基于VR技術的藝術類虛擬仿真實驗教學平臺構建探討

（昆明理工大學 城市學院 650051）

2018年3月，虛擬現實教育和仿真教學在教育部辦公廳首批“新工科”建設項目中出現（教高廳函[2018]17號）；9月，教育部公布了《教育部對十三屆全國人大一次會議第6527號建議的答復》，提出加強高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設要求；隨后，職業教育與成人教育司發布2018年《普通高等學校高等職業教育（專科）專業目錄》，增加了虛擬現實應用技術專業，明確了專業培養目標；6月，教育部高等教育司公布了《首批國家虛擬仿真實驗教學項目》（教高函[2018]6號），實驗教學已從“純線下”教育3.0時代邁向了“純線上”教育4.0時代。

為此，祖強等研究了國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目申報策略，提出以評促建的思路；岳耀賓等，探討了虛擬仿實驗室教學中心的共享、教學和管理問題，提出仿真實驗室的構建要易于實現；張曉旭，將虛擬仿真技術運用于公共藝術設計；王剛，開發了系列陶瓷工藝特色虛擬仿真優質教學資源并實施了教學。本文通過相關研究和探索的基礎上，對藝術類仿真教學需要具備的功能和作用進行分析總結，梳理了仿真平臺項目建設的思路，給出平臺設施建設的建議，以期在結合專業教學基礎上，構建一個實踐性強，覆蓋面廣，成本低，易于復制，利用率高的教學平臺構建方案。

一、仿真實驗教學平臺建設情況分析

（一）各地學校建設情況

在國家虛擬仿真實驗教學平臺建設的引領下，閩南師范大學、桂林理工大學、江南大學、鄭州輕工業學院、貴州民族大學、福建師范大學音樂學院、武漢大學城市設計學院等藝術類學科，已有完善的仿真教學平臺。

閩南師范大學傳播藝術虛擬仿真實驗教學中心，2016年獲省級虛擬仿真實驗教學中心稱號，設有五個仿真實驗室。基于潤尼爾公司開發的教學管理平臺，實現了遠程實驗教學，有用戶登錄系統，具備選題、虛擬實驗、信息查詢、答疑等功能。“影視場面調度虛擬仿真實驗”具有一定特色，運用Unity3D引擎開發，以虛代實，較好的將影視拍攝原理與知識與虛擬仿真教學相結合。

桂林理工大學藝術設計虛擬仿真實驗教學中心，2016年度評為區級仿真教學中心，服務于藝術學院6個本科專業實驗教學和公共課程實驗教學任務，設有三個虛擬仿真實驗。基于曼恒數字技術有限公司開發的G-Magic虛擬仿真系統，運用SkectchUp、3dsMax和DVS3D技術在小間距LED展示系統上，實現了3D 主動式立體VR漫游教學；非專業學生可運用平臺軟件，進行教學項目開發。武漢某大學藝術學院、云南某學院仿真教學中心也采用了同樣系統和設備。

（二）國家首批仿真實驗教學項目情況

對國家首批虛擬仿真實驗教學項目（八類105個）研究分析得知：虛擬仿真項目基于3D仿真、WebGL、動畫等藝術類CG技術進行融合開發；表1中，仿真實驗教學項目約61.9%使用Unity3D專業級游戲引擎開發，其余14.29%用Animate CC（原Flash軟件）；管理平臺開發工具以Visual Studio（約占56.19%）和Eclipse為主（約占33.33%）；表2中，后臺數據庫約56.19%使用Mysql，33.33%用SQL Server。

表1 實驗教學項目主要開發工具統計

表2 管理平臺主要數據庫統計

（三）目前藝術類仿真平臺建設情況分析

根據案例分析、實地體驗、公司詢價和會議研討得出：

1.從國家首批仿真項目來看，仿真項目具有很強的代入感，可操作性強。其通過互聯網面向高校和社會免費開放所提供的教學策略，打破了傳統實驗教學封閉、覆蓋難、利用率低等瓶頸，是一項突破性的教學方式。

2.目前，大部分藝術類仿真教學平臺還處于動手實驗室和虛擬實驗室的混合教學，能進行遠程和在線實驗教學的項目不多，具有巨大的研究空間和市場價值。

3.通過實地體驗，部分基于VR仿真設備尚未成熟（主動立體3D技術目前還不穩定，有輕微屏閃現象），由于軟件大部分由企業自主研發，軟件與硬件的兼容性還不夠高，設備和軟件的采購需謹慎。

4.仿真實驗平臺的建設費用高昂，要實現較好的體驗效果至少需400萬以上的資金投入，其中，教學項目開發、展示等公司自研軟件以及為學校定制教學項目占總金額三分之一。

從上述研究表明，多數仿真教學項目基于Unity3D、動畫、VR和AR等技術開發，屬于藝術設計和信息工程等專業范疇。綜合類工科院校完全可根據學科特色，跨專業整合資源，形成仿真項目的教學開發和科研體系，是降低建設成本，維系平臺高效運行的關鍵所在。

