基于3dMax與VRP技術的虛擬實驗平臺的設計與實現

張天云

摘要：本文以凸透鏡成像實驗為例，對實驗內容進行了前期分析，設計了實驗模塊，利用3d Max與VRP完成實驗器材的建模與三維實驗場景的組合，采用VRP進行腳本與虛擬交互設計，開發了適用于初中物理的虛擬實驗，并對該平臺的具體實現過程進行了系統闡述。

關鍵詞：3d Max；VRP；虛擬現實

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）09-0060-04

以3d Max和VRP為基礎設計開發的虛擬物理實驗，能夠構建具有強交互性、沉浸性和多感知性的虛擬實驗教學平臺，進而幫助學生熟悉實驗器材，掌握實驗步驟，形成正確概念，真正提高學生的動手研究能力、實踐能力、創新意識等綜合科學素質，這種體驗式學習更有助于學以致用。[1]

前期分析

凸透鏡成像實驗選自義務教育課程標準實驗教科書《物理》八年級上冊，是光學的重要內容，又是初二物理知識的重點，本實驗集物理現象、物理概念、物理規律于一體，涉及的物理名詞有物距（u）、像距（v）、焦距（f）、實像和虛像等。教學目標表現如下，①知識與技能目標：理解凸透鏡成像的規律；知道凸透鏡的光心、焦點、焦距和主光軸；知道凸透鏡所成像的正倒、大小、虛實與物距的關系；學會運用凸透鏡成像規律解釋一些簡單的現象。②過程與方法目標：能在探究活動中初步獲得提出問題的能力；通過探究活動，體驗探究過程的全過程和方法；學習從物理現象中歸納科學規律的方法。③情感態度與價值觀目標：培養對科學的求知欲，樂于探索自然現象和日常生活中的物理道理；初步建立將科學技術應用于實際的意識；培養認真嚴謹的科學態度及探究創造的心理品質。

技術分析

1.3D Studio Max

3D Studio Max（3ds Max或3d Max）是Discreet公司開發的基于計算機系統的三維動畫渲染和制作軟件。3d Max對PC系統的配置要求較低，并且安裝插件就可以對功能進行擴充，同時具有強大的角色動畫制作能力以及可堆疊的建模步驟，使得制作模型有非常大的彈性，所以被廣泛應用于建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學等領域。筆者以上述的“凸透鏡成像實驗”為例，使用3d Max主要完成了實驗器材的建模與三維實驗場景的組合。

2.VR-Platform

VRP（Virtual Reality Platform，簡稱VR-Platform或VRP）即虛擬現實平臺，是目前國內市場占有率較高的一款國產虛擬現實仿真平臺軟件。VRP腳本的中文化使用戶比較容易編寫腳本語言，同時它具有適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、所見即所得等特征。使用VRP的前提是需要操作者有良好的3d Max建模和渲染基礎，筆者在“凸透鏡成像實驗”中使用VRP主要用來進行交互設計，首先將3d Max中制作完成的“凸透鏡成像”三維模型導入，再通過軟件提供的相機、腳本等功能完成實驗界面的制作及相關功能的實現并導出產品。

虛擬實驗的功能模塊設計

根據對實驗目標與學習內容的分析，虛擬實驗平臺主要有以下六個功能模塊：

①“實驗幫助”模塊：主要講解軟件使用方法、操作、快捷鍵及實驗物品名稱與特性等。

②“環視實驗器材”模塊：可以選擇需要觀察的實驗器材，進行360度環視，觀看器材的不同側面。

③“實驗條件”模塊：設定實驗的前提條件，根據該條件判斷器材擺放位置是否正確并提供相對應的實驗結果的反饋。

④“實驗開始”模塊：學習者在對器材認知的基礎上，在該模塊中根據要求利用鼠標進行實驗，獲得實驗結果。

⑤“實驗演示”模塊：作為指導性模塊存在，在該模塊中按步驟播放完整的實驗動畫，清晰地展示實驗現象和過程，指導學生完成正確操作。

⑥“退出實驗”模塊：關閉軟件。

虛擬實驗的開發流程

1.建立三維場景

（1）創建三維模型并賦予材質

在凸透鏡成像實驗中，需要創建的三維模型主要有凸透鏡模型、蠟燭模型、光具座模型、刻度尺模型、光屏模型和火柴模型，建模圖示以凸透鏡為例，如圖1所示。

接下來需要為建立的模型貼圖，不同模型表面的材質各異，需要根據實際物體為其賦予不同材質，以蠟燭模型為例，除了需要在材質編輯器中為其賦予特定的材質外，最重要的是在“材質/貼圖瀏覽器”中設置“光線跟蹤”效果，在“光線跟蹤”基本參數的卷展欄中，設置“漫反射”的顏色為白色，在調整“高光級別”與“光澤度”的同時設置“特殊效果”選項區域中的“附加光”“半透明”“熒光”選項的顏色，完成后蠟燭模型與實物相近，視覺上比較真實。

