虛擬現(xiàn)實技術(shù)在3DSMAX課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄒昌

（湖南工程學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院）

3DSMAX是3D Studio Max的簡稱，是Discreet公司開發(fā)（后被Autodesk公司合并）的三維動畫渲染及制作軟件[1]。目前，在國內(nèi)的建筑設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計等行業(yè)3DSMAX被廣泛應(yīng)用于動畫漫游、效果圖渲染等工作，鑒于它出色的渲染表現(xiàn)效果，在市場有著極高的占有率，設(shè)計公司在招聘時往往會把應(yīng)聘者是否熟練掌握3DSMAX軟件作為重要的考察內(nèi)容，因此，現(xiàn)在許多高校的環(huán)境設(shè)計專業(yè)幾乎都會開設(shè)3DSMAX相關(guān)課程，可以說3DSMAX軟件的學(xué)習(xí)對于想要從事相關(guān)設(shè)計行業(yè)的學(xué)生來說是至關(guān)重要的。

現(xiàn)代社會信息技術(shù)迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)普及到千家萬戶，由此對大眾的生活學(xué)習(xí)也產(chǎn)生了巨大的影響，信息傳播從二維文字圖像到三維場景構(gòu)建以至于現(xiàn)在的計算機虛擬環(huán)境的模擬交互的發(fā)展變化，接踵而至的各種新興科技變革不斷沖擊著人們接受信息時的觀念與方式，而如何將數(shù)字化的科技理念與設(shè)備融入教育課堂，對現(xiàn)行教學(xué)的方式方法變革也提出了新的課題。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

我們現(xiàn)在常說的虛擬現(xiàn)實（VR）是使用電腦計算機對各種現(xiàn)實場景進行三維空間構(gòu)建，借助于計算機強大的計算與展示能力，為用戶提供可與機器進行人機交互的環(huán)境，在近似真實的模擬環(huán)境中進行工作、學(xué)習(xí)、娛樂等活動。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)課堂上的應(yīng)用已成為一個新的趨勢，利用計算機建模和展示交互技術(shù)來模擬不同學(xué)科的知識環(huán)境，為學(xué)生提供直觀可互動的體驗場景和模式，可以極大地提升學(xué)生對所學(xué)知識的興趣與學(xué)習(xí)效果。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教學(xué)情境單一，交互模式只存在于教師與學(xué)生的肢體與語言互動，缺乏科技技術(shù)手段的介入，新時代的大學(xué)生往往對計算機電腦技術(shù)有濃厚的興趣，并且大多具有網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境的交互體驗，那種傳統(tǒng)的缺乏視知覺感官體驗與刺激的教學(xué)在一定程度上對于學(xué)生來說是枯燥和乏味的，而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的課堂介入，可以豐富課堂教學(xué)手段，提升教學(xué)效果。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在比如歷史、地理等其他基礎(chǔ)理論課程中都可以發(fā)揮巨大的作用，在歷史課堂上，通過VR技術(shù)對曾經(jīng)發(fā)生過歷史事情場景的視覺感官體驗，能更好地幫助學(xué)生理解歷史事件、場景、人物等等重要知識要點，而在地理課上，對不同地域環(huán)境的交互觀察，會極大地提升學(xué)生探索現(xiàn)實世界的好奇心與興趣。在本課程中，我將利用3DSMAX建模完成的可視化室內(nèi)空間場景，使學(xué)生可以在課堂上利用電腦、手機桌面或虛擬眼鏡設(shè)備，實時操作場景并互動，以便觀察場景里各個部分節(jié)點效果，從而加強學(xué)生對3DSMAX軟件的理解以及實操能力，同時對自身空間想象力與方案設(shè)計水平的提高也有極大的幫助。

目前在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)上，美國的技術(shù)水平是最高的，普遍應(yīng)用在包括基礎(chǔ)科學(xué)、軍事訓(xùn)練、體育醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，而且VR技術(shù)最早是在美國發(fā)源并發(fā)展而來。二十世紀(jì)九十年初，美國東卡羅琳那大學(xué)成立的虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育實驗室（VREL）揭開了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育方面應(yīng)用的大幕[2]，自此開始每年都會有大學(xué)與科學(xué)基金會提供相關(guān)的研究資金為學(xué)生能在三維空間場景里更直觀、形象地參與學(xué)習(xí)過程提供支持。在歐洲，VR技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用主要集中在英國，比如諾丁漢大學(xué)的VIRART（Virtual Reality Application Research Team）的研究項目，其著眼點是如何運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助殘疾兒童提高學(xué)習(xí)效率。

