基于Quest3D平臺虛擬現實技術的實踐與思考

楊小勤

摘 要：在虛擬現實中，如何將學生的創意變為現實，實現虛擬世界與實體世界的有機結合，前提需要技術的支撐，文章通過對虛擬現實平臺軟件的學習，主要探討了Quest3d技術在虛擬現實中的應用，從平時使用Quest3d軟件的優缺點出發，提出了基于Quest3d平臺虛擬現實教學系統的設計框架，對Quest3d核心技術難點進行實踐探索并對Quest3d所搜集到的資源進行了一些總結和思考，最后結合學校3D技術在社團中應用的一些做法進行展望，探究基于Quest3d虛擬現實技術的發展及其在教育信息化整合中的應用前景。

關鍵詞：虛擬現實；Quest3d；3D技術

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）14-0087-05

虛擬現實技術是創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統技術，伴隨新技術的迅猛發展，虛擬現實技術作為新型技術引起人們的高度關注，虛擬現實技術創建出的虛擬環境，使用戶產生視、聽、觸、嗅等真實的感受，其強大的功能已經被廣泛應用于各個領域，對中小學教育信息化的發展產生了一定的影響，其在教育應用中亦起到了很大的作用，校園是這項未來技術的著陸點，在教育領域中，以虛擬現實技術為支撐的3D 打印技術正逐漸步入人們的視野。特別是中小學基礎教育領域。3D 打印技術在學校社團活動中嶄露頭角，但3D 打印在虛擬現實中的應用還是一個嶄新的領域，虛擬現實應用過程中有許多技術問題值得我們深究。

本文就虛擬現實交互實現平臺Quest3d進行了研究和探討，提出了基于Quest3d虛擬現實教學系統的設計框架，對在學習中遇到的Quest3d技術難點進行了探討，并對平時實踐研究中收集到的資源進行了分析和總結，提出了一些自己的想法，以期為增強學習者的真實體驗、主動學習及創客教育在教學中的有效開展和實施起到一定的推動作用。

一、虛擬現實技術概述

1.虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），也稱為靈境技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統[1]。它的主要特征有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[2]。

在虛擬現實中，使用者不僅能夠感受到在實體世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破地點、空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法經歷的交互體驗[3]。虛擬現實技術的應用非常廣泛，它最開始用于軍事和航空航天領域，近年來，虛擬現實技術大步走進教育培訓、文化娛樂、交通模擬、工業設計、建筑設計、空間展示設計、城市規劃以及新媒體設計等領域，并逐漸改變著我們的生活[4]。

2.虛擬現實互動開發平臺

在交互媒體中，國內外有多種實現虛擬現實開發系統的平臺，國外的主要有：瑞典Cycore公司研發的Cult3D，主要支持線上瀏覽和操作交互設置的三維模型[5]；美國Multi Gen-Paradigm公司研發的Multigen VEGA，在實時視覺模擬和數據分析方面效果顯著[6]；法國研發的Virtools是虛擬現實平臺中應用較多的一款引擎，Virtools 制作的沉浸感的虛擬環境非常逼真，廣泛應用于實時3D環境虛擬實境編輯、計算機游戲開發、教育訓練等各個領域[7]；Unity3D是由Unity Technologies開發的一款支持三維視頻游戲、實時三維動畫等多種類型互動的多平臺虛擬現實開發工具[8]。

另外國內比較有代表性的是深圳希技數碼科技自主開發的HD（House Designer）平臺，主要用于室內三維空間展示，還有北京中視典數字科技公司開發的VR-Platform三維互動仿真平臺[9]。

