基于VR技術的三維圖形創作課程教學模式探究

摘? 要：隨著數字信息化時代的到來，虛擬現實技術逐漸在教育領域的諸多方面都實現了快速融合發展。文章依托虛擬現實技術優勢，結合數字媒體藝術、數字媒體技術專業的學科特點，研究其對三維圖形創作課程的教學方式、教學內容、資源利用等方面所產生的積極作用和重要意義。通過研究重新構建該類課程的教學框架和教學體系，提高教與學的高質高效，優化人才培養內核。

關鍵詞：虛擬現實;建筑動畫;仿真性;交互性;體驗

中圖分類號：TP39;G434? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）22-0183-04

Abstract： With the advent of the digital informatization era， virtual reality technology has gradually achieved rapid integration development in many aspects of the field of education. Relying on the advantages of virtual reality technology， combined with the discipline characteristics of digital media art and digital media technology， this paper studies the positive role and significance of virtual reality technology in the teaching method， teaching content and resource utilization of 3D graphics creation course. Through research， reconstruct the teaching framework and teaching system of this kind of courses， improve the high quality and efficiency of teaching and learning， and optimize the core of talent training.

Keywords： virtual reality; architectural animation; simulation; interactivity; experience

0? 引? 言

“數字化表示人類實踐方式的革命，也是其生存方式、感覺方式、思維方式和行為方式的革命……”虛擬現實技術作為當下數字影像交互的重要手段，其技術是利用計算機圖形仿真、智能感知傳感器、數據交互集成等多種科學技術的結合，構建一個與我們真實世界感知方式完全一致的特別虛擬空間。作為數字化時代下的一種信息化交互技術，目前在國內教育領域廣泛應用于醫學、機械工程、電子技術、物理學、設計學等多個學科。近年來，數字媒體技術專業中的三維圖形創作相關課程與虛擬現實技術的融合性趨勢日益增強?；谔摂M現實技術的沉浸式、仿真化、想象性的獨特多維感官體驗特點，在視覺設計作品的虛擬展示與創意表達方面表現已經十分成熟，但在三維圖形創作相關課堂教學的應用研究卻仍然有限。本文以建構三維圖形創作課程教學新模式為目標，結合本人具體教學實踐工作，依托VRP-BUILDER 虛擬現實三維交互平臺，探討創新教學融合新模式中的課程教學方式、教學內容、教學環境、教學資源共享等問題。

1? 構建體驗式仿真教學平臺

近幾年，國內各類院校的三維圖形創作課程教學模式普遍采用“工具講授+案例實操”的方式，即教師在授課過程中將三維設計軟件的常用工具操作與案例制作流程相結合，分步驟分類型講解。該方式仍然是一種線性、單向填充式的教學方式，缺少對某一知識點的全面拆解認知，無法幫助學生快速構建立體空間思維，靈活運用所學知識的能力較弱。而通過VR技術的有效加持，重新構建仿真模擬的三維交互教學課堂，通過對三維場景進行視覺上的仿真感官體驗，將學生的學習動機由被動輸入轉變為主動接受，形成多維體驗，打破教學中時間與空間對學生創造力的限制，從課堂向VR課堂的漸進性轉變，如圖1所示。

“虛擬現實技術要實現的是使人們在體驗逼真情境之前試圖建立起自身對于接下來可能發生之事的一種道德判斷，繼而在接下來的虛擬體驗中還原、推進這種仿真體驗?！庇纱丝梢姡ㄟ^虛擬現實技術不僅能夠完成了對感知物象的表層模擬仿真，還可以對參與者的在場情感進行仿真。如圖2所示，學生通過VRP虛擬交互學習平臺，學習如何進行各類攝像機的正確使用，從而更好地運用攝像機完成各類場景，這種仿真具身體驗是傳統教學不能比擬的。