二、實驗教學平臺的構建

（一）建設思路

藝術類虛擬仿真實驗教學平臺的建設定位于遠程實驗教學，通過在現有實訓空間、設備和師資條件下，利用有限的資金，規劃建設實驗教學平臺。該平臺建設根據“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。項目建設后，能有效改善工程背景下藝術實驗的教學條件和研究條件，促進VR專業教學和人才培養。

（二）建設目標

1.滿足藝術設計系專業虛擬仿真（VR）項目教學，并支撐基于產教融合、校企合作的“工作室項目化”教學模式的深化，實現基于VR虛擬現實仿真項目教學與實訓平臺。

2.兼顧教師科研、校企合作、社會服務等功能。實現虛擬仿真（VR）在遠程設計協作、虛擬展示、非遺數字化保護等方向的應用；深化校企合作模式的教學改革；兼顧面向校內工科虛擬仿真實驗教學項目的設計與開發。

（三）教學平臺建設

圖1，依托學校的工科背景，結合藝術設計系在虛擬現實（VR）教學的特色優勢，將更新的技術應用和設計思維帶入學生課堂，仿真實驗教學中心由七個平臺構建。

圖1 虛擬仿真（VR）實驗教學平臺建設規劃框架示意圖

1.服裝設計虛擬實驗平臺 面向服裝與服飾設計專業開放，開展服裝設備原理、服飾材料、人體結構辨識等仿真教學。采用VR影視和三維動畫技術建設仿真教學項目，幫助學生理解縫紉機、刺繡機、平板切割機、蒸汽熨斗等設備的部件構成及使用原理，熟悉設備使用流程和方法，對不同服裝面料、人體結構有個全面了解，提高學生對服裝設計的認知。

2.產品虛擬實驗平臺 面向產品設計專業，運用三維立體仿真技術建設教學項目，等比復原工業產品，讓學生在產品結構基礎上進行二次設計。例如：基于人體結構定制的衣服、運動鞋和珠寶，基于人體工程學的椅子等設計產品；同時，開展第二課堂，兼顧工科大型設備的模型復原，銜接教學項目的開發。

3.印刷、包裝設計虛擬實驗平臺 面向視覺傳達專業，針對傳統印刷工藝和原理，進行仿真項目的建設。重點針對印刷行業的設備進行了解，通過對印刷設備結構展示和VR視頻情景再現，使學生了解印刷的同時，理解包裝設計的制作工藝；同時，兼顧工科仿真教學項目的UI設計與制作。

4.室內外虛擬場景實驗平臺 面向環境設計和動畫等專業，通過使用VR拍攝技術對住宅、酒店、辦公場所等地進行仿真教學，培養學生的設計思維；人體工程學、裝飾材料和裝修原理的三維展示，也能夠加深學生的理解，提高教學質量；同時，兼顧仿真教學項目的辦公空間設計與建設。

5.展示設計虛擬實驗平臺 面向環境設計專業和視覺傳達專業，使學生通過遠程VR直播的形式，對展臺、展柜和展廳環境進行仿真教學，并通過VR實景拍攝和三維建模，開展VR數字博物館、舞臺設計等展示內容創作。

6.VR短視頻創作虛擬實驗平臺 面向播音主持、數字媒體藝術和動畫等專業。除主持直播仿真教學外，運用VR設備進行全景圖和全景微電影的拍攝與制作。創作內容不但可上傳至優酷VR、橙子VR、UtoVR等平臺做VLog資源，還可以與百度地圖等平臺銜接，制作VR街景動圖；同時兼顧工科專業的VR MOOC教學項目開發。

7.三維動畫與數字交互創作虛擬實驗平臺 面向動畫、數字媒體藝術和視覺傳達設計等專業。通過運用仿真設備，實施VR游戲研發、VR動畫創作、非物質文化遺產保護等設計創作；同時，兼顧整合工科仿真項目的制作，整合項目資源，為其余六個平臺提供運行保障。

（四）教學平臺設施建設

1.虛擬仿真（VR）展示系統

容納30-40人教學，為教學提供仿真教學演示、仿真考試、仿真作品展示等功能，同時兼顧多人VR交互系統的投屏監控。展示系統由小間距LED教學演示大屏、大屏控制PC電腦、智能無線傳屏設備和控制臺組成，具備可調色溫、無線傳屏等功能。大屏控制PC電腦為專業圖形工作站電腦，需滿足8K VR影像的流暢播放。

2.虛擬仿真（VR）交互開發

由多人交互系統、三維掃描系統、動作捕捉系統、VR全景拍攝系統4部分構成，用于各專業虛擬仿真（VR）項目化教學、虛擬仿真（VR）課件研發和VR設備租賃，同時兼顧學生創業大賽、職業技能競賽等第二課堂的開展。

