交互體驗式建筑構(gòu)造虛擬實驗教學(xué)軟件的創(chuàng)新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院)

交互體驗式建筑構(gòu)造虛擬實驗教學(xué)軟件的創(chuàng)新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院)

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)已成為加強藝術(shù)類實踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。本文通過介紹2011年第十屆浙江省大學(xué)生多媒體作品設(shè)計競賽的參賽作品“虛擬建構(gòu)實驗”教學(xué)軟件的研發(fā)與制作過程，嘗試探索虛擬實驗教學(xué)與高等藝術(shù)教育、藝術(shù)實踐教學(xué)結(jié)合的全新模式。

虛擬實驗 藝術(shù)實踐 建筑 構(gòu)造

隨著計算機輔助教學(xué)CAI在藝術(shù)類高校教學(xué)中的深入實踐，運用多媒體制作課件在藝術(shù)教學(xué)或?qū)嶒炛幸嘣絹碓綇V泛。以往傳統(tǒng)藝術(shù)教學(xué)課件的形式大致有:黑板粉筆板書、透明幻燈片投影、教學(xué)掛圖等。近年來，多媒體制作技術(shù)的極大發(fā)展促進了藝術(shù)教學(xué)課件走向可視化、網(wǎng)絡(luò)化、互動化，徹底顛覆了傳統(tǒng)意義上的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和教學(xué)效果。

1 高等藝術(shù)實踐教學(xué)中虛擬實驗平臺的創(chuàng)新

虛擬實驗以現(xiàn)代教育理論為基礎(chǔ)，運用計算機仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實多媒體技術(shù)來模擬真實的實驗環(huán)境與過程，以達到實驗?zāi)康牡慕虒W(xué)平臺，這是一種新型的網(wǎng)絡(luò)化計算機實踐教學(xué)模式。虛擬實驗平臺的教學(xué)環(huán)境能提供學(xué)生自由配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器沒備來進行實驗，它具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)建沒速度快、更新率高的優(yōu)勢，并有使用方便、成本低、易于拓展等特點。現(xiàn)階段，虛擬實驗教學(xué)推廣有限，大都集中運用在在理工類學(xué)科領(lǐng)域，如數(shù)字電路實驗、機械傳動類實驗、物理化工實驗等。

我國2000余所高等院校有70%設(shè)置藝術(shù)設(shè)計專業(yè)，在校生達150萬，每年約15萬人畢業(yè)，中國的藝術(shù)設(shè)計教育規(guī)模占全球第一。但藝術(shù)設(shè)計還是新興學(xué)科，存在院校之間學(xué)科體系雷同、課件保守陳舊、實踐教學(xué)模式、內(nèi)容雷同，課程整合聯(lián)動性差、教學(xué)資源管理粗放等問題。以虛擬實驗教學(xué)軟件的研發(fā)與使用為切入點，探索高等藝術(shù)教育實踐教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，并利用計算機、多媒體及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)藝術(shù)教學(xué)虛擬實驗情景，不僅可以有效地改善藝術(shù)類高校實驗教學(xué)資源嚴重短缺和分布不均的現(xiàn)狀，而且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動機、增強學(xué)習(xí)興趣。針對虛擬實驗軟件研發(fā)多學(xué)科交叉的特點，結(jié)合藝術(shù)設(shè)計的圖形表達、用戶界面設(shè)計和人機交互技術(shù)，研究虛擬實驗軟件的對象建模和表現(xiàn)技術(shù)，開發(fā)藝術(shù)設(shè)計虛擬實驗教學(xué)資源信息的安裝平臺，建立開放式、網(wǎng)絡(luò)化的藝術(shù)虛擬實驗教學(xué)平臺，支持多用戶多虛擬實驗環(huán)境的交叉反饋與協(xié)同。從根本上解決網(wǎng)絡(luò)遠程教育中藝術(shù)實驗教學(xué)無法實施的關(guān)鍵問題。

