现代远程教育起重机械虚拟实验中V-Ray渲染器的应用探索

徐磊+徐金帅+焦博+许滨

摘 要：V-Ray渲染器是一款专业的3D渲染引擎，运用它可以生成质量高真实感强的图象。它由Chaos Group和Asgvis公司出品，在虚拟现实领域三维模型和后期材质的处理上得到了广泛的应用和认可。在场景中使用该渲染器能够获得更加准确的光能分布，获得更快的渲染速度，模拟光线的反射和折射更加逼真。在对V-Ray渲染器的特征及功能分析的基础上，从V-Ray渲染器应用于起重机械实验教学的基本原则及新技术对传统教学模式的影响等方面，探讨了V-Ray渲染器在起重机械实验课程教学中运用的技术路径及设计框架。

关键词：继续教育；V-Ray渲染器；起重机械；课程建设

中图分类号：G726 文献标识码：A

科技进步及各项新技术的应用为人类的生产和生活方式带来了诸多变化。尤其是近年来以计算机为基础、互联网为支撑的信息技术的发展， 推动了世界的活力与互动， 使人类有了前所未有的关联，也为教育全球化发展增添了一股新的重要动力。

同时，在软件的应用与开发方面， 工具性软件的作用更为突出，人们能运用它们成功的描绘自身可能想象到的任何事物， 并将其以仿真模拟立体三维的形式展现出来。基于虚拟现实技术的潜力和优势， 本文将探讨V-Ray渲染器在现代远程继续教育起重机械实验课程建设中的应用。

一、V-Ray渲染器的介绍和功能特点

三维模型的真实感渲染一般是指把用户提供的建模与设置的照明以及材质、背景等各种素材综合到一起，制作成一个具有光影效果的图像文件。该图像文件必须经过计算机软件对模型的综合计算（渲染）才能制作出来。

目前全球出色的渲染器有下面几种，如：Chaos Software公司的V-Ray、SplutterFish公司的brazil、Cebas公司的Finalrender、Autodesk公司的Lightscape等。这几款渲染器都各有其特点，但V-Ray的灵活性、易用性更加突出，而且V-Ray还被业内誉为焦散之王。V-Ray for 3dmax是3dmax的超级渲染器，是专业渲染引擎公司Chaos Software公司设计制作的拥有Raytracing（光线跟踪）和Global Illumination（全局照明）渲染器，用来替代Max原有的Scanline render（线性扫描渲染器），V-Ray还包括了其他增强性能的特性，包括真实的3d Motion Blur（三维运动模糊）、Micro Triangle Displacement（级细三角面置换）、Caustic（焦散）、通过V-Ray材质的调节完成Subsuface scattering（次表面散射）的效果、和Network DistributedRendering（网络分布式渲染）等等。V-Ray特点之一就是渲染速度快（比FinalRender的渲染速度快20%），目前许多设计公司都使用它来制作产品效果图，就是看中了它渲染速度快效果好的优点。V-Ray是一种结合了光线跟踪和光能传递的渲染器，其真实的光线计算可以创建出专业的照明效果。可用于工业产品设计、展示设计等多个领域。

二、以V-Ray渲染器技术应用于起重机械实验教学的基本原则

（一）专业性与场景性相结合

专业性与场景性是实验教学的特征。实验教学是以培养学生专业操作能力为核心，而专业操作能力的培养需要在一定工作场景下进行。因此，以V-Ray渲染器技术为依托的虚拟现实实践教学应注重专业分析与调研，以真实作业任务及其作业过程为依据，整合、优化教学内容，设计教学任务，充分利用虚拟现实技术沉浸性的特点，突破时空限制，构建出适合教学任务的多种沉浸式教学环境，真实地再现和模拟起重机作业场景，将专业的学习置身于一定的场景之中，融“教、学、做”为一体，使学习能适应不同的场景，在实际工作中能有更广泛的迁移，使专业性与场景性相结合。

（二）交互性與典型性相结合

随着科学技术在实验教学改革应用的不断深入，在设计虚拟现实实践教学系统时，应充分利用以V-Ray渲染器技术为依托的虚拟现实技术所具有的交互性特点，实现多协作、高互动的教学活动，充分体现学生学习过程的认知参与，培养协同解决问题的能力，使学生在虚拟教学环境中完成相应的学习任务。同时，在构建实验教学系统的过程中，应选择典型、主流、先进的设备和技术，掌握完成相应工作任务或解决较复杂的综合性问题的设计方法和操作技巧，从而更好地适应将来实际工作的要求。做到交互性与典型性相结合。