3.Quest3d 平臺介紹

本文主要介紹荷蘭Act-3D B.V.公司開發的Quest3d虛擬現實開發平臺。筆者對Unity3d和Quest3d兩款虛擬現實制作平臺進行了比較分析：Unity3d應用領域和功能更加強大，但是需要開發者具有深厚的編譯程序和編寫底層代碼的能力；而Quest3d使用者可以用系統中自帶的多種元件模塊為基礎，通過Channel元件組塊“搭積木”的方式，直接鼠標拖過來就可以了，如圖1所示，不需要像Unity3d一樣要編寫上千行的復雜代碼，高效完成了虛擬現實系統的開發，降低了門檻，更易上手和學習使用。

二、基于 Quest3d虛擬現實系統平臺構建的優勢及不足

1.Quest3d軟件的優勢

（1）易用性。在Quest3d里，所有的編輯器都是視覺化、圖形化的，真正所見即所得。它封裝了很多可視化的模塊，編程界面可視化程度高，用戶不需要花費時間去編譯程序和復雜的底層代碼及運算圖形，大部分程序操作可以采用“搭積木”的方法實現。

（2）高效便捷。正由于Quest3d軟件通過函數的封裝、采用元件模塊去實現函數功能的可視化，所以使用者只需要將所需的功能模塊通過鼠標拖拽的方式就可以搭建虛擬現實系統，提高了工作效率，高效地實現虛擬系統的開發。

（3）Quest3d價格相對低廉，適用性廣。

（4）Quest3d中內建有許多的物體，如：具有逼真的人物、植物、光照、陰影、山林、火及煙的特效，還有真實的水波紋效果，可以輕易地加入Quest3d場景中。

（5）Quest3d比較適合做小的場景，效果和美工方面較好。

2.Quest3d軟件的不足

（1）和其它相關軟件配合不太流暢，和其它三維軟件兼容性不是太好。

（2）Quest3d支持平臺沒有Unity3d軟件廣，插件、格式限制較嚴格，且不適合做大的場景。

（3）Quest3d可利用的資源較少，在網上可查找到的Quest3d方面的書籍、視頻教程、論壇相較于其它三維軟件少。

（4）Quest3d對模型的數據量有很多的限制，碰撞捕捉也不是很精確。

三、基于Quest3d虛擬現實教學系統的設計

基于Quest3d虛擬現實教學系統的設計主要包括前期準備階段、3D建模階段、交互設置階段、發布階段。如圖2所示。

前期準備階段：先要對虛擬現實教學系統進行需求分析，即最終要實現的目的和效果，教學設計包括學習內容選擇、學習內容分析、教學目標分析、學習對象分析，根據教學設計內容進行素材收集，確定各環節具體顯示效果。

3D建模階段：先要進行三維模型的建模，如比較常用的3dsMax、Maya，在Photoshop中修正的紋理貼圖等賦予3D模型，設置正確UV，在3dsMax中布置燈光、烘焙貼圖后進行場景的集成。

交互設置階段：場景集成后，通過PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0.插件將三維模型轉換成Quest3D所支持的.X 格式，順利導入Quest3D編輯器中，然后通過元件模塊即Channel開發實現場景的漫游、人機交互、特效編輯，完成系統的各項功能。

發布階段：平臺搭建完成后，經過不斷的測試和優化，生成QuestViewer能夠播放的*.Q3D文件或發布成可獨立執行的 *.exe 文件。

四、基于Quest3d平臺核心技術的實踐應用

1.外部三維模型的導入

因為Quest3d平臺本身對建模的限制，故在Quest3d平臺中的模型搭建基本上都是從外部建模軟件導入，而要將外部的三維模型（如3dmax、maya中所做的模型）順利導入到Quest3d中，在實踐操作中，首先要解決一個技術問題，即插件的問題，從網上下載的插件PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0，在3dsMax的插件當中加載一下，加載完成之后在3dsMax導出對話框中就會有Quest3d所支持的.X格式文件選項，解決了插件問題，就能將自己在三維軟件中所做的模型保存成Quest3d所支持的格式，順利導入到Quest3d中。不過在實踐的過程中，所下載的插件PandaDirectXMaxExporter_x86_6.2012.72.0.只是針對3dMax平臺的插件，而且它僅支持3dMax2012及之前的版本，而對于2012之后的3dMax版本則不支持，故在實踐操作應用中，對不同的平臺和建模軟件加載的插件版本要求不一。