2 “虛擬建筑構(gòu)造實驗”教學(xué)軟件的設(shè)計思路

2.1 軟件介紹及制作目的

以環(huán)境藝術(shù)設(shè)計專業(yè)課程《建筑構(gòu)造》為主題研發(fā)“虛擬建筑構(gòu)造實驗”教學(xué)軟件為例，展開虛擬實驗系統(tǒng)在藝術(shù)學(xué)實踐教學(xué)改革的構(gòu)成與實現(xiàn)。“虛擬建構(gòu)實驗”教學(xué)軟件是2011年第十屆浙江省大學(xué)生多媒體作品設(shè)計競賽的參賽作品，并獲得了優(yōu)異成績。

建筑構(gòu)造是環(huán)境藝術(shù)專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)課程，是專業(yè)學(xué)習(xí)的入門課。針對建筑構(gòu)造課傳統(tǒng)理論教學(xué)手法單一、知識枯燥、抽象的三維空間難以理解、理論與實際脫節(jié)等教學(xué)弊端，尤其重點解決學(xué)生對真實的建筑物結(jié)構(gòu)施工過程了解的不足和傳統(tǒng)實踐教學(xué)中學(xué)生對施工現(xiàn)場認知的匱乏，通過“虛擬建構(gòu)實驗”教學(xué)軟件可以使學(xué)生們足不出戶即可身臨其境地感知各種建筑物的實際施工過程與其結(jié)構(gòu)關(guān)系。并且學(xué)生必須能靈活運用所學(xué)知識進行虛擬搭建實驗，在虛擬實驗環(huán)境中進行自由構(gòu)思和設(shè)計，這種全新的實踐教學(xué)模式將激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

虛擬建筑構(gòu)造實驗教學(xué)軟件采用了Flash、SketchUp、3D max、Photoshop等軟件技術(shù)進行研發(fā)制作，使用了大量的動畫影片和交互元素，發(fā)揮了虛擬實驗任務(wù)的可操作性和可控制性。軟件研發(fā)的核心技術(shù)應(yīng)用了Action Script程序語言技術(shù)和3D max三維建模技術(shù)，提高虛擬實驗的逼真度，形成多維交互的教學(xué)平臺。

2.2 軟件研發(fā)的重點和亮點

(1)基于三維圖形的虛擬實驗對象建模與表現(xiàn)技術(shù)

①通過虛擬平臺實現(xiàn)文字教學(xué)、視頻認知、全景漫游、實驗搭建等強大的功能集成化。

②智能一鍵導(dǎo)航的創(chuàng)作靈感來自汽車導(dǎo)航儀，方便快捷的操作減少了很多選擇菜單的麻煩。軟件中強大的智能導(dǎo)航鍵能根據(jù)場景的不同轉(zhuǎn)換功能，能夠在任何界面下滿足各類需求。用戶可以使用鍵盤方向鍵切換教學(xué)內(nèi)容、轉(zhuǎn)換虛擬漫游視角、切換分類界面等。相比PowerPoint課件，雖然也能使用方向鍵進行頁面切換，但是沒有其他功能性。本課件中一直使用右方向鍵可以按照預(yù)定教學(xué)順序瀏覽界面。現(xiàn)有的虛擬實驗教學(xué)軟件中，應(yīng)用導(dǎo)航鍵設(shè)計的案例幾乎處于空白。

③全景平臺背景。全景模式能夠較好的滿足視覺需求。平臺背景與全景體驗教學(xué)使用的是同一種技術(shù)，動態(tài)的背景比普通的單一背景更顯生動。

④智能助手模式。小助手實時出現(xiàn)在虛擬實驗場景中提供學(xué)生實驗所需的提示，軟件使用感覺交互性強、親近感良好。現(xiàn)有的虛擬實驗中應(yīng)用助手的案例也極少。

⑤優(yōu)美視覺感受。軟件所有控件都進行了美化，符合現(xiàn)代審美需求。外觀風(fēng)格緊緊圍繞建筑設(shè)計中主流的現(xiàn)代風(fēng)格，在給人以大氣感受的同時還能激發(fā)創(chuàng)新靈感。

⑥典雅背景音樂。背景音樂采用了門德爾松的小提琴協(xié)奏曲，在不同功能場景下自動切換樂章。典雅的音樂體現(xiàn)建筑的內(nèi)涵與精神，令人回味無窮。

(2)虛擬環(huán)境的漫游教學(xué)和人機交互技術(shù)