例如，在該課程中三維模型建模知識點的實踐教學中，結合虛擬現實技術的仿真特性，通過構建出沉浸式虛擬仿真環境，為課堂教學提供教學工具的新嘗試。通過虛擬仿真教學的場景得到的視覺體驗，消除學生以往主觀情感對于三維體面關系的消極狀態，增強對于建模知識的主動認知。結合VRP-BUILDER 虛擬現實平臺輔助教學，強化學生對模型的體面、尺寸、材質、肌理等要素形成具身體會與認知。具體實施步驟如下：（1）利用該虛擬現實平臺與3Ds Max三維設計軟件平臺無縫集成特點，將不同風格類型的建筑樣本結構，通過該虛擬現實平臺進行360度全景仿真展示。比如學生通過簡單而直觀的操作就可以實現水泥、石頭、木頭、金屬等各種復雜的實時材質模擬。（2）改變教學單向輸入式的弊端。通過前期設計好的腳本交互設計，實現內置模型建模、復合對象建模、二維圖形建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等多種三維模型方法的對比式深度學習，每一種建模方式單元下均設置建模技術文本、教學視頻、建筑風格演繹及建筑結構尺寸圖表等詳細內容，便于多媒介化地引導學生消化吸收主要知識點。從而使學生在學習過程中真正讓抽象復雜的建模概念變得直觀易懂，而且還加強了相關模型理論知識的學習。（3）有效激發學生的自學動機。學生在三維制作平臺中制作三維模型過程中，可以隨時切換至VRP-BUILDER 虛擬現實平臺，針對未完全掌握的建模方法技術要領或感興趣的知識要點，進行全方位、多視角、動態化地體驗式學習，引導學生轉變傳統軟件課程的學習觀念，提高學生的三維空間構建能力，從而培養學生對該門課程的動手能力。虛擬現實技術不僅使抽象的三維圖形創作課程的知識內容更加具體和精準，而且拓展了課程教學體驗的維度和深度，如圖3所示。

2? 重塑課程教學內容的框架

虛擬現實技術在該門課程教學中的介入，不僅改變了傳統的垂直思維模式的教學方式，而且也重新對三維圖形創作課程內容提出了新的要求。各類院校的三維圖形創作課程的教學目標也基本都是圍繞如何完成一部可以在多種媒介環境下播放的主題性多幀三維動畫作品來展開的。但隨著虛擬現實技術使用領域的迅速擴展，動態化、沉浸式的虛擬現實交互式三維作品也逐步被市場認可并廣泛應用。三維圖形作品的多元化呈現形式已經成為一種發展趨勢，為了適應快速發展的社會，以及社會對復合型設計人才的迫切需求，進行有效課程內容的革新勢在必行。這也就意味著學生在掌握原有知識體系的基礎上，需要掌握主流虛擬現實引擎的關鍵性技術。課程教學講授內容也由原來講授三維模型制作技術、材質貼圖技術、人物動畫設定技術、燈光布局技術、攝像機設定技術、渲染輸出技術、后期剪輯及特效合成等內容逐步擴展為講授跨平臺融合性的技術學習，比如人機交互結構設計、仿真模擬設計、高精度碰撞檢測算法、用戶界面設計、三維運動捕捉技術等內容。內容的擴充更新變化對老師和學生都提出了新的要求，也更有利于課程的開放式發展和相關課程的銜接。

由于虛擬現實交互平臺與三維設計軟件平臺能夠實現數據共享的先天優勢，通過前期在3Ds Max、Maya等三維動畫平臺中構建虛擬仿真世界三維模型基層，學生在三維動畫平臺中制作完成的三維模型、配景模型、人物動畫綁定、相機、燈光、材質貼圖等動畫設計要素，通過調整、烘焙、整合后，導入主流的虛擬現實平臺VRP、Unity3d、UE4等引擎中，根據創作要求設計各種仿真交互功能，通過虛擬現實技術外接設備實現沉浸式作品的創作。“所有視覺的再現都以某種方式制造，其生產的環境條件則可能促成視覺再現的效果”這種新的內容加持，使圍繞在作品周邊的設計者、參與者、旁觀者的身份也發生變更。課程的過程反饋和結果形態都顯示出比以往更豐富的內容?？梢娊换ヌ匦缘奶摂M現實技術不僅拓展了三維可視化作品的空間與時間維度，而且培養了學生換位思考的能力，啟迪了學生的創作新思路，延展了三維動畫的發展邊界。