國內(nèi)VR技術(shù)的應(yīng)用研究主要是在高校中進行，比如清華大學(xué)的臨場感研究、浙江大學(xué)在建筑學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的虛擬規(guī)劃與設(shè)計、北京航空航天大學(xué)的分布式飛行模擬等等。除此以外，其他科研院校都有立足于自身特色的相關(guān)虛擬科學(xué)技術(shù)研究，總結(jié)起來，VR技術(shù)在教育方面的應(yīng)用主要包括以下兩個方向：①虛擬仿真校園，即對校園環(huán)境的仿真模擬，學(xué)生利用計算機瀏覽虛擬的校園環(huán)境，加深歸屬感；②虛擬教學(xué)，即在理工學(xué)科方面的教學(xué)中大量采用設(shè)備對城市建筑、物理結(jié)構(gòu)等教學(xué)需要的環(huán)節(jié)進行虛擬技術(shù)仿真模擬，使學(xué)生獲得全新的學(xué)習(xí)體驗。本課題以虛擬現(xiàn)實的全景式照片在課程中融入為出發(fā)點，與3D仿真模型場景稍有區(qū)別，但更符合學(xué)校目前的實際教學(xué)情況，且依然能做到虛擬現(xiàn)實三個基本特性，即：交互性、沉浸感與想象。

二、3DSMAX課程教學(xué)目前存在的問題

為了適應(yīng)社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，目前國內(nèi)許多高校中的環(huán)境設(shè)計專業(yè)都會開設(shè)3DSMAX軟件類的課程，并且是作為核心類課程來設(shè)置，這也說明了它在設(shè)計教學(xué)中的重要性，但由于各院校間設(shè)備水平、師資力量等因素的影響，3DSMAX課程的教學(xué)會面臨一些問題。

①計算機軟硬件設(shè)備老舊。3DSMAX軟件之所以能在市場上受到追捧，很大部分原因是其真實的后期渲染效果，在一些網(wǎng)絡(luò)媒體上我們經(jīng)常看到的出色的三維效果圖與動畫視頻幾乎都是在3DSMAX中建模渲染完成，這也正是它能夠吸引許多初學(xué)者想要學(xué)習(xí)的動力來源，但是在現(xiàn)行的一些教學(xué)中，受制于教學(xué)設(shè)備老舊的問題，教師所講授的案例往往不能渲染出最好的效果，眾所周知，在教學(xué)的開始階段如果不展示出吸引人眼球和高質(zhì)量的作品，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情就會大打折扣。以筆者所在的湖南工程學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院環(huán)境設(shè)計專業(yè)為例，目前院內(nèi)能夠滿足3DSMAX軟件教學(xué)的機房只有3間，且其中能夠流暢運行3DSMAX軟件2012版本的機房只有1間，在實際的教學(xué)中，如果軟件模型文件稍微過大，電腦就會非常卡頓，這就造成教師在上課的時候只能講授一些文件比較小、內(nèi)容相對簡單的內(nèi)容，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)的知識十分有限。另外，機房中3DSMAX軟件安裝的版本過低，不能滿足學(xué)習(xí)需求，我們都知道3DSMAX軟件開發(fā)公司每隔一段時間就會推送最新的版本，增加和優(yōu)化原有的功能，如果學(xué)校的教學(xué)設(shè)備長期安裝較低版本的軟件，那么教師教授的內(nèi)容就是已經(jīng)過時的功能和命令，試想學(xué)生學(xué)習(xí)階段使用的都是遠遠落后于時代的軟件版本，那么工作以后在學(xué)校曾經(jīng)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容就更加無法滿足工作的需要。

