4D電影技術及其在大學教學中的應用前景

周春樵，朱思征

大學的教學方式通過幾百年發展變遷，經歷了不斷的改革和進步，從單一的個別教學模式到班級授課模式的轉變，并在此發展主線上呈現出多樣化的軌跡。傳統的課堂教學主要包括教師講臺授課、室外講解、計算機輔助教學(網絡遠程在線教學、慕課等)，但受到資源、地域等方面的限制，都存在一定的缺陷。隨著現代化數字技術的進步，大學的教育形式將向個性化、網絡化、數字化方向發展。4D電影技術的出現是視覺影像技術的革命性變化，除了具備3D電影模擬出真實場景外，4D電影還能讓人在觀影過程中產生強烈的“身臨其境”的感覺。在未來信息化的時代，引進4D電影技術將會給傳統的大學教學方式帶來顛覆性的變革，讓學生能在虛擬的現實環境里全方位的感知教學內容，具有一定創新性的發展趨勢。

一、關于4D電影技術

(一)什么是4D電影

4D電影是立體電影和特技影院結合的產物。隨著三維軟件在國內越來越廣泛的應用，4D電影也得到了飛速的發展。4D電影也叫四維電影，它由三維立體電影和周圍的環境模擬組成的四維空間，但不是幾何意義上的四維空間。在3D立體電影的基礎上加環境特效、模擬仿真而組成的新型電影產品，通過給觀眾以電影內容聯動的物理刺激，來增強臨場感的效果。

(二)4D電影技術與傳統電影技術的比較

4D電影在制作方式、制作工藝方面與2D以及3D電影都有一定的區別，具備更多的優越性。

2D電影即為傳統的平面電影，在觀影空間里表現為2維(只有長和高，沒有寬)，電影播放載體一般為膠片，制作工藝復雜，復制過程有一定的衰減。聲音呈現方面，采用的是模擬單聲道。畫面上有時有劃痕、晃動、接片干擾等。

3D電影在觀影空間里表現為3維空間(長、寬、高)，國際上以3D電影來表示立體電影。它將兩影像重合，產生三維立體效果，當觀眾戴上立體眼鏡觀看時，有身臨其境的感覺。電影制作流程包括劇本討論、概念設計、分鏡故事板、粗模、貼圖材質、骨骼蒙皮、分鏡動畫、燈光、3D特效、分層渲染、后期剪輯等。3D電影的載體有磁帶、磁盤和光盤。電影資源可以完美克隆。畫面無抖動、平滑、色彩鮮明飽滿。3D電影技術現主要應用于科幻電影、珍寶欣賞、遠距醫學等方面。

4D電影技術是在3D基礎上發展起來的數字電影技術。它依靠三維立體電影和周圍環境來模擬四維空間，從而給觀眾更加逼真的電影觀感。從架構層面上來說，4D電影技術是在3D電影與特技影院相結合的條件下來完成的。在畫質和視覺方面，4D電影除了具備立體的視覺畫面外，還能通過影院的特殊裝備來營造出一種與影片相匹配的環境，讓觀眾能從視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多重身體感官體驗電影的放映效果。在技術層面上，4D電影應用到了傳感、機電控制、同步控制、仿真、氣動裝置、多計算機通訊、偏振立體顯示、數碼影視以及圖像拼接等高新技術。4D影院的發展非常迅猛，表現形式也根據人們不斷提高的娛樂需求有了很大的發展，平面銀幕方式的4D影院正受到環幕方式的沖擊，而新型特技座椅配合動感平臺，又使4D影院進入了一個嶄新的階段。因此，相對于傳統電影，4D電影無論在電影制作層面，還是觀眾觀影感受方面，都具有劃時代的意義。

(三)4D電影技術原理

4D電影是隨著自動化、智能控制技術的發展而新興的一種新的電影技術，該技術充分利用自動智能控制，通過主控系統實現對放映、座椅和閃光燈、聲音、供水、供氣等設備的聯動協同工作，并同步模擬出與電影畫面中一致的場景，使觀眾雖身在座位上，但真切感覺如同走入立體電影中的情節和實景。

4D影院一般由立體放映系統、特效座椅與特效設備、計算機控制系統三個基本要素組成。

1.立體放映系統包括立體影片和立體放映設備，4D影院所播放的具有立體效果的影片，通常采用數字電影特技技術制作。目前主要有電影機放映與投影儀放映兩種系統。觀看4D立體電影時，觀眾要佩戴偏光立體眼鏡。這是由于影片的圖像在計算機生成時利用立體成像技術，分別輸出制作了存在著左右眼視差的兩套電影膠片，放映時，兩臺放映機同步放映，并在放映鏡頭前分別裝置兩個偏振軸互成90度的偏振鏡，看到的就是立體影像。

2.特效座椅與特效設備是4D影院與一般影院相區別的標志性特征。通過4D特效座椅和特效設備的共同作用，才能夠實現在立體視覺基礎上的“身臨其境”。4D特效座椅以兩個座位為一個單元。4D特效座椅可在計算機控制下配合影片鏡頭的運動進行同步的動作。特效座椅及其它特效設備與影片精確的配合，制作出特殊的效果，例如自然界中的風、水等效果及生活中比較常見的振動、墜落等。

