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真特性，通過構(gòu)建出沉浸式虛擬仿真環(huán)境，為課堂教學(xué)提供教學(xué)工具的新嘗試。通過虛擬仿真教學(xué)的場(chǎng)景得到的視覺體驗(yàn)，消除學(xué)生以往主觀情感對(duì)于三維體面關(guān)系的消極狀態(tài)，增強(qiáng)對(duì)于建模知識(shí)的主動(dòng)認(rèn)知。結(jié)合VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)輔助教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)模型的體面、尺寸、材質(zhì)、肌理等要素形成具身體會(huì)與認(rèn)知。具體實(shí)施步驟如下：（1）利用該虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)與3Ds Max三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)無縫集成特點(diǎn)，將不同風(fēng)格類型的建筑樣本結(jié)構(gòu)，通過該虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行360度全景仿真展示。比如學(xué)生通過簡(jiǎn)單而直觀的操作就可以實(shí)現(xiàn)水泥、石頭、木頭、金屬等各種復(fù)雜的實(shí)時(shí)材質(zhì)模擬。（2）改變教學(xué)單向輸入式的弊端。通過前期設(shè)計(jì)好的腳本交互設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置模型建模、復(fù)合對(duì)象建模、二維圖形建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等多種三維模型方法的對(duì)比式深度學(xué)習(xí)，每一種建模方式單元下均設(shè)置建模技術(shù)文本、教學(xué)視頻、建筑風(fēng)格演繹及建筑結(jié)構(gòu)尺寸圖表等詳細(xì)內(nèi)容，便于多媒介化地引導(dǎo)學(xué)生消化吸收主要知識(shí)點(diǎn)。從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中真正讓抽象復(fù)雜的建模概念變得直觀易懂，而且還加強(qiáng)了相關(guān)模型理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。（3）有效激發(fā)學(xué)生的自學(xué)動(dòng)機(jī)。學(xué)生在三維制作平臺(tái)中制作三維模型過程中，可以隨時(shí)切換至VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，針對(duì)未完全掌握的建模方法技術(shù)要領(lǐng)或感興趣的知識(shí)要點(diǎn)，進(jìn)行全方位、多視角、動(dòng)態(tài)化地體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)軟件課程的學(xué)習(xí)觀念，提高學(xué)生的三維空間構(gòu)建能力，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該門課程的動(dòng)手能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅使抽象的三維圖形創(chuàng)作課程的知識(shí)內(nèi)容更加具體和精準(zhǔn)，而且拓展了課程教學(xué)體驗(yàn)的維度和深度，如圖3所示。

