虛擬現實技術在3DSMAX課程教學中的應用研究

鄒昌

（湖南工程學院設計藝術學院）

3DSMAX是3D Studio Max的簡稱，是Discreet公司開發（后被Autodesk公司合并）的三維動畫渲染及制作軟件[1]。目前，在國內的建筑設計、室內設計等行業3DSMAX被廣泛應用于動畫漫游、效果圖渲染等工作，鑒于它出色的渲染表現效果，在市場有著極高的占有率，設計公司在招聘時往往會把應聘者是否熟練掌握3DSMAX軟件作為重要的考察內容，因此，現在許多高校的環境設計專業幾乎都會開設3DSMAX相關課程，可以說3DSMAX軟件的學習對于想要從事相關設計行業的學生來說是至關重要的。

現代社會信息技術迅猛發展，互聯網普及到千家萬戶，由此對大眾的生活學習也產生了巨大的影響，信息傳播從二維文字圖像到三維場景構建以至于現在的計算機虛擬環境的模擬交互的發展變化，接踵而至的各種新興科技變革不斷沖擊著人們接受信息時的觀念與方式，而如何將數字化的科技理念與設備融入教育課堂，對現行教學的方式方法變革也提出了新的課題。

一、虛擬現實技術的發展

我們現在常說的虛擬現實（VR）是使用電腦計算機對各種現實場景進行三維空間構建，借助于計算機強大的計算與展示能力，為用戶提供可與機器進行人機交互的環境，在近似真實的模擬環境中進行工作、學習、娛樂等活動。目前虛擬現實技術在教學課堂上的應用已成為一個新的趨勢，利用計算機建模和展示交互技術來模擬不同學科的知識環境，為學生提供直觀可互動的體驗場景和模式，可以極大地提升學生對所學知識的興趣與學習效果。在傳統的課堂教學中，教學情境單一，交互模式只存在于教師與學生的肢體與語言互動，缺乏科技技術手段的介入，新時代的大學生往往對計算機電腦技術有濃厚的興趣，并且大多具有網絡虛擬環境的交互體驗，那種傳統的缺乏視知覺感官體驗與刺激的教學在一定程度上對于學生來說是枯燥和乏味的，而利用虛擬現實技術（VR）的課堂介入，可以豐富課堂教學手段，提升教學效果。

虛擬現實技術在比如歷史、地理等其他基礎理論課程中都可以發揮巨大的作用，在歷史課堂上，通過VR技術對曾經發生過歷史事情場景的視覺感官體驗，能更好地幫助學生理解歷史事件、場景、人物等等重要知識要點，而在地理課上，對不同地域環境的交互觀察，會極大地提升學生探索現實世界的好奇心與興趣。在本課程中，我將利用3DSMAX建模完成的可視化室內空間場景，使學生可以在課堂上利用電腦、手機桌面或虛擬眼鏡設備，實時操作場景并互動，以便觀察場景里各個部分節點效果，從而加強學生對3DSMAX軟件的理解以及實操能力，同時對自身空間想象力與方案設計水平的提高也有極大的幫助。

目前在虛擬現實技術的教學上，美國的技術水平是最高的，普遍應用在包括基礎科學、軍事訓練、體育醫學等領域，而且VR技術最早是在美國發源并發展而來。二十世紀九十年初，美國東卡羅琳那大學成立的虛擬現實技術教育實驗室（VREL）揭開了虛擬現實技術在教育方面應用的大幕[2]，自此開始每年都會有大學與科學基金會提供相關的研究資金為學生能在三維空間場景里更直觀、形象地參與學習過程提供支持。在歐洲，VR技術的開發應用主要集中在英國，比如諾丁漢大學的VIRART（Virtual Reality Application Research Team）的研究項目，其著眼點是如何運用虛擬現實技術幫助殘疾兒童提高學習效率。

國內VR技術的應用研究主要是在高校中進行，比如清華大學的臨場感研究、浙江大學在建筑學科領域內的虛擬規劃與設計、北京航空航天大學的分布式飛行模擬等等。除此以外，其他科研院校都有立足于自身特色的相關虛擬科學技術研究，總結起來，VR技術在教育方面的應用主要包括以下兩個方向：①虛擬仿真校園，即對校園環境的仿真模擬，學生利用計算機瀏覽虛擬的校園環境，加深歸屬感；②虛擬教學，即在理工學科方面的教學中大量采用設備對城市建筑、物理結構等教學需要的環節進行虛擬技術仿真模擬，使學生獲得全新的學習體驗。本課題以虛擬現實的全景式照片在課程中融入為出發點，與3D仿真模型場景稍有區別，但更符合學校目前的實際教學情況，且依然能做到虛擬現實三個基本特性，即：交互性、沉浸感與想象。