（三）知识性与趣味性相结合

知识性是指学生需要掌握的专业知识、职业技能和操作方法。合理利用虚拟现实技术可以较好地体现知识性。趣味性是指实验教学所具有的吸引力和感染力，趣味性既是学习者认知与行为特点的要求，更是实验教学的基本特征。趣味性的关键是学习者的积极参与和有效反馈，能够“因材施教”。这对于虚拟实验教学的设计提出了较高的要求。在虚拟现实实验教学设计中，应合理利用V-Ray渲染器技术为依托的的虚拟现实技术交互性的构想性特点，根据学生的认知和心理发展水平，针对教学内容创设实践教学情境，营造宽松学习氛围，培养和激发学生学习兴趣，拓展学生思维和想象的空间，帮助他们掌握起重机械专业知识，落实和强化实验教学的知识性，培养学生的创造力。

三、现代远程继续教育起重机械虚拟实验系统实现

以现代远程继续教育起重机械虚拟实验的虚拟化和信息化为目标，采用不同的建模方法和优化技术，创建三维模型库。在软件工程设计思想的指导下，遵循结构化、模块化、层次化的原则，开发三维起重机械虚拟实验系统。

（一）材质贴图的处理

在进行系统设计前，应对所起重机作业场景进行实地考察，进行大量的拍照和精细图纸绘制工作环境，并通过图片处理软件对贴图进行处理。可以采用Adobe公司出版Photoshop CS5，根据设备、环境场景对图片的分辨率和精度的不同要求，将采集的图像进行大小调整、杂质去除、亮度、对比度调节和锐化等效果处理，制作起重机模型的材质贴图。endprint

（二）三维场景的构建

1.三维建模

三维模型制作在3DMAX中，利用多边形建模技术，根据制作的起重机三维模型确定起重机作业的具体位置，认真观察现场照片确定起重机的具体结构，采用自下向上的方法制作。制作时，要对形体高度的概括，大力控制面的数量，消除多余的多边型面，降低整个起重机作业场景的复杂度，做到形体准确、概括、数据量小，从而降低场景实时渲染的复杂度，保证系统能够流畅运行。图1是起重机械虚拟实验系统框图。

2.场景优化

虚拟展示系统要求实时动态逼真地模拟起重机作业环境，考虑到硬件的限制和虚拟现实系统的实时性的要求，虚拟展示系统的建模应当遵循一个原则：在能够保证视觉效果的前提下，尽量采用比较简单的模型。因此在创建场景时进行模型优化很重要，建模时主要采用以下方法：一是删除隐藏面。在场景中的对象里删除看不见的面。起重机模型的结构有些部分是不可见的，这些面对于显示效果没有帮助，但是会消耗系统资源。同时在有关视觉设计方面不要试图获取非常高的精确度。二是减少分段数。减少面的数量的最简单的方法就是在所建立的基本几何体中减少分段数。在3DMAX中对起重机部件建模，基本几何体中分段数的默认设置将生成过多的面。可以建立基本几何体后，转到Modify面板调整减少分段数。在满足要求的前提下，应尽量减少模型的点数、段数，不要过于苛求细节部位，尽可能使用模拟的几何体。三是使用纹理贴图。起重机各部件模型的有些细节可以运用纹理贴图实现，尽管使用纹理贴图增加了下载时间和屏幕重画时间，但这比给起重机作业场景建造细节的代价要小得多。好的纹理贴图能使虚拟场景看起来栩栩如生。通过在图形上使用不同的纹理贴图以及改变尺寸和方向，可以使起重机作业场景看起来与实际形状不同。

（三）烘焙场景的完善

为了保证烘焙后的显示效果，烘焙前还要做一些前期的工作：更改重名模型和检查模型破面、重面等现象。首先设置V-Ray为当前渲染器，在渲染场景对话框中的常规选项卡中，展开指定渲染器卷展栏，然后单击产品后的按钮，紧接着在弹出的选择渲染器对话框中，选择V-Ray渲染器，最后单击OK按钮。这时，V-Ray渲染便被指定为当前激活使用的渲染器。在将V-Ray渲染器设置成当前激活渲染器之前，用户需要确定已安装了V-Ray渲染器插件，否则将无法激活V-Ray渲染器。