如圖4所示，以VRP-BUILDER 虛擬現實平臺為例，學生可以在該平臺中自由設置多種瀏覽模式，包括行走、飛行、靜觀、攝像機動畫等，即可實現不同方式的瀏覽及隨機切換。這種即見即所得的直觀反饋，改變了以往生硬的攝像機軌跡設計環節，讓同學隨時可以嘗試新想法的設計可行性。另外，系統在運行過程中，控制模式還可以通過熱區、熱鍵來進行切換。人物行走模式中，默認將開啟碰撞檢測，即可實現游戲般的漫游。最后用戶通過鼠標、鍵盤、頭盔、手柄、虛擬眼鏡等外界設備，完成作品中虛擬事件的隨機觸發、定時觸發、腳本流程，并與三維場景中的建筑、人物等相關屬性進行各種方式的互動。

由此可見，教學內容的跨平臺擴展有積極的作用，不僅反饋在作品的呈現形態由靜態向動態、由封閉向交互、由被動接受到主動體驗發展。而且也使課程構架趨于合理化，學生對于知識的選擇多樣化，將課程內容的重心從技術的學習逐步推移至創新思維的訓練上。

3? 實現課程共享資源的同步

目前三維圖形創作課程教學資源主要由課程教案及對應授課視頻、案例三維模型樣本、模型材質貼圖樣本、三維場景燈光樣本、三維動畫流程設計文本及圖表、動畫腳本文件、分組設計實踐作品集、各類三維軟件及插件包等內容組成。如何有效利用課程教學資源、不斷更新擴充課程資源，并且解決學生高效復習及有效自學等教學環節一直是亟待解決的問題?！耙驗樘摂M環境是一個信息化環境，一切規范化的信息可以無障礙、瞬間即達整個虛擬世界，人們的信息系統是基于世界系統相連的，而且全部是信息化和數字化的結果……”虛擬現實技術的介入很好地彌補了該教學環節的短板，實現了傳統課堂與資源平臺的聯動互動，如圖5所示。

以VRP-BUILDER 虛擬現實平臺為例，利用該平臺的關聯及整合多種數據源的優勢，目前正在調試虛擬共享資源數據庫平臺，已經完成各類三維數字模型庫、貼圖素材庫及授課視頻庫的建設工作。平臺通過ADO數據庫接口，與SQL、ACCESS等數據庫進行連接，學生可以從數據庫中輕松調閱三維模型樣本、動畫軌跡文件以及各種三維模型數據查詢信息，同時還可以實現三維設計場景數據的后臺動態更新，模型信息查詢等功能，如圖6所示。

利用該虛擬現實平臺內嵌貼圖瀏覽器，教師與學生不僅可以快速方便地對各種格式的材質貼圖進行查找，支持各類常用格式（bmp、jpg、png、psd、tga等）。而且通過查看圖片的alpha通道，實現資源文件的同步處理。比如在VRP-BUILDER平臺上調入自己設計的三維模型時，可以將模型建筑材質所采用的圖片調入圖像編輯軟件PS中進行處理，VRP中的三維模型文件材質可保持同步更新，學生及時觀察修改后的模型材質效果。另外還可以查看三維模型場景中所用到的所有貼圖容量信息，并對材質貼圖的加載格式和大小進行設定，自動管理場景中所有貼圖。虛擬共享資源數據庫的運用，不僅極大節省了學生在三維動畫制作軟件中的渲染測試時間，極大提高了課程案例的制作準確，而且根據學習需要，在課堂教學結束后有針對性地調用各類后臺課程數據資源，真正地打破了校內校外、課上課下的界限，保證了學習的延續性和實時效率。

4? 結? 論

虛擬現實技術通過交互、沉浸、仿真等特征創造性的貫穿于三維圖形創作教學全過程中，對三維圖形創作課程教學具有實際意義，在重新定義了該課程中的教學模式及內容，打破傳單維統線性的教學模式的同時，也在嘗試如何拓寬交互體驗式的教學思路，從而切實促進學生專業知識的全面掌握，也符合社會對復合型人才的迫切需求。

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作者簡介：張志騰（1982.03—），男，漢族，甘肅酒泉人，任職于教育科學與技術學院，講師，碩士研究生，主要研究方向：建筑三維可視化表現、建筑虛擬仿真交互研究、數字繪畫。