課堂中3D立體教學資源的建設

王 波，邱飛岳，黃亞平

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310032）

課堂中3D立體教學資源的建設

王 波，邱飛岳，黃亞平

（浙江工業大學 教育科學與技術學院，浙江 杭州 310032）

在課堂教學中，教師通常使用二維圖形來解釋三維空間的概念，學生很難形象地理解。目前3D立體技術已逐漸成熟，在課堂中應用3D立體教學資源無疑是個很好的解決辦法。但3D立體教學資源卻相當稀少，如果能讓教師合理利用適合課堂教學的3D教學資源，不但可以改進教學手段，提高教學效果，還能激發學生的學習興趣。本文主要研究非交互式的3D教學資源，提出立體視覺課堂輔助教學模型和四種適用于學校3D教學平臺的方案。

3D立體；教學資源；課堂教學

一、引言

在課堂教學中，許多學科都要求學生具備良好的空間想象能力，如立體幾何、機械制圖、工程圖學、化學、分子生物等，由于黑板、幻燈片、普通投影儀等傳統教學手段不能展示出真實世界的深度感，因此無法很好地解釋一些空間概念和問題。[1]隨著3D立體技術的成熟，把它應用到教學是一種非常有效的輔助教學手段。3D立體技術能夠讓學生完全沉浸在虛擬的三維場景中，讓學生在心理上產生更為真實的空間結構感和空間運動感，從而對三維空間類知識有更深刻地理解，更容易掌握相關知識。雖然3D立體技術手段已經日漸成熟(下文中3D立體簡稱為3D)，但由于3D軟件開發成本高、難度大，配套的3D教學軟件和3D教學資源比較少，遠遠無法滿足教學要求。本文對適合教師課堂教學用的3D教學資源的制作進行了探討和研究，提出了較好的解決方法。

二、3D立體技術原理

人看到的世界之所以是立體的，是因為大腦通過左眼和右眼所看到物體的細微差異來感知物體的深度。[2]立體視覺是人眼在觀察事物時所具有的立體感，是人眼對獲取景象的深度感知能力，而這些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度線索。一些感知深度視覺的線索只要求單眼，它們被稱為單眼線索，通過單眼線索我們可以看到平面的圖像。還有一個更為重要的深度線索叫做雙眼線索，它通過雙目視差來取得物體位置的深度，從而在生理上獲得強烈的立體感。因此，只要讓左右眼分別看到有位置差別的兩幅視差圖像就能讓我們看到一幅具有立體感的畫面，如圖1所示。

3D立體技術經過幾十年的發展，已經比較成熟，效果也越來越好，但基本上還是需要通過使用專用的眼鏡來實現3D 立體效果。[3]最常用的方法是使用色差眼鏡，其原理是通過把兩幅圖像分別設為不同的顏色，使視差圖像分別進人左右眼即可?，F在廣泛使用并且效果比較好的方式是使用主動快門眼鏡和偏正光眼鏡，自動立體顯示(裸眼3D顯示器)，全息立體顯示技術，后兩種因為技術不夠成熟和價格昂貴，一般用于科學研究和國家博物館等。

三、3D教學資源的制作

在日常教學中，使用最多的3D教學資源是視頻教學資源和圖片類教學資源，有些課程中可能還會用到交互式的3D教學資源，但是由于制作難度高，時間長，非計算機專業人員一般無法制作，本文涉及的3D教學資源主要指視頻和圖片類教學資源。

1.圖片3D教學資源制作

圖片類的3D教學資源制作方法目前有單機拍攝、雙機拍攝、專機拍攝、軟件制作等幾種方式，下面介紹各種方式的拍攝流程。

（1）單機拍攝

單機拍攝指僅使用一臺數碼相機來拍攝3D照片，適合只有一臺相機并且拍攝物體以靜物為主。單機拍攝相片時分別將相機通過左右眼各照一張照片，一般先拍左眼，左右眼互換的時候應該注意保持照相的姿勢，不要有過多的移動。

（2）雙機拍攝

雙機拍攝指使用兩臺數碼相機對同一個物體進行拍攝，雙機拍攝相對于單機拍攝有以下幾個好處：首先是同步性強，非常適合拍攝動態物體，其次是穩定性好，不需要拍攝時保持固定的姿勢，因此拍攝的立體圖片的成像率要高很多。

(3)專機拍攝

專機拍攝指使用專業的3D相機拍攝，目前已經有多家相機公司推出專業的3D數碼相機，如富士、索尼、松下、奧林巴斯等，3D數碼相機擁有兩個鏡頭和兩個CCD傳感器。3D數碼相機本體上的兩個鏡頭可以從差別很小的兩個角度同時拍攝兩個畫面，通過畫像處理技術將兩個畫面合成后即可產生3D效果。用戶不用戴特殊的眼鏡，在相機背面的液晶顯示屏上就能看到立體的照片和錄像。拍攝圖像的格式一般為3D圖片的標準格式MPO，可以在主流3D顯示器、3D電視或3D數碼相框里直接播放，并且Adobe公司也將在新版Photoshop中支持編輯3D照片。