①虛擬漫游教學(xué)模式是通過學(xué)生能自由切換視角及點擊知識點學(xué)習(xí)來實現(xiàn)的。學(xué)生能在全景漫游中真實感知虛擬場景中的建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)造細部等知識，是虛擬實驗的主流模式。學(xué)生可以根據(jù)需要隨意選擇視角來觀察虛擬環(huán)境并點擊場景中的預(yù)備知識點。只需點擊就能直接鏈接相關(guān)知識，有效地解決了學(xué)生集體外出考察時間、天氣、地點等限制的弊端。虛擬漫游教學(xué)模式的技術(shù)是重點和難點，必須解決用戶能夠舒適的漫游體驗虛擬場景這個關(guān)鍵問題。所以，利用360o全景技術(shù)取景攝制場景照片，容易出現(xiàn)照片高度不齊或透視角度變形等情況，必須反復(fù)拍攝并后期處理。另一難點是如何讓用戶掌控視角?只有在反復(fù)研究嘗試之后才實現(xiàn)了合理的視角和即時互動的設(shè)計，最后結(jié)合導(dǎo)航鍵功能使即時互動變得操作簡便。

②虛擬搭建實驗是該虛擬實驗軟件的核心。用戶可以在虛擬實驗的功能平臺上自由搭建或按照實驗規(guī)定操作。該模塊的開發(fā)應(yīng)用了較多的軟件技術(shù)，從3DMAX建模到Photoshop照片修整，以及FLASH中Action Script語言的應(yīng)用，每一項都包含著巨大的技術(shù)知識量。在3DMAX建模中，必須根據(jù)開發(fā)的背景貼好材質(zhì)，并且要保證建模渲染圖的視角在正交模式下一致。Photoshop對渲染圖做細節(jié)修整，確保所有組件的三維效果基本一致。FLASH中Action Script代碼編寫技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)件的正常拖拽和復(fù)制，用戶可以根據(jù)需要建立新構(gòu)件，并且在Action Script技術(shù)支持下，建筑構(gòu)造虛擬實驗軟件的組件面板、輔助網(wǎng)格、坐標提示等經(jīng)過長期設(shè)計制作而成，飽含了人機工程學(xué)的原理。

(3)3D影片制作

3D影片的制作主要依托Autodesk 3D MAX 2011。制作影片的難點在于如何簡化模塊讓用戶看得更加簡潔明了，在制作每一段影片之前都需查閱大量書籍仔細構(gòu)思，精簡內(nèi)容。在3D MAX中建三維模塊并且賦予材質(zhì)，然后根據(jù)需要設(shè)定好時間軸，以出現(xiàn)動畫搭建效果。在渲染之前還需要對速度進行調(diào)整，確保用戶觀看的舒適性并滿足教學(xué)需要。在渲染生成AVI影片后，需要使用Win MPG、Video Convert等軟件進行格式轉(zhuǎn)化，然后在FLASH中使用播放組件鏈接影片播放。

2.3 虛擬實驗?zāi)K分類

“虛擬建筑構(gòu)造實驗”教學(xué)平臺基于由淺至深的梯度化教學(xué)，包括基礎(chǔ)知識概念、全景漫游認知、虛擬建構(gòu)實驗、創(chuàng)新搭建平臺四大模塊。

①基礎(chǔ)知識概念。根據(jù)建筑構(gòu)造教學(xué)大綱以及知識鏈邏輯關(guān)系，分為八部分內(nèi)容:建筑基本構(gòu)造、地基基礎(chǔ)。墻體砌筑、樓板地面等，其中每一級知識鏈都有下一層的細分內(nèi)容，層次分明，節(jié)點完整。

②全景漫游認知。以虛擬全景認知代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場課，在真實場景的選擇上堅持原創(chuàng)、持續(xù)更新和貼近生活的準則，拍攝建筑物各階段各部分的全景照片，幫助學(xué)生在虛擬實驗漫游環(huán)境中進一步認知。

③虛擬實驗實驗。實驗搭建平臺是該軟件的主體部分，是學(xué)生自主完成題庫中實驗題的過程。學(xué)生首先根據(jù)題目要求進行實驗分析，然后從界面右側(cè)的構(gòu)件欄中選擇構(gòu)件進行搭建實驗，完成后點擊［檢查］按鈕，平臺最后會根據(jù)學(xué)生的虛擬搭建過程與結(jié)果給出評價和提示。

