照片建模與增強現實實驗在三維軟件基礎課程中的應用

韋歡　席軍林　楊建

摘要：針對傳統三維軟件操作復雜、初學者動手實踐存在一定困難的問題，提出在三維軟件基礎課程中設計一個照片建模與增強現實實驗，并說明實驗方法和過程，同時對教學效果進行評價，說明調查問卷結果。

關鍵詞：照片建模；增強現實；三維軟件

近年來，隨著3D打印、虛擬現實等熱門技術的迅速發展，市場對三維設計和開發人員的需求越來越大。三維軟件基礎是數字媒體技術本科專業第三學期開設的一門必修課，目標是使學生了解三維設計制作的基本流程，熟悉三維軟件的基本操作，為后續動畫制作、游戲開發、虛擬現實應用開發等相關課程和實踐打下良好基礎。數字媒體技術是一個多學科交叉的新專業，各個高校對數字媒體技術的培養目標和側重點不盡相同。

1.三維軟件基礎課程存在的問題

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

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

2.照片建模與增強現實實驗

針對教學實踐中發現的問題，我們面向學生設計了一個照片建模與增強現實實驗。該實驗無需手工建模，學生使用圖像建模軟件快速獲取物體的三維模型，然后將模型導入一個增強現實平臺中進行交互性展示。該實驗主要分為“照片建模”和“增強現實展示”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可以從圖像中恢復物體或場景的三維幾何信息，并構建物體的三維模型。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量不亞于手工建造的模型。目前，基于圖像的建模技術已經比較成熟，市面上也有不少優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，學生可以免費從官網下載安裝，可在電腦上運行，也可以在手機或平板電腦上使用。

123D Catch使用非常簡單，學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，使用數碼相機或手機環繞該物體，從不同的視角拍攝30-50張相片，之后將這些照片上傳到Autodesk的云端服務器，經過服務器運算后即可生成三維模型，學生從服務器下載三維模型到軟件中打開。另外，123D Catch的手機應用可以直接從手機上傳照片，并將模型下載到手機查看，方便學生獲取室外景物的三維模型。

模型從服務器下載到本地之后，學生可以在123D Catch中對模型進行簡單的編輯，如刪除多余的場景保留主體模型，調整模型朝向、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，學生可以重新拍攝照片上傳重新建立模型。照片建模的規律是，一組照片越清晰，越能從不同視角展現物體的細節，生成的三維模型就越接近真實物體。當得到比較滿意的三維模型之后，學生可以從123D Catch中導出成FBX格式的模型文件供增強現實平臺使用。

2.2增強現實展示平臺

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

我們使用ARToolKit和Unreal Engine搭建的增強現實展示平臺。ARToolKit是歷史最悠久使用人數最多的增強現實開發工具之一，它可以識別圖像中的標志圖案并準確跟蹤其位置。Unreal Engine則是目前性能最強大的游戲引擎之一，它負責在跟蹤到的標志上實時渲染三維模型。這兩個工具都可以從互聯網上免費獲得，免費用于教育用途。

由于三維軟件基礎課程不涉及增強現實背后的圖像識別和跟蹤的原理和算法，也不包含Unreal引擎開發的相關內容，我們直接提供給學生一個配置好的模板工程，學生只需將照片建模得到的FBX模型文件導入到工程里，替換掉原樣例模型，如有必要也可以使用Unreal引擎的編輯器進行一些簡單的對齊調整，然后運行工程，將打印好的標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年秋季學期中，我們首次將照片建模與增強現實實驗引入到三維軟件基礎課程中，教學對象為數字媒體技術2014級本科生，總共53名學生。該實驗被安排在課程第4周，此時教學進度進入三維建模章節，學生剛剛接觸三維軟件，需要通過實踐來體驗三維建模，而復雜的軟件界面以及初學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，使學生能夠以“所拍即所得”的方式快速獲得自己想要的三維模型；增強現實的展示形式使學生與三維模型實現有趣的互動。我們發現在進行該實驗時，學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到之后的課程學習中里，學生運用所學知識自主進行一些新嘗試，例如，將照片生成的模型導人到3ds Max中進行組合，創造出新的場景；制作一段虛擬角色與真實場景融合的動畫視頻；甚至部分同學對增強現實技術產生了濃厚的興趣，主動查閱相關的論文。

課程結束時，我們對學生進行了問卷調查，該問卷主要針對快速建模與增強現實展示實驗（簡稱AR實驗）的效果進行評估。我們列出幾個表述，學生可選擇“1.非常好”“2.好”“3.一般”“4.不好”或“5.無效果”5個選項之一來表達認可度。表1列出了此次問卷調查的統計結果。從統計數據可以看到，91.4%的學生認為AR實驗有吸引力（選擇1、2項的學生），79.2%的學生認為AR實驗的軟件工具易于使用，92.5%的學生認為作品展示讓自己有成就感，同意AR實驗促進了學習主動性和同學間交流的學生達到90%以上，增強現實技術比照片建模技術更想讓人深入研究。問卷調查結果符合我們的預期，該實驗受到普遍歡迎，大多數學生實現起來沒有障礙，學生主動學習，獲得一定的成就感，并且增進了人際交流，對科研啟迪也起到一定作用。

4.結語

照片建模與增強現實實驗為三維軟件初學者提供了一個快速體驗三維開發流程的實踐機會，有效降低了三維制作的入門難度。我們在2015年秋季學期的三維軟件基礎課程中應用了照片建模與增強現實實驗，并對學生的學習情況進行評估。從學生問卷調查的結果來看，該實驗增強了學生學習三維軟件的信心和動力，并在一定程度上激發了學生的科研興趣，受到學生普遍歡迎。在今后的教學活動中，我們將嘗試以更多樣的實驗來調動學生學習的主動性，比如使用3D打印機，使學生能夠創建出不但“看得見”，也能“摸得著”的三維模型。