一般来说，纹理图越大渲染的效果就越好。烘焙纹理也是一样，烘焙纹理的大小直接影响最终效果。但纹理过大，对计算机的系统资源的消耗也就越大，渲染速度也就相对变得很慢。因此，对于一个复杂的起重机作业场景，需要有计划地烘焙设置，即表面积比较大的、多边形面复杂的应优先考虑使用较大的纹理尺寸，次要的物体可以适当地降低烘焙时的纹理尺寸。这样便可节约有限的系统资源，从而获得高质量的烘焙效果。

（四）三维场景中影响渲染设置的因素分析

1.图像抗锯齿采样器对渲染速度的影响

V-Ray渲染器具有固定图像采样器、自适应准蒙特卡罗图像采样器和自适应细分图像采样器三种采样器可供选择，每一种采样器具有各自的作用。根据起重机作业三维场景的特点，合理选择采样器，达到一个平衡点，在提高渲染图像的品质的同时，减少渲染时间。在大型三维场景的渲染中，自适应准蒙特卡罗图像采样器的渲染速度是最快的；固定图像采样器渲染速度稍慢，而占用内存也相对较少；自适应细分图像采样器渲染速度最慢，占用内存最多。根据起重机各部件的图像特性选择不同的采样器，就可以保证图像的品质及渲染速度。

除了上述三种图像采样器以外，V-Ray还有十四种抗锯齿过滤器可供选择，采用不同的抗锯齿过滤器对渲染速度也会有相应的影响，因此在渲染出图时，可以使用默认区域方式，然后将图像的锐化等工作留到后期处理时，也可以提高渲染工作的效率。

2.全局光引擎对渲染速度的影响

V-Ray渲染器具有发光贴图渲染引擎、光子贴图渲染引擎、准蒙特卡罗渲染引擎和灯光缓冲渲染引擎等四种不同的全局光渲染引擎，每种贴图渲染引擎具有各自的特点和适用场合。

发光贴图渲染引擎是基于发光缓存的计算方式，仅计算场景中可以看到的面，而其他的不去计算，计算速度比其他几种引擎快一些，特别适合有大量平坦表面区域的场景。

光子贴图渲染引擎是建立在从光源发出的并能在场景中来回反弹的一种光线粒子。它一般用于场景中近似值的计算，主要用在第二反弹里，可以让整个起重机的作业场景变得更逼真。

准蒙特卡罗渲染引擎是最简单的一种渲染引擎，它只有两个参数，单独计算每个点的GI，所以渲染速度非常慢，但是效果特别好。它能够保护间接照明中所有的细节，尤其是在具有大量细节的场景中，对于运动模糊的计算也特别精准。

灯光缓冲渲染引擎是类似于场景中全局光照明的技术，设置比较简单，与发光贴图正好是相反的，是逆向的，仅需追踪摄像机可见的光线，适合室内外场景的渲染。对于灯光的类型没有限制，几乎支持所有类型的灯光，预览效果也特别快，它可以独立完成对整个起重机作业场景的GI照明，也可以配合其他贴图做二次反弹，能够处理非常细小的物体和角落。

V-Ray在使用及功能等方面比其他大多数三维渲染软件更加优秀，然而在功能强大而完善的背后是纷繁复杂的参数，所以要掌握此渲染器对起重机作业场景的模拟，首先要深入了解各个重要参数的功能。在V-Ray中影响渲染设置的因素涉及到诸多方面，渲染的品质和速度是由各种因素及参数决定的，考虑不同的因素，采用不同的参数，就会得出不同的渲染效果，而这些因素又会彼此影响、互相制约。

四、结语

起重机虚拟实验系统基于3dsmax，Photoshop以及After Effects進行制作合成。运用3dsmax软件创建起重机作业的实体模型，环境模型及设备模型，通过IK动画关联将起重机的安装、吊装、拆卸动作与实物关联，结合镜头追踪技术以及延时摄像技术实现现实生活中通过摄像机拍摄出来的视频效果。掌握V-Ray渲染器的特点和用途，将V-Ray渲染器技术引入现代远程继续教育起重机械实验课程建设中，制作优秀的起重机械虚拟实验系统，改变了传统的实验方式，突破了学习过程的时间和空间的限制，有助于实践教学活动开展，提高实验效果。虚拟实验的开发将“理论、设计、操作、验证”融为一体，可有效地培养学生的设计创新能力。

参考文献

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