2.“.x”和“.cgr”格式導入貼圖區別

在使用過程中，可以將3dmax中所做出的三維模型分別保存成.x和.cgr格式導入到Quest3d中。

首先，對于.x格式，如何將3dMax中經過復雜貼圖和3d烘焙后的三維模型導入到Quest3d中是實踐中的一個技術難點，在虛擬現實平臺制作的過程中，筆者曾經嘗試兩種方法導入物體，一種是在3dMax中導入一個最原始的未加任何貼圖和渲染的模型，則能順利導入，另一種導入經過渲染的三維模型，則能將模型導入，但之前的渲染和貼圖則消失，解決辦法就是要將3dMax中所做的三維模型存放到同一個文件夾下，再導入到Quest3d中進行勾選。所以.x格式導入到Quest3d中要一直指定貼圖的路徑，這時候Quest3d會自動掃描文件夾，尋找場景中所用的貼圖。

其次，用同樣的兩種方法將保存成.cgr格式的三維模型導入到Quest3d中，則3dMax中所做的三維模型和貼圖即使沒有存放到同一個文件夾下，也能導入到Quest3d中，這是和.x格式導入Quest3d不一樣的地方。

3.貼圖烘焙問題

因為筆者在3dsMax中學過渲染烘焙，所以在Quest3d中也想實踐下如何烘焙，于是在學習制作過程中對二者的烘焙進行了一些嘗試和比較，一種是直接在Quest3d中運用其自身程序對物體進行貼圖烘焙。另外一種是在3dsMax中通過“Render to tecture”命令進行貼圖烘焙，完成后導入Quest3d中，實現貼圖烘焙。結果通過Quest3d直接進行貼圖烘焙效果不佳，其自身燈光系統不完善導致光影關系較弱，得不到最佳效果，而通過在3dsMax中烘焙后再導入Quest3d中則完美地解決了這一問題。

所以實踐操作中，針對烘焙這個難題，筆者認為，一方面，Quest3d貼圖烘焙一定要在3dsMax中最大程度完成，減少Quest3d中后期的修改；另外一方面，在3D中烘焙，由于計算量大，可能會因為軟件性能的瓶頸而導致出錯和死機，因此，應該盡量減少烘焙時候的面數或者進行分段烘焙。另外，受限于Quest3d軟件自身，單純依靠貼圖烘焙技術并不能完全模擬所有特效，需在Quest3d中加載其他模塊進行特效的模擬。

4.光照陰影

在Quest3d中光照和陰影也是實踐操作中一大難點，模型上有了陰影才有更強的立體感，然而在Quest3d中制作實時的陰影是相當耗費資源的，而模型一旦很大，陰影就會計算錯誤，這是一個困難點，比如在利用光照和陰影來做房子的光照映射時，如圖3所示，當做到將“Width”和“Height”都設置為1024時，結果并不能顯示物體的陰影，所以這個設置的數據是不對的，當設置這個“Width”為1024“Height”為512時，則物體陰影顯示出來，但物體顯示的陰影卻是不規則的，方向各不相同，如何將這些陰影都按照光線的方向規則的顯示是一個難題，所以實時陰影的顯示需要后續進一步的研究和深入探討。

5.聲音導入

聲音是一個虛擬現實場景中不可或缺的元素，真實的聲音可以烘托場景氛圍，使用戶獲得身臨其境般的聽覺、視覺體驗。Quest3d軟件中有多個元件可以支持聲音的播放、調節等操作，目前Quest3d軟件中可以支持wav、MP3、MIDI格式的外部聲音文件。