②教學(xué)內(nèi)容針對性不強。3DSMAX軟件自身所包含的命令、功能十分復(fù)雜多樣，因此它能滿足許多設(shè)計行業(yè)，比如建筑、動畫、產(chǎn)品等設(shè)計的應(yīng)用需求，但如果在實際的學(xué)習(xí)中我們想要把所有的命令全部掌握是不太現(xiàn)實的，也是沒有必要的，并且在教學(xué)的過程中如果教師單純講解命令知識點而沒有專業(yè)方面的應(yīng)用，學(xué)生就很容易產(chǎn)生抵觸情緒，從而降低學(xué)習(xí)課程的興趣，因此，在軟件課程的教學(xué)內(nèi)容與方式方面，教師就必須根據(jù)專業(yè)方向進行設(shè)置，以湖南工程學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院環(huán)境設(shè)計專業(yè)為例，筆者在教學(xué)時與同學(xué)們交流的過程中發(fā)現(xiàn)，他們往往更渴望學(xué)習(xí)完整的、在實際中落地建成的設(shè)計作品（見圖1）的渲染方法，并且對于現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)頁漫游效果技術(shù)十分感興趣，但在學(xué)院內(nèi)目前的教學(xué)中，初階的模型制作占據(jù)了大部分課時，并且有一些模型的創(chuàng)建并不是與環(huán)境設(shè)計專業(yè)相關(guān)，可能是一些產(chǎn)品或者動漫的三維模型，實際上它們的教學(xué)對于本專業(yè)的學(xué)生來說，在以后的工作中會用到的概率是十分低的，因此3DSMAX的教學(xué)不僅僅要集中在軟件本身，更多的應(yīng)考慮專業(yè)的需求，以未來工作的社會需求為導(dǎo)向，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到真正有用的知識。目前，一些院校仍然存在著授課內(nèi)容與專業(yè)相關(guān)度不高、授課效果不佳的現(xiàn)象。

圖1 室內(nèi)空間效果圖

③教學(xué)方式因循守舊。我們在最初學(xué)習(xí)3DSMAX軟件的時候都會有這種體會，老師在課堂上講解完一個內(nèi)容后，如果單靠課堂練習(xí)，課后自己不反復(fù)理解、重復(fù)操作運用一個命令，可能就無法完全掌握所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，因此這就需要教師在教學(xué)中放棄傳統(tǒng)的那種課堂上講解示范完成之后學(xué)生操作，然后講解下一個知識點的方式，為了讓學(xué)生能夠有多次的學(xué)習(xí)課堂教學(xué)內(nèi)容的機會，達到讓學(xué)生真正能夠融會貫通的目的，教師在課堂上可以通過錄屏軟件將操作步驟記錄下來，將視頻文件拷貝發(fā)送給學(xué)生，增加學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容的途徑，不至于被復(fù)雜的命令和操作步驟所勸退。

不同的院校在教學(xué)中由于所面臨的條件差異還會遇到其他種種情況，有的是學(xué)校、學(xué)院層面的，有的是授課教師在教學(xué)方式和內(nèi)容上的，但無論是哪方面的問題，只要始終堅持以學(xué)生掌握理解知識為導(dǎo)向，各種問題都會找到相應(yīng)的解決辦法和途徑。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在3D課程教學(xué)中的應(yīng)用

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到3DSMAX課程教學(xué)的過程中，為了給學(xué)生創(chuàng)造一個能身臨其境與沉浸其中的環(huán)境，必須做的就是利用計算機技術(shù)構(gòu)建一套逼真的仿真場景。一套虛擬環(huán)境的觀感好壞常常決定著使用者體驗的最終評價，因此虛擬空間的建模是整個虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。構(gòu)成虛擬現(xiàn)實的基本條件有三要素：沉浸感、互動性、想象力。由于沉浸感的程度不同，虛擬現(xiàn)實可分為桌面現(xiàn)實虛擬系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和遙感式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實的教學(xué)實施必須根據(jù)學(xué)校課堂的實際情況，否則無法進行相應(yīng)的教學(xué)計劃。

