基于虛擬現實技術的三維教學環境研究

素描作為藝術設計專業的基礎課程，在傳統的課程教學中，學生要想更好的觀察和繪畫，需要控制好燈光、明暗等因素。用虛擬現實方法構建的場景能夠更輕松的進行交互控制進而成為學生素描教學中重要的觀察手段。作者在虛擬現實技術應用的基礎上開發的的素描學習系統，能起到豐富教學手段、改進教學方法和提高教學效率的作用。

介紹

虛擬現實是從英文Virtual Reality一詞翻譯過來的，簡稱VR技術。Virtual是虛擬的意思，Reality是真實的意思，合并起來就是虛擬現實。這一詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代提出的，也稱靈境技術或人工環境，國內也有人譯為“靈境”或“幻真”。虛擬現實技術綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，它在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身歷其境的沉侵感，具有與環境完善的交互作用能力，并有助于啟發構思。隨著虛擬現實技術的發展，做為一種新的管理方法和技術，虛擬系統在項目管理進程中正發揮著越來越重要的作用。首先，由于硬件設備投入非常昂貴，虛擬系統通常被用于那些在現實生活中比較危險的教學活動諸如軍事、醫療、工程等等。隨著技術的更新和發展，在基礎教學中，越來越多人使用虛擬現實技術來講授科學、物理、藝術等等學科。

虛擬現實技術長期以來被用于教育和培訓工作。Hratman進一步的使用虛擬現實環境來檢測學生的空間認知能力。Park et al發現虛擬現實技術制作的地圖能夠進一步提高學生的空間想象能力。美國芝加哥大學的電子可視化實驗室和交互計算環境實驗室設計出了一個名為“美妙（NICE）”的兒童教育作品，它是“敘述性、身歷其境感、合作互動環境”的簡稱，其宗旨是“讓我們在虛擬世界里一起學習和成長”。因此，我們非常有必要開發一個教育系統，它能夠幫助教師減少教學壓力。同時這個教學系統還能夠提高學生的學習積極性，激發學生的學習動力，給學生提供一種直觀的交互學習環境，進而能很好的完成我們的最終教育目標。

研究目的

在傳統的素描教學中，有很多相互影響的因素。教師通常需要去發現并糾正學生的種

種問題，這會增加教師的工作量。同時因為學生經常被動的接收建議，這也會降低他們主動發現問題的能力。為了有效的解決上述問題，我們研究應用3D虛擬現實技術開發了此款交互式素描學習系統。

在本次研究中，我們希望通過開發素描學習系統最終達到下列研究目標：

（1）通過應用素描學習系統的實時交互技術，有效減少教師的教學壓力，也能夠在一定程度上彌補中學美術教師短缺的問題。

（2）通過展現素描學習系統的趣味性和交互教育功能，能夠有效的吸引學生的注意力，提高學生的學習積極性。

（3）素描學習系統的在線學習功能能打破時間和空間的限制，同時虛擬現實技術在空間、陰影、材質表現等方法具有很大的優勢，這些都能有效彌補傳統媒體在互動交流方面的不足。

系統構建

本系統由以下三部分組成：

1.第一部分：模型

根據課程目標和課程內容的需求，為了訓練學生基礎的素描造型能力，我們通常將各種各樣的物體細分成一個個基本的單元。這些虛擬模型通常由平面和曲面構成。例如圓錐體、球體、圓柱體是由曲面構成的三維物體，而正方體、四棱錐、六棱柱是由平面構成的三維物體。眾所周知，這兩類物體是最基本的幾何體。使用幾何體的目的在于將復雜的物體分解成簡單基本單元，比如人頭就可以看做是由球體、圓柱體、長方體等基本單元構成的復雜對象。

學生依靠所學到的經驗，將真實生活的物體分解成簡單的幾何體并進行重構。這種訓練可以增強學生在素描繪畫中的觀察和分析能力。

2.第二部分：構建虛擬現實交互操作環境

為了順應在線學習的新趨勢，我們可以將素描學習系統開發成網絡學習平臺，學生可以通過因特網或局域網進行在線學習，它可以彌補傳統學習方法在時間和空間方面的不足。我們希望通過消除學生在自然觀察過程中所遇到的各種相互干擾的因素，同時給學生提供互動的學習環境，以此提高學生的學習積極性。

我們所開發的系統屬于桌面虛擬現實系統，這套人機交互系統的硬件設備是屏幕、鼠標、鍵盤。在軟件方面，虛擬現實技術能特供特殊的空間概念，實時三維圖片的燈光/陰影計算功能、紋理貼圖計算功能能夠為素描教學提供一種非常真實的交互學習環境。

3.第三部分：紙質練習

我們的研究采用探究式的學習策略：研究者通過紙上練習獲得種種經驗，同時他們按照每次課程的主題練習紙上繪畫的技巧，最終研究者慢慢獲得了更好的素描繪畫能力。

學習功能

虛擬現實產品是向人們，尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的好途徑，它具有三維聲像效果，能進行交互操作。虛擬現實技術通常需要用到種種元素來構成三維空間體系，比如：光源、視角、幾何形體、動物、材質、貼圖等等。盡管它只是一個虛擬現實場景，但是我們需要創建家具、墻上的畫、桌布、以及其他各種物體才能構成一個真實的素描教室。

結語

虛擬現實素描學習系統對于素描課程的教學有著積極的影響。虛擬現實教學學習活動，通過將虛擬現實技術的獨特性和教學方法有機融合，增強了素描教學的可操作性和趣味性。這是一種新的視覺藝術課程教學方法，本次研究的研究成果將對我們進一步的研究提供指導作用。

（作者單位：湖南信息學院人文藝術學院）

作者簡介：周增輝（1982-），男，講師，碩士，研究方向：動畫。

基金項目：湖南省教育廳科研項目“基于虛擬現實技術的三維虛擬教學環境研究”（編號：13C652）