基于三維圖像技術的多媒體交互實驗教學場景創設

張文達

(南京森林警察學院，江蘇 南京 210046)

1 引言

由于現代越來越先進的電子科技水平，人們在網絡上可進行的活動不斷得到擴充，例如可以在網絡上進行遠程教育操作[1-2]。基于三維圖像技術的多媒體交互虛擬實驗系統實質屬于仿真系統，該系統以面向對象技術、三維動畫制作技術為基礎[3]。在遠程教學中使用虛擬實驗，其優點是可以跨越時間和空間的限制，節約了實驗操作的花費，可避免因實驗操作不當所引起的教學事故等。由于現在遠程教學中使用虛擬系統的研究還處于開發狀態，所以在其交互性、真實性和實際教學效果等多重感官上還存在一定差距，實際教學實際需求無法滿足，Web3D技術的產生解決了這些問題[4]。本文基于三維圖像技術，對多媒體交互實驗教學場景的創設進行了研究。

2 多媒體三維虛擬實驗系統設計

圖1為多媒體三維虛擬實驗系統設計方案，在設計中，涉及到動畫制作、三維建模、多媒體編程等技術，實現虛擬實驗系統的方法為：進行實驗內容的確定、實驗三維模型的建立、實驗器件及模型的設計、界面設計、程序代碼的添加、儀器控件的制作、進行虛擬實驗、驗證數據準確性的調試與修改、實驗系統的調整。

圖1 系統設計方案

3 仿真實驗開發工具

3.1 Unity3D游戲引擎

本研究虛擬仿真實驗的開發工具主要為Unity3D游戲引擎，Unity3D具有強大的交互性能、良好的虛擬現實表現能力、同多載體良好的兼容能力，在教育教學領域，應用Unity3D完全能夠開發出具有極高的交互性和真實性以及可操控性能好的虛擬系統，利用在遠程教育上可以使用戶體驗極高的教學效果[5]。

3.2 Mono Develop腳本編輯器

在本實驗研究中采用的腳本編輯器具有極大的自由性，由于這是一個開放源代碼集成的、跨多平臺的開發環境，所以無論是個人還是公司企業都可以對其進行操作，具有極大的自由性，可以在多種環境下進行操作。Mono Develop整合了許多Microsoft Visual Studio和Eclipse的特性。該編輯器跨平臺功能強大，使用十分方便，Unity公司將其作為核心腳本開發環境進行使用。

3.3 三維建模軟件

本研究中使用到的三維建模軟件是由Autodesk公司所推出的一款建模軟件，該公司是在PC的基礎上，完美繼承了三維動畫的編輯功能、制作功能、播放功能，并且還和渲染軟件、三維建模等等共同結合創造除了3DS Max。3DS Max軟件的優勢在于其是結合了三維動畫功能、渲染功能和三維建模功能等多重功能的軟件，一款軟件多重功能，性價比更高；也更加便于操作，無論是公司企業還是個人選擇，無疑是頭號之選。

3.4 圖片繪制工具

而其在處理圖像的時候，主要的對象是基于像素所形成的數字圖像。由于該圖像處理軟件的功能和性價比等都十分卓越，深受人們喜愛，特別是一些需要對成像進行處理的行業，例如藝術設計、美術制圖、網頁的制作上面都有著Photoshop軟件的蹤跡。而在本實驗的操作中，對于Photoshop應用大多還是以制圖和計算機美術等為主，對于虛擬仿真試驗系統的進行繪圖和貼圖。

3.5 視頻編輯處理軟件

在本研究的仿真實驗中，使用的實驗視頻為Premiere視頻編輯處理軟件，對于該視頻編輯處理軟件的應用環節還是在后期的編輯和操作等等，對于視頻進行后期修改處理。而Premiere也是Adobe公司所開發的產品，是一款常用的視頻編輯處理軟件，其優點是高效、易學、兼容性強。

4 虛擬仿真實驗的實現

在進行虛擬實驗的開發時，其流程主要包括三個階段，用VIRTOOLS進行交互控制和數據處理；用3DMAX構建實驗場景和三維模型；最后以網頁形式或可執行文件輸出。圖2為虛擬實驗開發的流程圖。

圖2 虛擬實驗開發的流程圖

4.1 三維模型的創建

在虛擬仿真實驗中，三維模型是采用3DS Max軟件進行制作。3DS Max的建模的包括實驗桌、實驗室、畫像框、垃圾筐以及一系列在實驗中所涉及到的實驗儀器等等；而在Unity3D的建模操作過程中，主要創造對象是在平拋運動中中用到的細線、小球以及在平拋運動中涉及到的輔助器械等等。而其他的三維物體的創建基本是可以直接利用Unity3D中資源庫的模型，從而創建花草和樹木等一系列自然景觀。