在Quest3d中進行聲音的導入主要有兩點：①在Quest3d4.2.2版本中小汽車聲音不能導入，卻在Quest3d4.3.2中導入了小汽車的聲音，這個不是軟件版本的問題，應該是小汽車的聲音文件的問題，因為在網上下載的MP3格式的音樂經過格式工廠進行轉換，轉換成.wav格式的音樂，再導入到Quest3d中，無論是Quest3d4.2.2版本還是Quest3d4.3.2版本的都能夠正常進行播放。②在虛擬現實場景中“關于音頻時間長短的問題”，虛擬現實場景中插入聲音文件之后如何設置音頻時間，使用Sound File Channel將聲音文件導入到系統中去，根據相機和聲源的相對位置自動調整聲音的音量、左右聲道和頻率效果，即可以實現修改音頻時間長短的問題。

五、基于Quest3d軟件虛擬現實技術的資源建設及思考

1.Quest3d平臺資源庫

（1）期刊文獻資源

在中國知網CNKI數據庫中，通過查閱眾多文獻，發現虛擬現實方向研究所用到的虛擬現實實現方法最多的是Multigen Vega和VRML，專門研究這兩個方法的期刊論文和博士碩士論文也最多。而對于“Quest3d”方面的論文，大多是如何用Quest3d來做一個虛擬漫游場景，或者是“基于Quest3d的某方面的設計和實現”。

（2）書籍

通過閱讀一些“虛擬現實”方面的書籍，從圖書館和網上進行搜集，主要閱讀了《虛擬現實案例教程：基于Quest3D/VR-Platform/Virtools項目》（隨書有光盤），以及《中國高校動畫專業系列教材——Quest3D虛擬現實設計》和復印的講義《Quest3D教程指南》。同時，在當當網、亞馬遜中查找，發現目前我國現在出版的“Quest3d”方面的書籍還是較少的，主要是這三本：《虛擬現實案例教程：基于Quest3D/VR-Platform/Virtools項目》（隨書有光盤）、《Quest3D從入門到精通》（隨書有光盤），以及《中國高校動畫專業系列教材——Quest3D虛擬現實設計》。關于“虛擬現實”方面的書籍雖然很多，但關于Quest3d在虛擬現實中應用的書籍較少，有的書籍中或多或少提及Quest3d，但關于Quest3d的介紹，很多書籍只是把它作為虛擬現實實現平臺的一個引擎，或一筆帶過，或只是重點介紹了一下軟件的概況，并沒有全面介紹，而有針對性的通過一些案例的示范來對Quest3d進行講解的更是少之又少。

（3）網絡視頻、論壇資源

搜集到的網上的視頻，免費的有“Quest3d官方八集視頻教程”、“Quest3d手把手教學”“Quest3d基礎教程”，這些免費教程在百度和一些論壇里面都可以下載，但都只是簡單的小案例的實現，而且視頻中的素材貼圖都無法獲取，只是一些基礎。

而收費的教程比較有權威和全面的是parrot錄制的視頻教程，有：parrot主講 《Quest3d系列教程》10小時視頻教程、《Quest3d系列》10小時教程（不是書籍）、parrot主講《玄武招商》7.5小時教程（不是書籍）、 parrot主講《Quest3d大揭秘系列教程之boat Visualization》。這些收費的視頻教程一方面內容很全，比如在parrot主講 《Quest3d系列教程》10小時視頻教程中，它的內容就包括基礎界面、模型貼圖、漫游控制、邏輯程序、邏輯強化練習、界面定制、燈光陰影、動畫控制、動畫技巧練習、粒子系統、角色動畫、For 循環與數組、內置 Shader、種植系統、有限狀態機、尋徑、實時反射、全局特效、聲音控制、動態加載等很多方面的知識，包括“Quest3d軟件中撤銷（undo）的問題”都有解決答案。但是另一方面這樣的視頻課程又是很昂貴的。所以現在整體而言，Quest3d方面的視頻資源還是很匱乏的。

