基于VR技术的三维图形创作课程教学模式探究

摘  要：随着数字信息化时代的到来，虚拟现实技术逐渐在教育领域的诸多方面都实现了快速融合发展。文章依托虚拟现实技术优势，结合数字媒体艺术、数字媒体技术专业的学科特点，研究其对三维图形创作课程的教学方式、教学内容、资源利用等方面所产生的积极作用和重要意义。通过研究重新构建该类课程的教学框架和教学体系，提高教与学的高质高效，优化人才培养内核。

关键词：虚拟现实;建筑动画;仿真性;交互性;体验

中图分类号：TP39;G434            文献标识码：A文章编号：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

“数字化表示人类实践方式的革命，也是其生存方式、感觉方式、思维方式和行为方式的革命……”虚拟现实技术作为当下数字影像交互的重要手段，其技术是利用计算机图形仿真、智能感知传感器、数据交互集成等多种科学技术的结合，构建一个与我们真实世界感知方式完全一致的特别虚拟空间。作为数字化时代下的一种信息化交互技术，目前在国内教育领域广泛应用于医学、机械工程、电子技术、物理学、设计学等多个学科。近年来，数字媒体技术专业中的三维图形创作相关课程与虚拟现实技术的融合性趋势日益增强。基于虚拟现实技术的沉浸式、仿真化、想象性的独特多维感官体验特点，在视觉设计作品的虚拟展示与创意表达方面表现已经十分成熟，但在三维图形创作相关课堂教学的应用研究却仍然有限。本文以建构三维图形创作课程教学新模式为目标，结合本人具体教学实践工作，依托VRP-BUILDER 虚拟现实三维交互平台，探讨创新教学融合新模式中的课程教学方式、教学内容、教学环境、教学资源共享等问题。

1  构建体验式仿真教学平台

近几年，国内各类院校的三维图形创作课程教学模式普遍采用“工具讲授+案例实操”的方式，即教师在授课过程中将三维设计软件的常用工具操作与案例制作流程相结合，分步骤分类型讲解。该方式仍然是一种线性、单向填充式的教学方式，缺少对某一知识点的全面拆解认知，无法帮助学生快速构建立体空间思维，灵活运用所学知识的能力较弱。而通过VR技术的有效加持，重新构建仿真模拟的三维交互教学课堂，通过对三维场景进行视觉上的仿真感官体验，将学生的学习动机由被动输入转变为主动接受，形成多维体验，打破教学中时间与空间对学生创造力的限制，从课堂向VR课堂的渐进性转变，如图1所示。

“虚拟现实技术要实现的是使人们在体验逼真情境之前试图建立起自身对于接下来可能发生之事的一种道德判断，继而在接下来的虚拟体验中还原、推进这种仿真体验。”由此可见，通过虚拟现实技术不仅能够完成了对感知物象的表层模拟仿真，还可以对参与者的在场情感进行仿真。如图2所示，学生通过VRP虚拟交互学习平台，学习如何进行各类摄像机的正确使用，从而更好地运用摄像机完成各类场景，这种仿真具身体验是传统教学不能比拟的。

例如，在该课程中三维模型建模知识点的实践教学中，结合虚拟现实技术的仿真特性，通过构建出沉浸式虚拟仿真环境，为课堂教学提供教学工具的新尝试。通过虚拟仿真教学的场景得到的视觉体验，消除学生以往主观情感对于三维体面关系的消极状态，增强对于建模知识的主动认知。结合VRP-BUILDER 虚拟现实平台辅助教学，强化学生对模型的体面、尺寸、材质、肌理等要素形成具身体会与认知。具体实施步骤如下：（1）利用该虚拟现实平台与3Ds Max三维设计软件平台无缝集成特点，将不同风格类型的建筑样本结构，通过该虚拟现实平台进行360度全景仿真展示。比如学生通过简单而直观的操作就可以实现水泥、石头、木头、金属等各种复杂的实时材质模拟。（2）改变教学单向输入式的弊端。通过前期设计好的腳本交互设计，实现内置模型建模、复合对象建模、二维图形建模、多边形建模、面片建模、NURBS建模等多种三维模型方法的对比式深度学习，每一种建模方式单元下均设置建模技术文本、教学视频、建筑风格演绎及建筑结构尺寸图表等详细内容，便于多媒介化地引导学生消化吸收主要知识点。从而使学生在学习过程中真正让抽象复杂的建模概念变得直观易懂，而且还加强了相关模型理论知识的学习。（3）有效激发学生的自学动机。学生在三维制作平台中制作三维模型过程中，可以随时切换至VRP-BUILDER 虚拟现实平台，针对未完全掌握的建模方法技术要领或感兴趣的知识要点，进行全方位、多视角、动态化地体验式学习，引导学生转变传统软件课程的学习观念，提高学生的三维空间构建能力，从而培养学生对该门课程的动手能力。虚拟现实技术不仅使抽象的三维图形创作课程的知识内容更加具体和精准，而且拓展了课程教学体验的维度和深度，如图3所示。

2  重塑课程教学内容的框架

虚拟现实技术在该门课程教学中的介入，不仅改变了传统的垂直思维模式的教学方式，而且也重新对三维图形创作课程内容提出了新的要求。各类院校的三维图形创作课程的教学目标也基本都是围绕如何完成一部可以在多种媒介环境下播放的主题性多帧三维动画作品来展开的。但随着虚拟现实技术使用领域的迅速扩展，动态化、沉浸式的虚拟现实交互式三维作品也逐步被市场认可并广泛应用。三维图形作品的多元化呈现形式已经成为一种发展趋势，为了适应快速发展的社会，以及社会对复合型设计人才的迫切需求，进行有效课程内容的革新势在必行。这也就意味着学生在掌握原有知识体系的基础上，需要掌握主流虚拟现实引擎的关键性技术。课程教学讲授内容也由原来讲授三维模型制作技术、材质贴图技术、人物动画设定技术、灯光布局技术、摄像机设定技术、渲染输出技术、后期剪辑及特效合成等内容逐步扩展为讲授跨平台融合性的技术学习，比如人机交互结构设计、仿真模拟设计、高精度碰撞检测算法、用户界面设计、三维运动捕捉技术等内容。内容的扩充更新变化对老师和学生都提出了新的要求，也更有利于课程的开放式发展和相关课程的衔接。

