照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗在三維軟件基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

韋歡　席軍林　楊建

摘要：針對傳統(tǒng)三維軟件操作復(fù)雜、初學(xué)者動手實踐存在一定困難的問題，提出在三維軟件基礎(chǔ)課程中設(shè)計一個照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗，并說明實驗方法和過程，同時對教學(xué)效果進(jìn)行評價，說明調(diào)查問卷結(jié)果。

關(guān)鍵詞：照片建模；增強(qiáng)現(xiàn)實；三維軟件

近年來，隨著3D打印、虛擬現(xiàn)實等熱門技術(shù)的迅速發(fā)展，市場對三維設(shè)計和開發(fā)人員的需求越來越大。三維軟件基礎(chǔ)是數(shù)字媒體技術(shù)本科專業(yè)第三學(xué)期開設(shè)的一門必修課，目標(biāo)是使學(xué)生了解三維設(shè)計制作的基本流程，熟悉三維軟件的基本操作，為后續(xù)動畫制作、游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)等相關(guān)課程和實踐打下良好基礎(chǔ)。數(shù)字媒體技術(shù)是一個多學(xué)科交叉的新專業(yè)，各個高校對數(shù)字媒體技術(shù)的培養(yǎng)目標(biāo)和側(cè)重點不盡相同。

1.三維軟件基礎(chǔ)課程存在的問題

（1）三維軟件的復(fù)雜性問題。常規(guī)的專業(yè)性三維軟件如3ds MaX、Maya等都非常龐大和復(fù)雜，操作起來非常繁瑣，初學(xué)者往往感到無所適從。在有限的課時下，學(xué)生無法進(jìn)行深入的練習(xí)和實踐，無法制作出自己期望的三維模型和場景，從而缺乏學(xué)習(xí)動力。

（2）缺少三維軟件綜合實驗。對于數(shù)字媒體技術(shù)工科類學(xué)生，將三維數(shù)字內(nèi)容整合到三維應(yīng)用程序中是一項基本技能。常規(guī)的三維軟件實踐主要由建模、材質(zhì)、動畫、渲染等多個單獨的實驗組成，缺少一個綜合實驗讓學(xué)生體驗整個三維應(yīng)用開發(fā)的流程。由于相關(guān)的程序設(shè)計和三維引擎開發(fā)課程排在本課之后，此時的學(xué)生還無法進(jìn)行三維游戲或三維應(yīng)用程序開發(fā)，因此需要為他們定制一個簡單快速的“體驗式”實驗。

2.照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗

針對教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，我們面向?qū)W生設(shè)計了一個照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗。該實驗無需手工建模，學(xué)生使用圖像建模軟件快速獲取物體的三維模型，然后將模型導(dǎo)入一個增強(qiáng)現(xiàn)實平臺中進(jìn)行交互性展示。該實驗主要分為“照片建模”和“增強(qiáng)現(xiàn)實展示”兩個步驟，如圖1所示。

2.1從照片獲取三維模型

傳統(tǒng)的三維建模主要使用3ds Max、Maya等建模軟件，這種手工建模的方法工作量大，效率低，對建模人員軟件操作的熟練度和經(jīng)驗要求較高。其他建模手段還包括使用三維激光掃描儀、圖像建模軟件等。基于圖像的幾何建模技術(shù)可以從圖像中恢復(fù)物體或場景的三維幾何信息，并構(gòu)建物體的三維模型。這種方法的特點是算法自動生成模型，效率很高，在某些條件下生成的模型質(zhì)量不亞于手工建造的模型。目前，基于圖像的建模技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市面上也有不少優(yōu)秀的照片建模軟件可供選擇，例如Photoscan、Acute3D以及Autodesk公司推出的123D Catch和Memento等。由于本課中我們主要使用3dsMax來演示三維制作的基本操作，為了保證三維模型文件的兼容性，我們選擇同為Autodesk公司旗下的123D Catch。該軟件是一款輕量級照片建模軟件，學(xué)生可以免費從官網(wǎng)下載安裝，可在電腦上運(yùn)行，也可以在手機(jī)或平板電腦上使用。

123D Catch使用非常簡單，學(xué)生只需將所要建模的實物放置在光照均勻的桌面或地面上，使用數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)環(huán)繞該物體，從不同的視角拍攝30-50張相片，之后將這些照片上傳到Autodesk的云端服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器運(yùn)算后即可生成三維模型，學(xué)生從服務(wù)器下載三維模型到軟件中打開。另外，123D Catch的手機(jī)應(yīng)用可以直接從手機(jī)上傳照片，并將模型下載到手機(jī)查看，方便學(xué)生獲取室外景物的三維模型。

模型從服務(wù)器下載到本地之后，學(xué)生可以在123D Catch中對模型進(jìn)行簡單的編輯，如刪除多余的場景保留主體模型，調(diào)整模型朝向、縮放大小等，如圖2所示。如果生成的模型有較大的缺損或變形，學(xué)生可以重新拍攝照片上傳重新建立模型。照片建模的規(guī)律是，一組照片越清晰，越能從不同視角展現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)，生成的三維模型就越接近真實物體。當(dāng)?shù)玫奖容^滿意的三維模型之后，學(xué)生可以從123D Catch中導(dǎo)出成FBX格式的模型文件供增強(qiáng)現(xiàn)實平臺使用。