4.2 繪制貼圖

在本文的虛擬仿真試驗研究中，需要利用到貼圖軟件的部分主要是以下這三種：第一是系統操作界面圖形圖像；第二種是各類材質貼圖，包括參考方格表和實驗儀器上測量刻度表等；第三種是實驗教學和實驗中有關的文字說明和圖像說明等，例如平拋運動過程中小球經歷了平拋運動后的運動軌跡可以在圖中顯示出來。可利用該表分析小球運動。在3DS Max中，在前視窗口達到最大化的時候，可以同時按下PrintScreen鍵和Alt鍵，從而進行視頻截圖功能，可以得到該刻度表的平面尺寸圖。圖3為圖案貼圖中的畫筆。

圖3 圖案貼圖中的畫筆

4.3 使用Unity3D進行工作

三維游戲引擎Unity3D是本研究虛擬仿真實驗的主要整合工具和開發工具。在制作完成所有貼圖和模型后，將其導入Unity3D中，然后進行后續工作。將模型從3DS Max中導出，使其成為FBX類型的文件。與Unity3D相比，FBX類型的三維模型較為適合，系統能對其進行很好的識別。在Unity3D中，導入所有素材資源，就可以在系統內部進行自動識別分類儲存。首先創設的是實驗環境和場景，在場景中，最先一步的就是創建一個平行光，這樣一來就可以模擬太陽光線從而照亮整個場景。通過鼠標操作，一一點擊選擇后將實驗所需和涉及到的實驗儀器和設備等都選入場景中，例如實驗桌、實驗室、畫像框、垃圾筐以及一系列在實驗中所涉及到的實驗儀器等。根據真實情況將各自位置調整好，并將實驗室環境布置好。在實驗室天花板下，進行四個點光源的設置，從而用于模擬實驗室內部的光照設備。當實驗室場景中的儀器設備和光照設施等都完成了之后，就可以打開投影功能，從而增強場景的仿真效果。

5 實驗視頻

通過實驗視頻的拍攝與應用，可以有效地幫助受教育者對于實驗的操作步驟進行學習。當受教育者對于實驗中的操作步驟或原理等有不理解的地方，可以通過反復的觀看實驗視頻，從而解決困惑，增強學習效果。與傳統視頻系統相比，三維模擬實驗視頻系統有其特別之處，對于實驗教學特別適合。

5.1 錄制實驗視頻

對于實驗視頻內容的主體是實驗的全部操作步驟，將其完全拍攝下后，并將視頻中使用的解說詞定下。一個實驗學習者需要從不同角度觀察，因此使用兩個機位進行拍攝，且全部為主要鏡頭機位。例如在平拋運動中，主要是分析小球在運動過程中，水平方向和垂直方向運動的關系，由于小球在進行平拋運動，如果只是在小球的前方設置一個攝影機，雖然可以觀看到小球的位置關系，但對于學習者來說，從肉眼看，兩個小球在拋出之后是屬于同一水平線的，無法去判斷其在垂直方向上的運動軌跡，所以適當的增加一個機位可以更好的突出小球軌跡，證明自由落體和平拋運動分運動的等時性，更加方便理解和學習。

5.2 編輯處理實驗視頻

對于視頻的后期編輯操作主要使用的是Premiere軟件，Premiere軟件對于視頻的處理功能主要是視頻的剪裁、插入圖片對視頻中的瑕疵進行修補、采用調整文件Alpha值在視頻銜接處制作淡入淡出效果、將原有音頻文件移除、對小段視頻持續速度進行修改獲得慢鏡頭效果、對實驗中用到的輔助圖形進行繪制、進行字幕文件的制作等。在Premiere中，使用Adobe Media Encoder軟件將視頻導出，其格式為AVI。因后期編輯設置、攝像機硬件設備、AVI格式文件等，造成AVI輸出文件非常龐大。因而在后續工作中，要在Unity3D中導入視頻文件，并通過對視頻格式進行轉換，使AVI視音頻文件轉化成MP4格式。

5.3 在Unity3D中視頻導入并播放

在Unity3D中，在導入視頻文件時，可把視頻文件直接拖動，然后使用菜單命令或放入工程一欄中導入。在成功導入視頻文件后，會顯示其自帶的音頻文件。在Unity3D中，若要播放視頻，就需要重新對于該視頻文件對象物體的新建，即在場景中創建一個新的物體用于導入視頻的播放，需要播放該視頻時就調用新建物體。圖4為仿真實驗中平拋運動實驗視頻圖。

圖4 平拋運動實驗視頻

6 結語

本文基于三維圖像技術，對多媒體交互實驗教學場景的創設進行了研究。利用Unity3D搭建了虛擬實驗室，營造了一個充滿真實感、新穎的，使學習者處于臨其境的學習環境。三維模型采用3DS Max軟件進行制作，通過將AVI文件轉成MP4格式，使原來6.8 GB的AVI格式文件經過轉換后形成僅有40.5 MB的文件，且視頻質量良好的。模擬實驗作品通過Unity3D可發布為多種媒體格式，這是傳統虛擬實驗系統所難以實現的。