3.計算機控制系統包括影院中央控制系統、特效控制系統、音響系統、供氣供水系統。影院中央控制系統主要完成的功能是:負責電影放映、特效控制、電影音效系統的同步運行，它主要是由一臺工業控制計算機和計算機內的控制軟件構成，是4D影院的大腦。特效控制系統用來實現特效座椅與特效設備的動作，在總控系統的協調下，與電影劇情進行同步運行。音響系統多采用數字立體環繞音效，與電影畫面同步。供氣供水系統由空壓機、儲氣罐、壓力泵、水箱組成，管道和閥門與特效設備連接，使得座椅可以升降、振動等。壓力泵和水箱主要完成噴水效果。

二、4D電影技術在大學教學中的應用

(一)傳統的大學教學形式

中國傳統的大學教學形式主要有講授法、討論法、直觀演示法、練習法、讀書指導法、任務驅動法、參觀教學法、現場教學法、自主學習法等。不同的教學方法衍生出形式各樣的教學傳授媒介，如傳統課堂里的黑板、粉筆、標本，現代的多媒體教學的幻燈片、數字投影、錄音、遠程視頻等。科學、合理地選擇和有效地運用教學方法，要求教師能夠在現代教學理論的指導下，熟練地把握各類教學方法的特性，能夠綜合地考慮各種教學方法的各種要素，合理地選擇適宜的教學方法并能進行優化組合。

現代多媒體教學技術的不斷發展打破了傳統的教學模式。多媒體教學將語音處理、圖像處理、視聽處理技術集成化，通過計算機軟硬件的存儲、加工、傳輸等過程來進行教學，讓教師傳授知識的途徑從“一個人+一支粉筆+一塊黑板”轉向數字化教學。多媒體教學系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分有主機、視頻、音頻、輸入輸出設備、高級多媒體設備;軟件部分分為系統和應用軟件，如多媒體操作系統、媒體制作開發軟件以及多媒體外設驅動軟件和驅動接口程序等。相對于傳統的教學模式，多媒體教學更具有優勢:

1.直觀性。能夠多角度的觀察對象，突出教學重點;2.交互性。讓更多的學生主動參與教學，有助于提高學生的認知結構;3.針對性。使針對不同層次學生的教學成為可能;4.智能性。圖文并茂的教學形式能更智能的進行教學工作，激發學生學習熱情;5.可重復性。可復制式的教學模式能更好的突破教學難點，幫助學生更好的記憶課本知識點。

相反，多媒體教學也存在一定的缺點:

1.多媒體課件的質量好壞不一。劣質的多媒體教學課件可能難以發揮教學優勢，其可能存在表現形式單一，使學生產生厭學情緒;

2.教師教學能力弱化，缺失課堂互動性。語音傳教的教學形式很大程度上會讓教師偏重語音的強化，弱化現場教學的控制力，有些教師有可能產生一旦離開多媒體課件就無法教學的結果。過度的依賴多媒體教學也會導致教師教學引導力和學生主體作用消失的情況。

3.學生主觀思維喪失，教學效果不理想。多媒體教學使得教學信息不斷增大，教學節奏加快，重點知識點難以突出，學生只能被動的接受授課內容，缺失思維過程，削弱學生分析和解決問題的能力。

(二)4D電影技術的教學引進

電影技術本身是大學教育教學的重要資源和方法，4D電影技術把最先進的數字技術運用于電影的制作、存儲和傳輸之中。4D電影技術是集數字技術和電影技術為一體的現今最先進的影像感受展示技術，更應該在大學教育教學中得到應用。

4D電影技術與大學課程整合，是運用該其技術特征，在課程教學過程中把信息技術、信息資源、信息方法、人力資源和課程結構、課程內容、課程資源以及課程實施等融合為一體，從根本上改變傳統教和學的觀念以及相應的學習目標、方法和評價手段，共同完成課程教學任務的一種新型的教學方法。

4D電影技術可以將大學課堂更加科技化和形象化，將一些晦澀難懂的物理和化學定理更加鮮明化，通過模擬天體運動、溫度變化、光亮調節，并配合煙霧、噴水、掃腿和特技座椅，可以讓學生們身臨其境的去體會這些自然定律，更好的將這些定理去記憶和運用于實踐。此外，4D電影技術可以將大學教學課件制作成教學電影的形式，讓學生在上課的時候能在汲取課本知識的同時也能享受教學電影的魅力，提升大學生對大學課堂的興趣，完善自身的發展。在一些具有個性特征的科學學科的課件制作方面，如醫學、生物學等，可以采用4D電影技術將高分辨率、技術實現難度較大的課件畫面以立體動感的方式呈現在學生面前，它通過像素重構技術，將畫面按“幀”進行插入、移動、修改、刪除等編輯，能營造出一種宏觀的教學立體畫面。

此外，由于4D電影技術具備數字式線痕去除、數字缺陷消除等功能，可以利用數字電影技術來修復大學教學中的歷史資料影片、科教片以及資料片，長期保存這些電影資源，實現教學資源的高效可持續利用。

結語

伴隨著數字化時代的到來，4D電影將會是未來電影產業的重要發展方向，將4D電影技術運用在大學教育中，一方面可以提高教育教學科學化的發展水平，另一方面也可以充分發揮技術優勢，對專業知識傳播起到重要促進作用。作為教育工作者，筆者認為4D電影技術在大學教育教學領域有廣闊的應用前景。