（1）多人交互系統。多人交互系統主要由HTC VIVE Pro套件和專業工作站構成，能實現多名學生（至少5至10人）同時在線進行交互實訓，并承擔藝術類各專業的Unity3D交互設計、VR互動游戲、VR引擎動畫、VR室內設計等課程教學和師生科研功能。配置有無線接收器、追蹤器、定位支架等HTC套件，以及多人適配軟件和針對Unity3D的開發插件，便于數字媒體藝術、動畫等專業團隊進行三維角色仿真項目的二次開發。

（2）三維掃描系統。三維掃描系統采用準工業級手持式LED白光高精度三維掃描儀，能實現產品零部件、小型古文物、服飾、人像等模型掃描功能，為產品專業提供產品部件掃描，為動畫和數字媒體藝術專業提供古文物復古、三維角色等立體模型掃描，為服裝專業提供服裝數據記錄，為環境藝術專業提供小空間取樣等功能。支持彩色紋理掃描，能導出OBJ、STL、ASC、PLY等格式數據，銜接3dsMax、Maya、Unity3D等軟件，便于搜集真實數據。

（3）動作捕捉系統。動作捕捉系統由動作捕捉套件、動捕手套和相關配件組成，用于人員動作仿真模擬。系統需基于慣性傳感原理，便于攜帶，裝配便捷，具備無線傳輸能力，可高效在不同環境中實現動態運動動作的數據捕捉，續航時間不少于3小時，捕捉不少于17個點，數據兼容Unity3D、UE4、Maya、3dsMax等骨骼系統。

（4）VR全景視頻系統。VR全景視頻系統由專業級視頻拍攝設備和入門級拍攝設備構成，滿足學生進行VR全景視頻拍攝、虛擬仿真（VR）展廳等的項目開發。專業級設備2套，設2個機位，定位于8K影視VR視頻錄制；具有防抖、HDR錄制、遠距離傳輸監看等功能；入門級拍攝設備40套，攜帶方便，能錄制4K以上30fps運動影像，具備直播、防抖、慢動作、HDR錄制等功能。為數字媒體藝術、播音主持、動畫等專業，提供VR影視拍攝和作品創作條件。

3.教學軟件和輔助設備

軟件分為虛擬仿真（VR）編輯軟件和VR內容展示平臺，用于藝術專業在虛擬仿真（VR）教學、內容創作和效果展示。

（1）仿真軟件。采用全國高校主流仿真制作軟件Unity3D引擎進行項目開發。理由為：第一，國家首批認定的仿真教學項目約61.9%由Unity3D開發；第二，目前，大部分藝術類專業開設有Unity3D課程，可鏈接教學，學生畢業后可在對口公司進行就業；第三，有全國統一的教材和學習材料，且模型庫素材豐富；第四，軟件支持WIN、IOS、Android等平臺，所有的實時交互系統和功能都可以在短時間內輕松實現；最后，軟件針對初級用戶免費，沒有教學負擔。

（2）遠程實驗管理和考試平臺。平臺建設主要用于遠程交互協同、考核、作品展示等功能，實現對外提供虛擬仿真（VR）實驗教學服務。該平臺數據庫需基于Mysql或SQL Server，支持PC、移動終端訪問，便于實訓考核；具備用戶身份管理、認證和計費管理系統，能提供用戶認證和授權等級識別等管理功能，以及病毒防御功能；教師可發布公告，新建試卷，自定義考試時間；支持學生內部討論、上傳和發布作品等；公司能為校方開發針對Unity3D第三方交互插件和銜接代碼，便于作品校外發布和展示。

（3）存儲設備和服務器。存儲設備用于存儲和調用VR作品、三維模型和貼圖等素材，銜接顯示系統；教學信息化內容存入學校專用大型服務器，鏈接至校園門戶網站，因此建議不再重復建設。

（4）實訓桌椅和其他輔助設備。配有40人可移動教學實訓桌椅和5人交互工作臺，根據教學現場進行定制；配置有路由器、交換機、教學擴音設備、話筒等輔助設備，根據教學實際場地進行布置。

三、總結

該平臺結合了仿真實驗項目教學和仿真項目研發雙重功能，針對藝術設計系七個平臺開展教學，除滿足VR虛擬現實開發、VR視頻拍攝、VR全景圖片生成、三維模型掃描、三維角色動態記錄、虛擬仿真資源存儲等教學功能外，同時為遠程仿真教學的管理和考核奠定基礎。該構建方案實踐性強、覆蓋面廣、成本低、可利用率高，能促進藝術類專業教學和人才培養，為虛擬仿真平臺建設和教學提供參考和借鑒。平臺的建設還有完善和升級空間，可根據專業教學內容進行改良。