（4）軟件制作

軟件制作指通過電腦軟件把原始的2D照片轉換成3D照片，制作方式相對3D拍攝來說難度大很多，也非常復雜，制作軟件常用的有Photoshop、3D Gugle Pro等，對非相關專業人員，推薦使用3D Gugle Pro，這是一個非常不錯的平面轉立體軟件，很容易上手。

（5）立體照片合成

專機拍攝的3D照片一般可以直接使用，而單機或雙機拍攝的照片雖然可以在3D電腦上使用，但必須把照片轉換成紅藍格式的圖片才能在普通電腦上使用。常用的立體照片合成軟件有Photoshop、Anaglyph Maker、Stereo Photo Maker，雖然使用Photoshop可以合成出色的3D照片，但步驟麻煩，并且需要一定的3D照片合成經驗。對于教師來說，操作越方便越簡單越好，推薦使用Stereo Photo Maker，它可以制作各種格式的3D圖片，包括平行立體圖、紅藍立體圖，交叉立體圖等。

使用Stereo Photo Maker制作立體圖的步驟非常簡單：(1)打開圖像，采用File→Open Left/Right Images依序打開左圖和右圖，會得到類似于如圖2所示的畫面。(2)對照片進行水平校正，采用單機拍攝立體照片時，常常會造成兩張照片的水平線不同，導致立體照片的效果大打折扣，可點擊Auto Adjust讓軟件自動判斷調整，如果對效果不滿意，也可以手工調整。(3)輸出立體照片，常用的紅藍格式輸出方法為Stereo→Color Anaglyph→Half Color (Red-Cyan)，如果想保存成標準3D照片MPO格式，可采用File→Save MPO File，輸入文件名再保存。

2.視頻3D教學資源制作

一般來說，制作出好的3D教學視頻，可以激發學生的學習興趣，增加課堂的活躍度，讓學生在沉浸性的三維場景中學習知識。視頻類的3D教學資源制作要比3D圖片制作復雜，制作方法類似于3D電影的拍攝，但是要簡單很多，因為我們不必過多的考慮電影拍攝中的劇情和藝術效果等。目前立體攝影基本可以分為雙機拍攝、專機拍攝、軟件制作等方式，下面介紹各種方式的拍攝流程。

（1）雙機拍攝

雙機拍攝指使用兩臺攝像機 (DV)進行拍攝來制作3D教學資源。拍攝前必須把兩臺DV固定好，推薦使用同一品牌、同一型號，最好帶遙控器的攝像機進行拍攝，這樣容易做到同步和同水平線。如果使用不同型號的攝像機，要注意讓兩個鏡頭的水平線同步，并且兩個鏡頭一定要保持平行。拍攝時必須使用三腳架，因為稍微的晃動，拍出來的立體視頻就會讓人看得很頭暈。

拍攝完畢后，需要分別把兩臺DV拍攝的視頻采集到電腦中進行合成和編輯，采集軟件推薦使用Premiere，方法如下：

1)雙機視頻采集完成后，在Premiere中導入左右視頻進行同步畫面，這步非常重要，有一個小技巧，可通過聲音的波形來判斷視頻是否同步。具體操作如下：把左右視頻分別拖到軌道上，為了可以同時看到左右視頻的重影，讓左視頻在上，右視頻在下，然后把左視頻的透明度調到50%。接下來打開聲軌，通過前后移動素材，讓上下兩段的波形完全同步。然后調節兩段視頻的“運動”特效，通過上下左右及旋轉移動，讓兩段視頻畫面基本重合。編輯完成后，分兩次輸出左眼視頻和右眼視頻，輸出格式為AVI。同樣，如果有多個視頻，可分別校準同步后輸出。

2)合成紅藍立體視頻（如果使用主動式眼鏡或偏振眼鏡觀看可以略過此步）。運行Premiere，把同步后輸出的左右視頻拖入編輯軌道，然后選擇“特效”菜單中的“3D眼鏡濾鏡”并用鼠標左鍵拖拽到左視頻上面，同樣方法設置好右眼視頻。接下來在“立體”選項中選擇“紅藍彩色平衡”，然后戴上紅藍眼鏡，通過調節濾鏡的參數，以便達到最佳效果。

3)按照教學需要，添加字幕、音樂、配音等，輸出一個完整的教學3D視頻。

（2）專機拍攝

專業3D攝像機相當昂貴，一般用于3D電影的拍攝，不太適合學校和日常生活使用，可以使用3D數碼相機拍攝3D視頻，現在推出的3D數碼相機基本上帶有3D視頻的錄制功能，相對于雙機拍攝要方便很多。同樣，3D視頻最好使用三角架拍攝。