④創(chuàng)新搭建平臺。創(chuàng)新搭建平臺是將是該虛擬實驗平臺的無限拓展，是藝術(shù)設(shè)計實踐教學(xué)自由創(chuàng)新的要求。該平臺提供正交視角，用戶可以自主選取構(gòu)件進行搭建。構(gòu)件無需像3D MAX或Sketch Up軟件般輸入數(shù)據(jù)。用戶只需將預(yù)制的構(gòu)件從面板中拖出即可使用。

3 軟件制作核心技術(shù)的研究與開發(fā)

①界面設(shè)計與組件制作

良好的操作界面能給用戶更深刻和舒適的體驗，虛擬建構(gòu)實驗的操作界面主要分為三大塊:搭建界面、構(gòu)件面板、導(dǎo)航按鈕。搭建用戶界面設(shè)計選用Photoshop和Coreldraw軟件技術(shù)，用戶能根據(jù)二維的圖形體驗到三維的虛擬效果。構(gòu)建面板中主要內(nèi)容為各建筑構(gòu)造的構(gòu)件和材料放置區(qū)。構(gòu)件使用3DS MAX進行制作然后導(dǎo)成平面圖形后插入FLASH中的構(gòu)件板中。構(gòu)件面板色調(diào)采用深淺相間的形式，能使構(gòu)建更清晰展示和用戶的更便捷選取。材料放置區(qū)主要為用戶提供一個臨時放置構(gòu)件或放置廢棄構(gòu)建的場所，該區(qū)域中用戶可隨心所欲的將構(gòu)件拖入或拖出拼搭界面。不同大小的構(gòu)件可通過基本構(gòu)件多次拼接實現(xiàn)，視覺感官體驗感強，用戶點擊場景中構(gòu)件即可使其置頂。構(gòu)建面板是建筑構(gòu)造的構(gòu)件和材料放置區(qū)。導(dǎo)航欄主要與建筑構(gòu)造虛擬實驗教學(xué)平臺主模塊相銜接，功能與使用方法都與主模塊中相同。導(dǎo)航欄主要起到返回主模塊的作用，用戶在任意一題情況下，點擊“返回”即可進入主模塊中。

②AS代碼編寫

虛擬建構(gòu)實驗教學(xué)軟件主要使用AS代碼編寫，虛擬搭建場景需編寫復(fù)制命令，如下:

編寫構(gòu)件代碼可復(fù)制命令，主要利用新建影片剪輯的技術(shù)，當點擊構(gòu)件后，可激活在拼搭場景內(nèi)的復(fù)制命令，復(fù)制新影片剪輯:

輔助功能是提示板和小助手。提示板功能是顯示實驗題和實驗結(jié)果的評價，該功能通過制作影片剪輯構(gòu)件實現(xiàn)。小助手實時提示使用方法，拖動小助手可使其移動位置。

4 結(jié)語

隨著多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)已成為加強藝術(shù)類實踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學(xué)，克服傳統(tǒng)實驗的各種制約和弊端，有效地解決目前藝術(shù)教育實驗教學(xué)中存在的諸多問題，達到教育資源的優(yōu)化、教學(xué)質(zhì)量的提高。通過藝術(shù)設(shè)計及技術(shù)研發(fā)，制作了建筑構(gòu)造虛擬實驗教學(xué)軟件，并以基于真實場景的虛擬全景漫游為載體，進行了網(wǎng)絡(luò)虛擬建構(gòu)實驗平臺的架構(gòu)，推動了我校藝術(shù)設(shè)計各專業(yè)實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的進程。但該軟件建設(shè)還處于探索和實踐階段，引用拓展方面仍有局限性，交互體驗式建筑構(gòu)造虛擬實驗教學(xué)軟件是藝術(shù)設(shè)計實踐教學(xué)改革的一次全新探索。

中國紡織工業(yè)協(xié)會教育教學(xué)改革重點項目:創(chuàng)新性藝術(shù)設(shè)計實踐教學(xué)模式的改革與實踐(編號FZJG1115)。