Quest3d的論壇資源在網上則比較多樣化，論壇比較活躍和資源較多的網站有很多，比如Quest3d論壇-建筑可視化虛擬現實、Quest3d資訊作品教程-SketchUp中國論壇、Quest3d官方論壇等等。

2.基于Quest3d軟件資源建設的思考

（1）學習形式多樣化

僅僅學習Quest3d軟件是不夠的，Quest3d作為后期的組裝加工固然重要，但是素材的收集、二維貼圖制作、三維建模這些前期的準備是極其重要的，特別是3dsMax尤其重要，由于Quest3d自身不具備三維建模的能力，在Quest3d中復雜的三維模型都需要從外部導入，因此3dsMax這樣的三維軟件在虛擬現實設計過程中就發揮著很重要的作用，如果這些不會，就沒有可以組裝的原料，所以，如果要完成一個漫游類虛擬現實項目的設計與制作，則要學懂Photoshop和3dmax，沒有這樣的基礎，Quest3d場景制作是不可能的。

（2）外部資源優化

首先，Quest3d現有資源應加強和外部一些軟件的契合，比如在講到3dmax或Maya中三維模型導入到Quest3d中，有些書籍中并沒有講清楚“插件從哪可以下載到”、“插件對于各種版本的要求是怎樣的”，“.x和.cgr不同的保存格式導入到Quest3d中效果實現哪個更好”，只是很籠統的讓讀者自己可以在“F1幫助”中下載（這只是針對正版軟件），但是具體操作過程卻并沒有那么簡單，需要自己好好琢磨。

其次，現有參考書籍中如果能夠講到貫穿于整本書中到底用的是什么版本的MAX和Quest3d，使用者用起來更加高效，因為不同的版本可能對插件和一些參數的設置會有不同的要求，有時即使按照這些書上的案例照著做，也沒有實現最終的效果，有沒有是版本的問題？而對于很新版本的比如Quest3d5.0有什么功能和進步之處，書籍中也鮮有提及，如果在講解的同時能夠結合最新的軟件版本和功能進行比對，應該會更方便學習和使用。

（3）分享交流

在資源建設中所推薦的論壇中與學習者進行交流和分享，還是很受益的。論壇中的資源很多都是最新的，通過回答別人的疑問，或者提出問題，大家可以共同進步。所以筆者認為要想學到更多的Quest3d知識，就應該多多上論壇，和大家一起分享交流。

六、總結和展望

虛擬現實技術是教育信息化發展的一個趨勢，通過對教學場景在虛擬現實中的三維構建，營造逼真的學習情境，可以更好地發揮教育信息化的作用，目前在中小學社團活動中，3D打印很受學生歡迎，3D 打印技術本質上就是虛擬現實技術的延伸，它將學生奇特的想法變成現實，3D打印技術以虛擬現實技術為依托，在教學中的應用提高了學生的動手能力，促進了學生思維能力的進一步發展，相信在未來的幾年，虛擬現實技術必將大面積走進中小學課堂，必將對現有教學產生深刻的影響和變革。

參考文獻：

[1]高飛.虛擬現實應用系統設計與開發[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]劉光然.虛擬現實設計[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]柳喆俊. Quest3D 虛擬現實設計[M].上海：東方出版中心，2010.

[4]劉向群，吳彬.虛擬現實案例教程：基于Quest3D/VR-Platform/Virtools項目[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[5]趙蔚，段紅.虛擬現實軟件研究[J].計算機技術與發展，2012（2）：228-231.

[6]趙建民，何林知.基于Quest 3D 虛擬漫游的探索與實踐[J].浙江大學學報（自然科學版），2013（8）：24-28.

[7]王濟軍，魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現狀與“冷”思考[J].中國電化教育，2011（13）：12-15.

[8]李宏飛，廖子興.虛擬現實工具概述[J].山東大學學報，2011（4）：45-48.

[9]徐芹.虛擬現實世界中的教育模式探索[J].湖南師范大學學報，2012（5）：109-111.

（編輯：魯利瑞）