（2）組合三維實驗場景

實驗儀器模型建模后需要將其整合為完整的實驗場景，以便導入VRP中，整合操作過程如下：

①選擇其中一個文件為主文件，然后單擊開頭圖標選中“導入”選項。

②在“合并文件”窗口中，選擇需合并的文件，在下一個窗口中，單擊“全部”按鈕，合并所有內容，單擊“確定”完成合并。

③將文件合并到同一個場景中后，使用“移動”“旋轉”等工具調整每個模型的大小、位置，使它們符合實驗的科學性擺放。

④重復上兩步，整合全部模型為一個整體，最終凸透鏡成像實驗的三維模型場景如圖2所示。

2.制作實驗動畫

凸透鏡成像實驗演示動畫是通過創建關鍵幀動畫來實現的，制作步驟為：

①單擊右下方“時間配置”按鈕，將結束時間改為800。

②選中蠟燭物體，單擊下方的“設置關鍵點”按鈕，再單擊“關鍵幀記錄”按鈕，把時間軸光標移動到100幀處，選中蠟燭的Y軸平行移動到指定位置，再次單擊“關鍵幀記錄”按鈕。

③選中光屏參照步驟②來進行，此時是從100幀開始設置關鍵點。

④繼續分別制作蠟燭和光屏移動的效果。

動畫需要呈現的實驗條件與現象為：當u>2f，f2f時，光屏成像為倒立的放大的實像（如圖4）；當uf時，光屏成像為正立的放大的虛像，物像同側（如圖5）。

3.將實驗場景導入VRP編輯器

以上步驟完成后，需要將場景模型導入虛擬現實平臺VRP編輯器中。在3d Max2010中，單擊右側屬性欄“工具”選項卡中的“VRPlatform”按鈕，向下拖動面板，勾選“全部”，單擊“調入VRP編輯器”按鈕，在彈出的窗口中單擊“保存場景”按鈕將其導入VRP編輯器中，若不確定導出場景效果，可以先單擊“快速預覽”按鈕確認效果無誤后，再調入VRP中，并保存該場景。

4.虛擬實驗界面的制作及交互功能的實現

（1）界面規劃

將所需場景模型導入VRP后便可以開始制作整個平臺的實驗界面。

①處理圖片。在Photoshop軟件中進行圖片處理，將實驗界面所需菜單欄、按鈕和標題的圖片進行設計并保存。

②在VRP中創建圖片。在VRP編輯器中選擇“編輯界面”，單擊“創建新面板”，選擇圖片，完成圖片名稱的修改，依次將做好的圖片放到相應位置。

③創建按鈕。選擇VRP中“編輯界面”，單擊“創建新面板”，選擇所需按鈕并調整布局。在右側屬性面板“透明”下，選擇“整體透明”，透明度設為1，注意不可設為0，否則按鈕無法觸發。根據以上步驟規劃實驗界面整體布局，如圖6所示。

（2）腳本設計

界面完善后，使用腳本語言來實現平臺的交互功能，交互按鈕主要包括實驗演示、實驗幫助、實驗開始、退出實驗、環視實驗器材與實驗條件，以“實驗演示”按鈕交互為例，設計如圖7所示，主要按鈕腳本如下表所示。

f2f按鈕及uf按鈕的腳本與u>2f，f

5.發布實驗文件

VRP的發布輸出非常方便、靈活。制作者可以選擇編譯獨立執行的Exe文件，方法是在彈出的窗口中設置存儲路徑、圖表及填寫版權公司等信息后進行編譯即可生成Exe文件。如果需要進行互聯網在線瀏覽，則只需要輸出可網絡發布的Vipie文件即可，并確定存儲路徑進行發布。

結語

虛擬實驗的發展能夠解決傳統實驗教學存在的實驗設備不全、實驗環境受限、實驗過程缺乏創造性等問題，其仿真性和豐富的交互性為學生提供了主動探究的環境，為培養和提高學生動手實踐能力、研究能力、創新意識等綜合科學素質提供了較好的路徑。

參考文獻：

[1]教育部.教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/.

[2]2016新媒體聯盟中國基礎教育技術展望[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/16/0116/19/29939622_528441188.shtml.

基金項目：山西省教育科學指令課題“基于虛擬現實技術的中學物理實驗探究性教學仿真平臺的研究與實現”，項目編號：ZL-13020；山西省“十二五”規劃課題“三維虛擬環境下教學模式研究”，項目編號：GH-12063。