2.2增強(qiáng)現(xiàn)實展示平臺

增強(qiáng)現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實的一個重要分支，與虛擬現(xiàn)實中的完全虛擬的場景不同，增強(qiáng)現(xiàn)實將虛擬物體“放置”到真實的場景中，形成虛實融合的場景。增強(qiáng)現(xiàn)實在教育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與虛擬現(xiàn)實相比較，增強(qiáng)現(xiàn)實不需要額外添加頭盔顯示器、跟蹤器等硬件設(shè)備，基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實程序僅需要通過一個攝像頭加一臺電腦就能運(yùn)行。

我們使用ARToolKit和Unreal Engine搭建的增強(qiáng)現(xiàn)實展示平臺。ARToolKit是歷史最悠久使用人數(shù)最多的增強(qiáng)現(xiàn)實開發(fā)工具之一，它可以識別圖像中的標(biāo)志圖案并準(zhǔn)確跟蹤其位置。Unreal Engine則是目前性能最強(qiáng)大的游戲引擎之一，它負(fù)責(zé)在跟蹤到的標(biāo)志上實時渲染三維模型。這兩個工具都可以從互聯(lián)網(wǎng)上免費獲得，免費用于教育用途。

由于三維軟件基礎(chǔ)課程不涉及增強(qiáng)現(xiàn)實背后的圖像識別和跟蹤的原理和算法，也不包含Unreal引擎開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，我們直接提供給學(xué)生一個配置好的模板工程，學(xué)生只需將照片建模得到的FBX模型文件導(dǎo)入到工程里，替換掉原樣例模型，如有必要也可以使用Unreal引擎的編輯器進(jìn)行一些簡單的對齊調(diào)整，然后運(yùn)行工程，將打印好的標(biāo)志圖案放到攝像頭畫面里，即可觀察到三維模型的實時渲染效果，如圖3所示。

3.實驗效果評價

在2015年秋季學(xué)期中，我們首次將照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗引入到三維軟件基礎(chǔ)課程中，教學(xué)對象為數(shù)字媒體技術(shù)2014級本科生，總共53名學(xué)生。該實驗被安排在課程第4周，此時教學(xué)進(jìn)度進(jìn)入三維建模章節(jié)，學(xué)生剛剛接觸三維軟件，需要通過實踐來體驗三維建模，而復(fù)雜的軟件界面以及初學(xué)者常常遭遇的誤操作使他們失掉耐心和信心。照片建模軟件的出現(xiàn)，使學(xué)生能夠以“所拍即所得”的方式快速獲得自己想要的三維模型；增強(qiáng)現(xiàn)實的展示形式使學(xué)生與三維模型實現(xiàn)有趣的互動。我們發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行該實驗時，學(xué)生參與的積極性比其他實驗要高。該實驗帶來的積極影響一直延續(xù)到之后的課程學(xué)習(xí)中里，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識自主進(jìn)行一些新嘗試，例如，將照片生成的模型導(dǎo)人到3ds Max中進(jìn)行組合，創(chuàng)造出新的場景；制作一段虛擬角色與真實場景融合的動畫視頻；甚至部分同學(xué)對增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，主動查閱相關(guān)的論文。

課程結(jié)束時，我們對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，該問卷主要針對快速建模與增強(qiáng)現(xiàn)實展示實驗（簡稱AR實驗）的效果進(jìn)行評估。我們列出幾個表述，學(xué)生可選擇“1.非常好”“2.好”“3.一般”“4.不好”或“5.無效果”5個選項之一來表達(dá)認(rèn)可度。表1列出了此次問卷調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，91.4%的學(xué)生認(rèn)為AR實驗有吸引力（選擇1、2項的學(xué)生），79.2%的學(xué)生認(rèn)為AR實驗的軟件工具易于使用，92.5%的學(xué)生認(rèn)為作品展示讓自己有成就感，同意AR實驗促進(jìn)了學(xué)習(xí)主動性和同學(xué)間交流的學(xué)生達(dá)到90%以上，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)比照片建模技術(shù)更想讓人深入研究。問卷調(diào)查結(jié)果符合我們的預(yù)期，該實驗受到普遍歡迎，大多數(shù)學(xué)生實現(xiàn)起來沒有障礙，學(xué)生主動學(xué)習(xí)，獲得一定的成就感，并且增進(jìn)了人際交流，對科研啟迪也起到一定作用。

4.結(jié)語

照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗為三維軟件初學(xué)者提供了一個快速體驗三維開發(fā)流程的實踐機(jī)會，有效降低了三維制作的入門難度。我們在2015年秋季學(xué)期的三維軟件基礎(chǔ)課程中應(yīng)用了照片建模與增強(qiáng)現(xiàn)實實驗，并對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評估。從學(xué)生問卷調(diào)查的結(jié)果來看，該實驗增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)三維軟件的信心和動力，并在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，受到學(xué)生普遍歡迎。在今后的教學(xué)活動中，我們將嘗試以更多樣的實驗來調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，比如使用3D打印機(jī)，使學(xué)生能夠創(chuàng)建出不但“看得見”，也能“摸得著”的三維模型。