根據(jù)日常教學(xué)情況與實際條件，依托湖南工程學(xué)院設(shè)計藝術(shù)學(xué)院教學(xué)改革項目，筆者組建項目課題組，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在3DSMAX課程教學(xué)中的應(yīng)用進行嘗試，其中最核心的計劃是構(gòu)建虛擬現(xiàn)實照片式全景展示方案教學(xué)案例，包含單個場景與多個場景的空間模擬方案。本套方案的實踐技術(shù)構(gòu)建流程為在電腦中由AutoCAD軟件導(dǎo)入二維平面圖紙、3DSMAX軟件進行三維模型制作，并對虛擬場景進行材質(zhì)賦予、燈光搭建，VRAY插件引擎進行圖紙渲染，PHOTOSHOP軟件對圖紙進行后期處理，最終輸出虛擬場景，并在交互平臺配合后期音頻實現(xiàn)預(yù)想效果，將其置入課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)中，增強學(xué)生對新技術(shù)的理解以及3D課程的興趣。AutoCAD是由AutoDesk公司開發(fā)的一款主要用于二維繪圖的軟件，由于它操作簡便，容易上手，被廣泛應(yīng)用于建筑、園林、室內(nèi)設(shè)計行業(yè)。3DSMAX中的VRAY插件（見圖2）是近年來被業(yè)界普遍使用的一款渲染引擎，它能根據(jù)參數(shù)的調(diào)節(jié)模擬現(xiàn)實中的各種材質(zhì)，如玻璃、陶瓷、織物等效果，最終的渲染效果十分逼真。PHOTOSHOP是一款由Adobe公司開發(fā)的設(shè)計軟件，它的主要功能是對圖像進行編輯和處理，在本次項目中它的使用主要用于后期圖像的優(yōu)化。綜上所述，本次項目是運用AutoCAD軟件繪圖、3DSMAX三維建模軟件等技術(shù)，構(gòu)建的不同空間的照片式全景虛擬現(xiàn)實案例，對目前3DSMAX效果圖課程在教學(xué)方式創(chuàng)新上進行的嘗試，最終的圖紙上傳到720云VR網(wǎng)站上的展示效果如圖3和圖4所示。

圖2 Vray3.6渲染器界面

圖3 在線室內(nèi)客餐廳VR設(shè)計方案

圖4 在線室內(nèi)臥室VR設(shè)計方案

本課題在實際教學(xué)中實現(xiàn)的交互方式包括桌面現(xiàn)實、沉浸式與分布式虛擬顯示系統(tǒng)，即以課堂上的計算機的屏幕與PicoG2VR眼鏡VR頭盔顯示器以及學(xué)生自己攜帶的智能手機等設(shè)備實現(xiàn)人與機器的交互。筆者通過一個學(xué)期兩個班的教學(xué)，將具有可交互性、動態(tài)選擇的效果頁面展示給初學(xué)3DSMAX軟件課程的環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生后，大部分同學(xué)的反饋是感到新穎和有趣，并且有很大的意愿學(xué)習(xí)這樣的制作方法，相較于以往的教學(xué)方式效果顯著。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過最新的計算機技術(shù)構(gòu)建仿真的虛擬場景，使進入該系統(tǒng)的用戶能在相對安全的空間中體驗類似現(xiàn)實的環(huán)境，隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，它已經(jīng)在各行各業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，在可見的未來，虛擬現(xiàn)實的方法融入現(xiàn)行的教育教學(xué)中是非常具有價值的嘗試，其潛力也十分巨大。

在設(shè)計行業(yè)越來越注重技術(shù)的更新與實踐能力應(yīng)用的背景下，對于學(xué)習(xí)者來說能否掌握相關(guān)專業(yè)內(nèi)的各種技術(shù)本領(lǐng)顯得愈發(fā)重要，3DSMAX軟件作為目前環(huán)境設(shè)計專業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的三維軟件，開發(fā)公司每隔一段時間都會根據(jù)新的使用需求進行更新、優(yōu)化，對于一些新的功能、新的設(shè)置，在校學(xué)生能否快速地掌握和學(xué)習(xí)，高校和教師就承擔(dān)著非常關(guān)鍵的角色，為了讓學(xué)生能夠在未來的社會中迅速站穩(wěn)腳跟、滿足工作需求，我們就必須在教學(xué)中及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，適時融入新的教學(xué)方式、方法，以期培養(yǎng)能夠適應(yīng)新時代社會需求的設(shè)計人才。