試析利用Blender開發普通高校虛擬現實實驗室

郝振華 HAO Zhen-hua

（上海建橋學院，上海 201319）

（Shanghai Jianqiao College，Shanghai 201319，China）

0 引言

教學實驗室的建設作為高校教育中不可或缺的一個環節，面臨著適應社會需求、積極探索進取和創新發展的問題。根據教學目標和技術可行性，選擇合理的開發技術，建設并發展虛擬教學實驗室，從驗證性實驗向創新性實驗轉變；從單一的建模實驗向交互實驗轉變；集成各種輸入設備，根據需要添加可識別的實驗設備，使高校教學實驗室教學優勢和潛力得以充分發揮。

本文試析利用Blender開發虛擬現實教學實驗室在普通高校中的意義，并對此展開討論。

1 適應教學發展的虛擬教學實驗室

1.1 從驗證性實驗向創新性實驗轉變 傳統的實驗項目受到實驗室本身的制約多為命題型驗證性實驗，絕大部分高校的實驗課程都采用老師講解、演示，學生動手的模式。這種傳統的教學模式以教師為中心，學生在教學過程中自始至終處于被動狀態，主動性和積極性難以發揮。

虛擬現實（Virtual Reality-VR），其特點主要體現在虛擬現實技術的3I特性，即所謂的沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）、想象力（Imaginative）。此外，虛擬現實技術還擁有網絡功能、多媒體技術、人工智能、計算機圖形學、動態交互智能感和程序驅動三維立體模型和場景等。虛擬現實教學實驗室是學生通過計算機產生被模擬仿真世界的動態三維視覺環境，學生在學習動態三維視覺環境是如何產生的同時，理解并通過各種交互設備（鼠標，鍵盤，游戲操縱桿，MIDI設備等）觀察、體驗并省視在交互過程中的體驗感，通過創作和有計劃的修改、完善虛擬現實的體驗，并探索新的交互的可能性，充分發揮學生的主觀能動性。

1.2 從單一的建模實驗向交互實驗轉變 與單一的建模實驗傳統教育相比，虛擬實驗室需要的不只是注重基本的建模實驗，而是能提供更多的具有交互實驗的能力，強調人與機器互動，人與人互動的平臺，利用VR技術更有助于多媒體輔助教學系統的運用、開發與完善，有著更加深入表達教學內容的優勢。

由于市場多樣化的沖擊而缺乏虛擬現實技術的統一標準，使得虛擬實驗室缺乏的軟硬件的相互配合，加上教學的不統一要求，在這種情況下，學生更傾向于類似虛擬物體建模這樣的基本實驗，降低了作為虛擬實驗室的真正功能。所以選擇一款能很自然的從建模學習到虛擬現實交互的應用軟件就顯得很重要。

1.3 添加可識別的各種輸入輸出實驗設備 隨著虛擬現實相關技術的不斷發展和完善，各種新型的輸入輸出設備層出不窮。虛擬實驗室是一個緊跟時代的互動實驗室，根據需要隨著互動技術的進步添加市場上各種典型的可識別的實驗設備，比如midi控制設備、游戲遙感設備，并在條件允許范圍內購買虛擬現實數據手套等。在市場的推進作用下，類似wii的手柄控制器等運動重力感知設備和Xbox的Kinect運動捕捉（或稱體感識別）設備等新興游戲互動設備也應成為虛擬教學實驗室的輸入設備。有了這些設備的加入就會使虛擬實驗室強大的實驗優勢和教學潛力得以充分發揮。

2 什么是Blender

英文“blender”，中文翻譯為“攪拌機”，顧名思義是用來將所有的視頻音頻圖像還有三維模型和動畫等綜合起來制作動畫及可執行程序的軟件。

2.1 綜合性三維解決方案 Blender提供從建模、動畫、材質、渲染，到音頻處理，視頻剪輯等一系列動畫短片制作的三維動畫制作軟件。且具有占有空間少、使用系統資源低并可運行于不同平臺等特性。

2.2 發展迅速的開源軟件 Blender于2002年10月13日公布其源代碼，成為為數不多的開源三維動畫及交互解決方案。因為遵循GNU通用公共許可證發布，因而沒有教育版,專業版或商業版之分。由Blender創作的藝術品，包含Python腳本都需要遵守GNU下的GPL協議將其開源。但署名權將完全屬于藝術品和腳本的創作者。

2.3 特點顯著適合科研開發 Blender提供非常強大的API支持，由于Blender是在Python語言上構建的，其API可以與Python語言的模塊完全兼容，所以具有很強的多媒體應用擴展性。Python本身是一個十分適合流程控制和多媒體應用的語言。Blender提供了各種輸入設備的感應模塊,通過使用Python腳本，可以被Blender接收的輸入設備可以有更多的擴展，包括midi鍵盤和具有TUIO或OSC協議的多點觸摸設備，其中包括wii的手柄控制器、iPhone、iPad 等。