2? 重塑課程教學(xué)內(nèi)容的框架

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該門課程教學(xué)中的介入，不僅改變了傳統(tǒng)的垂直思維模式的教學(xué)方式，而且也重新對(duì)三維圖形創(chuàng)作課程內(nèi)容提出了新的要求。各類院校的三維圖形創(chuàng)作課程的教學(xué)目標(biāo)也基本都是圍繞如何完成一部可以在多種媒介環(huán)境下播放的主題性多幀三維動(dòng)畫作品來展開的。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)化、沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)交互式三維作品也逐步被市場(chǎng)認(rèn)可并廣泛應(yīng)用。三維圖形作品的多元化呈現(xiàn)形式已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，為了適應(yīng)快速發(fā)展的社會(huì)，以及社會(huì)對(duì)復(fù)合型設(shè)計(jì)人才的迫切需求，進(jìn)行有效課程內(nèi)容的革新勢(shì)在必行。這也就意味著學(xué)生在掌握原有知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，需要掌握主流虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的關(guān)鍵性技術(shù)。課程教學(xué)講授內(nèi)容也由原來講授三維模型制作技術(shù)、材質(zhì)貼圖技術(shù)、人物動(dòng)畫設(shè)定技術(shù)、燈光布局技術(shù)、攝像機(jī)設(shè)定技術(shù)、渲染輸出技術(shù)、后期剪輯及特效合成等內(nèi)容逐步擴(kuò)展為講授跨平臺(tái)融合性的技術(shù)學(xué)習(xí)，比如人機(jī)交互結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真模擬設(shè)計(jì)、高精度碰撞檢測(cè)算法、用戶界面設(shè)計(jì)、三維運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)等內(nèi)容。內(nèi)容的擴(kuò)充更新變化對(duì)老師和學(xué)生都提出了新的要求，也更有利于課程的開放式發(fā)展和相關(guān)課程的銜接。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)交互平臺(tái)與三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享的先天優(yōu)勢(shì)，通過前期在3Ds Max、Maya等三維動(dòng)畫平臺(tái)中構(gòu)建虛擬仿真世界三維模型基層，學(xué)生在三維動(dòng)畫平臺(tái)中制作完成的三維模型、配景模型、人物動(dòng)畫綁定、相機(jī)、燈光、材質(zhì)貼圖等動(dòng)畫設(shè)計(jì)要素，通過調(diào)整、烘焙、整合后，導(dǎo)入主流的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP、Unity3d、UE4等引擎中，根據(jù)創(chuàng)作要求設(shè)計(jì)各種仿真交互功能，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)沉浸式作品的創(chuàng)作?！八幸曈X的再現(xiàn)都以某種方式制造，其生產(chǎn)的環(huán)境條件則可能促成視覺再現(xiàn)的效果”這種新的內(nèi)容加持，使圍繞在作品周邊的設(shè)計(jì)者、參與者、旁觀者的身份也發(fā)生變更。課程的過程反饋和結(jié)果形態(tài)都顯示出比以往更豐富的內(nèi)容?？梢娊换ヌ匦缘奶摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅拓展了三維可視化作品的空間與時(shí)間維度，而且培養(yǎng)了學(xué)生換位思考的能力，啟迪了學(xué)生的創(chuàng)作新思路，延展了三維動(dòng)畫的發(fā)展邊界。

如圖4所示，以VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)為例，學(xué)生可以在該平臺(tái)中自由設(shè)置多種瀏覽模式，包括行走、飛行、靜觀、攝像機(jī)動(dòng)畫等，即可實(shí)現(xiàn)不同方式的瀏覽及隨機(jī)切換。這種即見即所得的直觀反饋，改變了以往生硬的攝像機(jī)軌跡設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓同學(xué)隨時(shí)可以嘗試新想法的設(shè)計(jì)可行性。另外，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，控制模式還可以通過熱區(qū)、熱鍵來進(jìn)行切換。人物行走模式中，默認(rèn)將開啟碰撞檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)游戲般的漫游。最后用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤、頭盔、手柄、虛擬眼鏡等外界設(shè)備，完成作品中虛擬事件的隨機(jī)觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)、腳本流程，并與三維場(chǎng)景中的建筑、人物等相關(guān)屬性進(jìn)行各種方式的互動(dòng)。

由此可見，教學(xué)內(nèi)容的跨平臺(tái)擴(kuò)展有積極的作用，不僅反饋在作品的呈現(xiàn)形態(tài)由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)、由封閉向交互、由被動(dòng)接受到主動(dòng)體驗(yàn)發(fā)展。而且也使課程構(gòu)架趨于合理化，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的選擇多樣化，將課程內(nèi)容的重心從技術(shù)的學(xué)習(xí)逐步推移至創(chuàng)新思維的訓(xùn)練上。

3? 實(shí)現(xiàn)課程共享資源的同步

目前三維圖形創(chuàng)作課程教學(xué)資源主要由課程教案及對(duì)應(yīng)授課視頻、案例三維模型樣本、模型材質(zhì)貼圖樣本、三維場(chǎng)景燈光樣本、三維動(dòng)畫流程設(shè)計(jì)文本及圖表、動(dòng)畫腳本文件、分組設(shè)計(jì)實(shí)踐作品集、各類三維軟件及插件包等內(nèi)容組成。如何有效利用課程教學(xué)資源、不斷更新擴(kuò)充課程資源，并且解決學(xué)生高效復(fù)習(xí)及有效自學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)一直是亟待解決的問題?！耙?yàn)樘摂M環(huán)境是一個(gè)信息化環(huán)境，一切規(guī)范化的信息可以無障礙、瞬間即達(dá)整個(gè)虛擬世界，人們的信息系統(tǒng)是基于世界系統(tǒng)相連的，而且全部是信息化和數(shù)字化的結(jié)果……”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介入很好地彌補(bǔ)了該教學(xué)環(huán)節(jié)的短板，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)課堂與資源平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)互動(dòng)，如圖5所示。

以VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)為例，利用該平臺(tái)的關(guān)聯(lián)及整合多種數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)，目前正在調(diào)試虛擬共享資源數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，已經(jīng)完成各類三維數(shù)字模型庫、貼圖素材庫及授課視頻庫的建設(shè)工作。平臺(tái)通過ADO數(shù)據(jù)庫接口，與SQL、ACCESS等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，學(xué)生可以從數(shù)據(jù)庫中輕松調(diào)閱三維模型樣本、動(dòng)畫軌跡文件以及各種三維模型數(shù)據(jù)查詢信息，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的后臺(tái)動(dòng)態(tài)更新，模型信息查詢等功能，如圖6所示。

利用該虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)內(nèi)嵌貼圖瀏覽器，教師與學(xué)生不僅可以快速方便地對(duì)各種格式的材質(zhì)貼圖進(jìn)行查找，支持各類常用格式（bmp、jpg、png、psd、tga等）。而且通過查看圖片的alpha通道，實(shí)現(xiàn)資源文件的同步處理。比如在VRP-BUILDER平臺(tái)上調(diào)入自己設(shè)計(jì)的三維模型時(shí)，可以將模型建筑材質(zhì)所采用的圖片調(diào)入圖像編輯軟件PS中進(jìn)行處理，VRP中的三維模型文件材質(zhì)可保持同步更新，學(xué)生及時(shí)觀察修改后的模型材質(zhì)效果。另外還可以查看三維模型場(chǎng)景中所用到的所有貼圖容量信息，并對(duì)材質(zhì)貼圖的加載格式和大小進(jìn)行設(shè)定，自動(dòng)管理場(chǎng)景中所有貼圖。虛擬共享資源數(shù)據(jù)庫的運(yùn)用，不僅極大節(jié)省了學(xué)生在三維動(dòng)畫制作軟件中的渲染測(cè)試時(shí)間，極大提高了課程案例的制作準(zhǔn)確，而且根據(jù)學(xué)習(xí)需要，在課堂教學(xué)結(jié)束后有針對(duì)性地調(diào)用各類后臺(tái)課程數(shù)據(jù)資源，真正地打破了校內(nèi)校外、課上課下的界限，保證了學(xué)習(xí)的延續(xù)性和實(shí)時(shí)效率。

4? 結(jié)? 論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過交互、沉浸、仿真等特征創(chuàng)造性的貫穿于三維圖形創(chuàng)作教學(xué)全過程中，對(duì)三維圖形創(chuàng)作課程教學(xué)具有實(shí)際意義，在重新定義了該課程中的教學(xué)模式及內(nèi)容，打破傳單維統(tǒng)線性的教學(xué)模式的同時(shí)，也在嘗試如何拓寬交互體驗(yàn)式的教學(xué)思路，從而切實(shí)促進(jìn)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的全面掌握，也符合社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才的迫切需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉雪芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫中的應(yīng)用 [J].信息與電腦（理論版），2019，31（21）：142-144.

[2] 張曉娜.淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維動(dòng)畫教學(xué)中的應(yīng)用 [J].美術(shù)大觀，2018（6）：148-149.

[3] 范永富.“虛”“實(shí)”結(jié)合，體驗(yàn)式互動(dòng)教學(xué)的創(chuàng)新性探索——以三維動(dòng)畫制作課程為例 [J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（12）：243-244.

[4] 楊慶，黃陳蓉.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討 [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（3）：94-97.

[5] 方浩，馬靜波.虛擬現(xiàn)實(shí)VRP深度交互實(shí)例精解 [M].北京：印刷工業(yè)出版社，2012.

[6] 張海帆，汪紹榮.基于Simulink和VR工具箱的虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真 [J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（28）：212-213+266.

[7] 劉正宏.非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用與教育化傳承研究 [M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2018：144.

作者簡(jiǎn)介：張志騰（1982.03—），男，漢族，甘肅酒泉人，任職于教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，講師，碩士研究生，主要研究方向：建筑三維可視化表現(xiàn)、建筑虛擬仿真交互研究、數(shù)字繪畫。