二、3DSMAX課程教學目前存在的問題

為了適應社會的發展和技術的進步，目前國內許多高校中的環境設計專業都會開設3DSMAX軟件類的課程，并且是作為核心類課程來設置，這也說明了它在設計教學中的重要性，但由于各院校間設備水平、師資力量等因素的影響，3DSMAX課程的教學會面臨一些問題。

①計算機軟硬件設備老舊。3DSMAX軟件之所以能在市場上受到追捧，很大部分原因是其真實的后期渲染效果，在一些網絡媒體上我們經常看到的出色的三維效果圖與動畫視頻幾乎都是在3DSMAX中建模渲染完成，這也正是它能夠吸引許多初學者想要學習的動力來源，但是在現行的一些教學中，受制于教學設備老舊的問題，教師所講授的案例往往不能渲染出最好的效果，眾所周知，在教學的開始階段如果不展示出吸引人眼球和高質量的作品，學生學習的熱情就會大打折扣。以筆者所在的湖南工程學院設計藝術學院環境設計專業為例，目前院內能夠滿足3DSMAX軟件教學的機房只有3間，且其中能夠流暢運行3DSMAX軟件2012版本的機房只有1間，在實際的教學中，如果軟件模型文件稍微過大，電腦就會非常卡頓，這就造成教師在上課的時候只能講授一些文件比較小、內容相對簡單的內容，學生能夠學習的知識十分有限。另外，機房中3DSMAX軟件安裝的版本過低，不能滿足學習需求，我們都知道3DSMAX軟件開發公司每隔一段時間就會推送最新的版本，增加和優化原有的功能，如果學校的教學設備長期安裝較低版本的軟件，那么教師教授的內容就是已經過時的功能和命令，試想學生學習階段使用的都是遠遠落后于時代的軟件版本，那么工作以后在學校曾經所學習的內容就更加無法滿足工作的需要。

②教學內容針對性不強。3DSMAX軟件自身所包含的命令、功能十分復雜多樣，因此它能滿足許多設計行業，比如建筑、動畫、產品等設計的應用需求，但如果在實際的學習中我們想要把所有的命令全部掌握是不太現實的，也是沒有必要的，并且在教學的過程中如果教師單純講解命令知識點而沒有專業方面的應用，學生就很容易產生抵觸情緒，從而降低學習課程的興趣，因此，在軟件課程的教學內容與方式方面，教師就必須根據專業方向進行設置，以湖南工程學院設計藝術學院環境設計專業為例，筆者在教學時與同學們交流的過程中發現，他們往往更渴望學習完整的、在實際中落地建成的設計作品（見圖1）的渲染方法，并且對于現在虛擬現實的網頁漫游效果技術十分感興趣，但在學院內目前的教學中，初階的模型制作占據了大部分課時，并且有一些模型的創建并不是與環境設計專業相關，可能是一些產品或者動漫的三維模型，實際上它們的教學對于本專業的學生來說，在以后的工作中會用到的概率是十分低的，因此3DSMAX的教學不僅僅要集中在軟件本身，更多的應考慮專業的需求，以未來工作的社會需求為導向，讓學生學習到真正有用的知識。目前，一些院校仍然存在著授課內容與專業相關度不高、授課效果不佳的現象。

圖1 室內空間效果圖

③教學方式因循守舊。我們在最初學習3DSMAX軟件的時候都會有這種體會，老師在課堂上講解完一個內容后，如果單靠課堂練習，課后自己不反復理解、重復操作運用一個命令，可能就無法完全掌握所學習的內容，因此這就需要教師在教學中放棄傳統的那種課堂上講解示范完成之后學生操作，然后講解下一個知識點的方式，為了讓學生能夠有多次的學習課堂教學內容的機會，達到讓學生真正能夠融會貫通的目的，教師在課堂上可以通過錄屏軟件將操作步驟記錄下來，將視頻文件拷貝發送給學生，增加學生復習所學內容的途徑，不至于被復雜的命令和操作步驟所勸退。