此外，由于良好的可移植性和兼容性，Blender共享系統Python環境并通過包裝函式，調用計算機視覺函數庫OpenCV，從而實現各種科學實驗。

3 Blender對高校虛擬教學實驗室建設的意義

Blender的出現恰好可以滿足高校虛擬教學實驗室適應教學發展的需要，并在快速變化的信息時代逐步完善、成熟，在擔當起實驗教學的重任中起到更好的作用。

3.1 虛擬教學實驗室在注重效率的同時仍需要考慮成本

3.1.1 快速建立CG培訓平臺 與動輒上千美元的商業3D軟件相比，Blender是一款完全免費而且開源的3D制作軟件，用戶不需要考慮版權問題就可以隨意拷貝和共享，學校、單位或相關培訓機構可以快捷地建立一套基于Blender的CG培訓平臺。

3.1.2 解決長期維護 教學實驗室要注重成本和長期維護的問題，尤其是虛擬教學實驗室，要考慮到軟件的更新和維護。這些成本幾乎每年必須發生。如果選擇一款類似3DSMAX這樣的軟件作為建模材質和貼圖的工具，那么制作虛擬現實應用的工具將價格不菲。以國產的中視典的VRP為例，基礎的面數不限的能完成數字校園的企業版價格也在4萬左右。盡管在8萬個面以內的小型版本是免費的，但針對不同的模塊VRP的價格是不同的。這些還不包括API等接口的解釋和服務性的幫助，而這些對于Blender來說都是免費的。

3.2 虛擬教學實驗室建設要與課程設置銜接相關聯 以上海建橋學院為例，為數字媒體藝術專業和軟件工程專業學生開拓實踐內容而服務的虛擬教學實驗室，建設和發展要考慮與課程內容互相斜街。

3.2.1 VRML被逐步更新 就數字媒體藝術專業的學生而言，課程結構中已經包括了三維建模和三維動畫的內容，使用的軟件是以三維動畫為方向的三維應用軟件，包括Maya，3DSMAX和Lightwave等。

但是過去開設的虛擬現實課程卻是以VRML作為課程核心內容的，而VRML是以網頁三維交互作為核心技術，學生等于使用新的編程語言來實現動畫和交互，這與之前學習的三維建模和動畫在知識系統上就難以銜接，更無法拓展。

此外，VRML本身技術的更新是X3D格式，就目前來看，作為同等級別的三維網絡交互應用制作工具，其競爭對手是 Cult3D；同時 Viewpoint以及Adobe的Atmosphere也對其構成威脅；尤其是Viewpoint，作為一個可以和Flash的SWF共同使用的老牌網絡三維表現軟件，Viewpoint在工業品表現領域活躍了10多年，已改變了VRML的主流地位。而新興的WEBMAX也在試圖針對這一應用市場拓展自己的份額。從這些情況來看，VRML也已經不再適合作為虛擬現實課程的核心內容。

3.2.2 強調三維交互 虛擬現實的另一個重要領域在于表現與三維對象的交互上，這點也同時是三維游戲引擎所注重的方面。

具有三維游戲引擎功能的軟件，不僅提供仿真模擬的功能，更重要的是他們注重與其他三維動畫軟件的銜接，有些更包含了自己的建模和動畫工具，如Maya，尚缺乏可充分自定義來拓展與其他三維動畫軟件的銜接。當然，還有很多優秀的虛擬現實軟件在提供本地應用的同時也可以生成網絡三維交互應用。如Mac系統的Unity 3D，雖然它不僅可以作為很好的游戲引擎和虛擬現實開發平臺，也可以作為網絡3D游戲和網絡三維交互開發的工具套件，甚至可以拓展到游戲平臺和移動媒體應用，只可惜價格和運行平臺成為了最難推廣的瓶頸；另一個元老級的VR商業軟件是Quest3D，完全節點式的操作模式使得其相當的另類，除了價格昂貴以外，其制作的內容僅限于windows平臺；還有一個合適的選擇是類似Torque這樣的中小型游戲引擎，雖然價格相對適中但功能不全。如果沒有一款適合的軟件，學生就很難充分運用之前課程中學習的建模和動畫知識來很好地制作完成新的三維交互內容。

3.2.3 符合課程要求的Blender而Blender與和它集成在內的游戲引擎BGE（Blender Game Engine）不僅是免費的，而且功能還可以自定義的拓展，既符合課程要求，也對學生所學知識能相互銜接，學生通過這類軟件的學習并理解三維交互的核心構成后對網絡三維軟件概念也不會陌生。這些對學生了解基礎概念而言己經足夠了。