由于虚拟现实交互平台与三维设计软件平台能够实现数据共享的先天优势，通过前期在3Ds Max、Maya等三维动画平台中构建虚拟仿真世界三维模型基层，学生在三维动画平台中制作完成的三维模型、配景模型、人物动画绑定、相机、灯光、材质贴图等动画设计要素，通过调整、烘焙、整合后，导入主流的虚拟现实平台VRP、Unity3d、UE4等引擎中，根据创作要求设计各种仿真交互功能，通过虚拟现实技术外接设备实现沉浸式作品的创作。“所有视觉的再现都以某种方式制造，其生产的环境条件则可能促成视觉再现的效果”这种新的内容加持，使围绕在作品周边的设计者、参与者、旁观者的身份也发生变更。课程的过程反馈和结果形态都显示出比以往更丰富的内容。可见交互特性的虚拟现实技术不仅拓展了三维可视化作品的空间与时间维度，而且培养了学生换位思考的能力，启迪了学生的创作新思路，延展了三维动画的发展边界。

如图4所示，以VRP-BUILDER 虚拟现实平台为例，学生可以在该平台中自由设置多种浏览模式，包括行走、飞行、静观、摄像机动画等，即可实现不同方式的浏览及随机切换。这种即见即所得的直观反馈，改变了以往生硬的摄像机轨迹设计环节，让同学随时可以尝试新想法的设计可行性。另外，系统在运行过程中，控制模式还可以通过热区、热键来进行切换。人物行走模式中，默认将开启碰撞检测，即可实现游戏般的漫游。最后用户通过鼠标、键盘、头盔、手柄、虚拟眼镜等外界设备，完成作品中虚拟事件的随机触发、定时触发、脚本流程，并与三维场景中的建筑、人物等相关属性进行各种方式的互动。

由此可见，教学内容的跨平台扩展有积极的作用，不仅反馈在作品的呈现形态由静态向动态、由封闭向交互、由被动接受到主动体验发展。而且也使课程构架趋于合理化，学生对于知识的选择多样化，将课程内容的重心从技术的学习逐步推移至创新思维的训练上。

3  实现课程共享资源的同步

目前三维图形创作课程教学资源主要由课程教案及对应授课视频、案例三维模型样本、模型材质贴图样本、三维场景灯光样本、三维动画流程设计文本及图表、动画脚本文件、分组设计实践作品集、各类三维软件及插件包等内容组成。如何有效利用课程教学资源、不断更新扩充课程资源，并且解决学生高效复习及有效自学等教学环节一直是亟待解决的问题。“因为虚拟环境是一个信息化環境，一切规范化的信息可以无障碍、瞬间即达整个虚拟世界，人们的信息系统是基于世界系统相连的，而且全部是信息化和数字化的结果……”虚拟现实技术的介入很好地弥补了该教学环节的短板，实现了传统课堂与资源平台的联动互动，如图5所示。

以VRP-BUILDER 虚拟现实平台为例，利用该平台的关联及整合多种数据源的优势，目前正在调试虚拟共享资源数据库平台，已经完成各类三维数字模型库、贴图素材库及授课视频库的建设工作。平台通过ADO数据库接口，与SQL、ACCESS等数据库进行连接，学生可以从数据库中轻松调阅三维模型样本、动画轨迹文件以及各种三维模型数据查询信息，同时还可以实现三维设计场景数据的后台动态更新，模型信息查询等功能，如图6所示。

利用该虚拟现实平台内嵌贴图浏览器，教师与学生不仅可以快速方便地对各种格式的材质贴图进行查找，支持各类常用格式（bmp、jpg、png、psd、tga等）。而且通过查看图片的alpha通道，实现资源文件的同步处理。比如在VRP-BUILDER平台上调入自己设计的三维模型时，可以将模型建筑材质所采用的图片调入图像编辑软件PS中进行处理，VRP中的三维模型文件材质可保持同步更新，学生及时观察修改后的模型材质效果。另外还可以查看三维模型场景中所用到的所有贴图容量信息，并对材质贴图的加载格式和大小进行设定，自动管理场景中所有贴图。虚拟共享资源数据库的运用，不仅极大节省了学生在三维动画制作软件中的渲染测试时间，极大提高了课程案例的制作准确，而且根据学习需要，在课堂教学结束后有针对性地调用各类后台课程数据资源，真正地打破了校内校外、课上课下的界限，保证了学习的延续性和实时效率。

4  结  论

虚拟现实技术通过交互、沉浸、仿真等特征创造性的贯穿于三维图形创作教学全过程中，对三维图形创作课程教学具有实际意义，在重新定义了该课程中的教学模式及内容，打破传单维统线性的教学模式的同时，也在尝试如何拓宽交互体验式的教学思路，从而切实促进学生专业知识的全面掌握，也符合社会对复合型人才的迫切需求。

参考文献：

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作者简介：张志腾（1982.03—），男，汉族，甘肃酒泉人，任职于教育科学与技术学院，讲师，硕士研究生，主要研究方向：建筑三维可视化表现、建筑虚拟仿真交互研究、数字绘画。