（3）軟件制作

視頻的2D轉3D，相對于雙機拍攝來說是一種折中的辦法，目前來說難度非常大，實用度也不高。影片《諸神之戰》的3D效果是由后期制作轉換的，花費了大量的時間、精力和金錢，但效果平平。

目前有些公司開發了2D轉3D的軟件，可以實現一定的3D效果。如Toshiba Video Player 3D，它可以將普通DVD或MPEG-2、MPEG-4視頻文件實時轉化為3D立體視頻。另外Cyberlink PowerDVD在v10.2113版本中也增加了2D轉3D的功能。2D轉3D的技術雖然不太成熟，但是在教學資源缺乏的情況作為一種補充的方式，還是值得嘗試的。

四、3D教學資源的課堂應用和3D教學平臺解決方案

1.使用3D教學資源輔助課堂教學

立體視覺課堂輔助教學模型如圖3所示，在課堂教學中，教師先對課程的內容和目標進行詳細的課程設計，再根據已有教學資源選擇有利于學生接受的3D立體輔助教學手段，然后創建該課程的3D教學資源。課程內容以3D立體的方式真實呈現三維模型，將加深學生對具體內容的理解。

2.3D教學平臺的課堂解決方案

3D教學資源能夠激發學生的學習興趣，有助于提高學生的空間理解能力，讓學生沉浸在虛擬的情境中學習，但其在普通電腦上不能直接使用，需要增加額外的硬件資源。針對課堂特點，可以使用以下四種解決方案：

（1）紅藍眼鏡方案：這是最廉價的解決方案，紅藍眼鏡價格只有幾元錢，適用于任何顯示器和投影儀，缺點是有色差，無法顯示真正的顏色，眼睛容易疲勞，不能久帶。

（2）主動快門眼鏡方案：目前NVIDIA 3D Vision套件是最熱門、最成熟的產品之一，它能夠以較低的成本實現很好的立體效果，非常適合家庭和學校使用。該技術集圖形處理器、3D眼鏡、軟件以及3D顯示器和投影儀于一身，可在普通PC機或工作站上實現令人身臨其境的3D體驗，能夠方便地使用上文介紹的3D教學資源。基于此方案建立一個30名學生3D多媒體教室的硬件投資大約在6萬元，如果采用國產的3D眼鏡，可以降低到3萬左右。[4]3D多媒體教室所需要的硬件有：1臺3D投影機、1臺配備NVIDIA顯卡的電腦和30副主動快門式液晶3D眼鏡。

（3）偏振眼鏡方案：在該方案中，顯示屏上左右眼視差圖的光線為互相正交的線偏振光或左右旋圓偏振光，配戴上相對應的偏光眼鏡就可以觀看到立體效果。這是國內的3D影院廣泛采用的方案，需要兩臺支持偏振技術的投影儀，價格比較貴，但偏振眼鏡比較便宜，每副眼鏡價格幾十元，搭建這樣的一個3D教室硬件投資在幾十萬元。

（4）3D照片方案：只適合3D圖片類資源，能夠實現裸眼3D效果，沖印一張8寸的3D照片價格為30元左右，是普通數碼相片的幾十倍，另外國內具有3D沖印設備的沖印店較少。[5]

上述四種方案各有優缺點，如表所示，雖然紅藍眼鏡方式適用性最廣，可在普通多媒體教室使用，但不宜久帶，另外在對色彩要求高的條件下也不宜使用。主動式眼鏡和偏振眼鏡的方案效果都非常好，但是需要額外搭建3D多媒體教室。3D照片方式可以作為課后的一種補充方式，不受任何使用限制，但是每張3D照片只能顯示一幅3D圖片，使用量大時制作費比較昂貴。

五、結束語

本文對適合課堂用的3D立體教學資源的制作方法進行了剖析和討論，詳細分析了各自的優缺點和使用條件，并提出了四種適合于課堂的3D硬件解決方案，對涉及到三維空間類教學的教師們會有一定的幫助。3D立體技術手段對于教育來說是個拓展而不是取代，它是傳統教育技術的有效補充，相信會有越來越多的先進技術走進學校，不斷促進和改善教學技術，提高教學效果。

表 各種3D立體技術解決方案的優缺點

[1]王志玉.淺談學習立體幾何的障礙及解決方案[J].中國人民教師，2007(7)：39-40.

[2]羅四維.視覺感知系統信息處理理論[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]葛霽光，靳波，葛耀崢等.立體視覺深度認知過程研究[J].浙江大學學報（工學版），2005(2):169-173.

[4]3D中國[EB/OL].http://www.china-3d.com，2010-12-25/2011-02-26.

[5]邱發奎.視差立體印刷在商業廣告中的應用[J].今日印刷，2008(5)：63-66.

(編輯：楊馥紅)

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1673-8454（2011）11-0048-04