3.3 虛擬教學實驗室要以創新為導向 核心的三維建模知識都大同小異，但是選擇一款具有集合功能、并能充分自定義、最終產生三維交互的動畫軟件，很大程度上拓展了學生三維交互的創作領域。

3.3.1 選擇具有充分自定義的核心軟件 要使學生形成自己對虛擬現實的理解，以此為目標，教學實驗室就要以創新為導向，在核心軟件的選擇上要具有充分的自定義。在這點上Blender具有很好的自由度。

對于開源的Blender而言，這個三維軟件允許學生對它的源代碼作自由的修改以滿足實驗需要。學校方面也可以自己編譯適合自己實驗需要的Blender。在這方面Maya和3DSMAX等軟件都不如Blender。如果以Maya作為建模和動畫渲染工具，做虛擬現實時將面臨著對所有模型的導出以及整個場景設置的廢棄；所有的材質和貼圖也將可能在虛擬現實軟件中重設。以Virtools為例，所有在Maya里的高級貼圖將都無法導入，大量燈光設置丟失，只有燈光位置和強度被保留；攝影機動畫會產生問題；對骨骼綁定和動畫導入也將遇到重新設置等諸多麻煩。

3.3.2 尋找創作樂趣 Blender是一款不斷發展著的應用軟件，正如它的中譯名“攪拌機”那樣，它所提供的是目前同類軟件都未曾有過的很強的集合功能。作為一款單一窗口的軟件，Blender不僅具備了完善的建模工具流水線，動畫角色骨骼工具，物理模擬引擎，材質貼圖編輯器，可以控制紋理通道的節點編輯器，更集合了非線性編輯器和游戲引擎的能力，這使得Blender既能像Lightwave那樣注重品質和特效的動畫軟件，也能使它有類似Maya和3DSMax那樣的運動模擬和仿真能力，更重要的是Blender具備了初級的VR軟件的能力。模型師，動畫師，材質師和程序員再也不必為不同界面不同工具的導入導出和設置問題所煩惱，可以專心下來做真正重要的事情，那就是創作本身。

對本科階段的學生而言，創作是課程上最大的樂趣，也是課程中比較核心的內容，工具和理論知識都可以在創作的過程中獲得。這也是教學實驗課程的核心目的。

3.3.3 創造多樣性學習 數字媒體藝術專業的學生可以用一種全新的表達方式，使他們了解并掌握新的藝術表現形式；軟件工程專業的學生更加有機會通過具體的需要來改造虛擬現實軟件的各種功能從而測試并提高他們的能力。如果不是有這樣一種可以貫穿所有知識類型的軟件，學生很難將課程理論通過作品實踐的方法便捷地綜合并展示出來。不同學科的學生發揮各自的專長，通過合作，相互學習，帶來更有深度的多樣性學習，發揮出學生更好的創造力。

4 虛擬教學實驗室必須選擇注重開發的軟件保持可持續發展

4.1 注重開發保持可持續發展 作為普通高校的虛擬教學實驗室，同時也必須符合快速原型開發的各個條件，選擇一款注重開發，保持可持續發展的軟件很重要。Blender在GNU公共許可下已經發布并公開其源代碼，成為世界上開發速度和更新速度最快的3D軟件之一。

Blender有完善的API文檔和大量的線上教程，以及無數分布在全球各地的程序員為之完善。從Graphicall.com上初步的統計每月windows平臺上更新次數大于20次，很多核心的功能開發項目已經被“谷歌公司”列入Google Summer Of Code托管。這是個在世界范圍內活躍的一款軟件，具有相當潛力。

4.2 提倡開源互動學習 作為3D開源軟件Blender積極創導技術共享與開發自由的新興知識產權，在三維交互設計領域中也越來越多地被認識和應用，特別是Blender努力提出的互動學習模式——開放性社區的全民學習。

在Blender的社區里，你可獲得大量豐富而全面的Blender免費教程和資源，使學習成為一種動力和享受，這里人人都可以是老師，參與討論和提問、互相幫助、共同進步，一種真正的開源精神，尤其適用于高校。注重開發的Blender不但開源源代碼，也同時把核心功能與核心知識一并開源了。學生通過這樣的教學實驗室的訓練后，可以更自信地適應不同的商業軟件進行自學，就業后對企業的培訓也不會陌生。

5 結束語

信息技術的發展必將對高等教育帶來革命性的變革，作為高校教育中不可或缺的一個環節，教學實驗室也不例外，虛擬實驗教學模式將成為未來實驗教學的重要途徑和方式。根據“技術設計為教學設計服務的原則”，基于Blender的虛擬現實教學實驗室無論是提高學生制作3D興趣和技能水平，還是今后的就業市場日益發展的需求前景，Blender作為三維交互設計不可或缺的工具，在高校教學實驗中已日益重要。

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