不同的院校在教學中由于所面臨的條件差異還會遇到其他種種情況，有的是學校、學院層面的，有的是授課教師在教學方式和內容上的，但無論是哪方面的問題，只要始終堅持以學生掌握理解知識為導向，各種問題都會找到相應的解決辦法和途徑。

三、虛擬現實技術在3D課程教學中的應用

在虛擬現實技術應用到3DSMAX課程教學的過程中，為了給學生創造一個能身臨其境與沉浸其中的環境，必須做的就是利用計算機技術構建一套逼真的仿真場景。一套虛擬環境的觀感好壞常常決定著使用者體驗的最終評價，因此虛擬空間的建模是整個虛擬現實技術系統實現的基礎。構成虛擬現實的基本條件有三要素：沉浸感、互動性、想象力。由于沉浸感的程度不同，虛擬現實可分為桌面現實虛擬系統、沉浸式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統和遙感式虛擬現實系統，虛擬現實的教學實施必須根據學校課堂的實際情況，否則無法進行相應的教學計劃。

根據日常教學情況與實際條件，依托湖南工程學院設計藝術學院教學改革項目，筆者組建項目課題組，對虛擬現實技術在3DSMAX課程教學中的應用進行嘗試，其中最核心的計劃是構建虛擬現實照片式全景展示方案教學案例，包含單個場景與多個場景的空間模擬方案。本套方案的實踐技術構建流程為在電腦中由AutoCAD軟件導入二維平面圖紙、3DSMAX軟件進行三維模型制作，并對虛擬場景進行材質賦予、燈光搭建，VRAY插件引擎進行圖紙渲染，PHOTOSHOP軟件對圖紙進行后期處理，最終輸出虛擬場景，并在交互平臺配合后期音頻實現預想效果，將其置入課堂的教學環節中，增強學生對新技術的理解以及3D課程的興趣。AutoCAD是由AutoDesk公司開發的一款主要用于二維繪圖的軟件，由于它操作簡便，容易上手，被廣泛應用于建筑、園林、室內設計行業。3DSMAX中的VRAY插件（見圖2）是近年來被業界普遍使用的一款渲染引擎，它能根據參數的調節模擬現實中的各種材質，如玻璃、陶瓷、織物等效果，最終的渲染效果十分逼真。PHOTOSHOP是一款由Adobe公司開發的設計軟件，它的主要功能是對圖像進行編輯和處理，在本次項目中它的使用主要用于后期圖像的優化。綜上所述，本次項目是運用AutoCAD軟件繪圖、3DSMAX三維建模軟件等技術，構建的不同空間的照片式全景虛擬現實案例，對目前3DSMAX效果圖課程在教學方式創新上進行的嘗試，最終的圖紙上傳到720云VR網站上的展示效果如圖3和圖4所示。

圖2 Vray3.6渲染器界面

圖3 在線室內客餐廳VR設計方案

圖4 在線室內臥室VR設計方案

本課題在實際教學中實現的交互方式包括桌面現實、沉浸式與分布式虛擬顯示系統，即以課堂上的計算機的屏幕與PicoG2VR眼鏡VR頭盔顯示器以及學生自己攜帶的智能手機等設備實現人與機器的交互。筆者通過一個學期兩個班的教學，將具有可交互性、動態選擇的效果頁面展示給初學3DSMAX軟件課程的環境設計專業學生后，大部分同學的反饋是感到新穎和有趣，并且有很大的意愿學習這樣的制作方法，相較于以往的教學方式效果顯著。

四、結語

虛擬現實技術是通過最新的計算機技術構建仿真的虛擬場景，使進入該系統的用戶能在相對安全的空間中體驗類似現實的環境，隨著虛擬技術的不斷發展與進步，它已經在各行各業發揮著巨大的作用，在可見的未來，虛擬現實的方法融入現行的教育教學中是非常具有價值的嘗試，其潛力也十分巨大。

在設計行業越來越注重技術的更新與實踐能力應用的背景下，對于學習者來說能否掌握相關專業內的各種技術本領顯得愈發重要，3DSMAX軟件作為目前環境設計專業中應用最為廣泛的三維軟件，開發公司每隔一段時間都會根據新的使用需求進行更新、優化，對于一些新的功能、新的設置，在校學生能否快速地掌握和學習，高校和教師就承擔著非常關鍵的角色，為了讓學生能夠在未來的社會中迅速站穩腳跟、滿足工作需求，我們就必須在教學中及時發現問題、解決問題，適時融入新的教學方式、方法，以期培養能夠適應新時代社會需求的設計人才。