课堂中3D立体教学资源的建设

王 波，邱飞岳，黄亚平

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310032）

课堂中3D立体教学资源的建设

王 波，邱飞岳，黄亚平

（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江 杭州 310032）

在课堂教学中，教师通常使用二维图形来解释三维空间的概念，学生很难形象地理解。目前3D立体技术已逐渐成熟，在课堂中应用3D立体教学资源无疑是个很好的解决办法。但3D立体教学资源却相当稀少，如果能让教师合理利用适合课堂教学的3D教学资源，不但可以改进教学手段，提高教学效果，还能激发学生的学习兴趣。本文主要研究非交互式的3D教学资源，提出立体视觉课堂辅助教学模型和四种适用于学校3D教学平台的方案。

3D立体；教学资源；课堂教学

一、引言

在课堂教学中，许多学科都要求学生具备良好的空间想象能力，如立体几何、机械制图、工程图学、化学、分子生物等，由于黑板、幻灯片、普通投影仪等传统教学手段不能展示出真实世界的深度感，因此无法很好地解释一些空间概念和问题。[1]随着3D立体技术的成熟，把它应用到教学是一种非常有效的辅助教学手段。3D立体技术能够让学生完全沉浸在虚拟的三维场景中，让学生在心理上产生更为真实的空间结构感和空间运动感，从而对三维空间类知识有更深刻地理解，更容易掌握相关知识。虽然3D立体技术手段已经日渐成熟(下文中3D立体简称为3D)，但由于3D软件开发成本高、难度大，配套的3D教学软件和3D教学资源比较少，远远无法满足教学要求。本文对适合教师课堂教学用的3D教学资源的制作进行了探讨和研究，提出了较好的解决方法。

二、3D立体技术原理

人看到的世界之所以是立体的，是因为大脑通过左眼和右眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度。[2]立体视觉是人眼在观察事物时所具有的立体感，是人眼对获取景象的深度感知能力，而这些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度线索。一些感知深度视觉的线索只要求单眼，它们被称为单眼线索，通过单眼线索我们可以看到平面的图像。还有一个更为重要的深度线索叫做双眼线索，它通过双目视差来取得物体位置的深度，从而在生理上获得强烈的立体感。因此，只要让左右眼分别看到有位置差别的两幅视差图像就能让我们看到一幅具有立体感的画面，如图1所示。

3D立体技术经过几十年的发展，已经比较成熟，效果也越来越好，但基本上还是需要通过使用专用的眼镜来实现3D 立体效果。[3]最常用的方法是使用色差眼镜，其原理是通过把两幅图像分别设为不同的颜色，使视差图像分别进人左右眼即可。现在广泛使用并且效果比较好的方式是使用主动快门眼镜和偏正光眼镜，自动立体显示(裸眼3D显示器)，全息立体显示技术，后两种因为技术不够成熟和价格昂贵，一般用于科学研究和国家博物馆等。

三、3D教学资源的制作

在日常教学中，使用最多的3D教学资源是视频教学资源和图片类教学资源，有些课程中可能还会用到交互式的3D教学资源，但是由于制作难度高，时间长，非计算机专业人员一般无法制作，本文涉及的3D教学资源主要指视频和图片类教学资源。

1.图片3D教学资源制作

图片类的3D教学资源制作方法目前有单机拍摄、双机拍摄、专机拍摄、软件制作等几种方式，下面介绍各种方式的拍摄流程。

（1）单机拍摄

单机拍摄指仅使用一台数码相机来拍摄3D照片，适合只有一台相机并且拍摄物体以静物为主。单机拍摄相片时分别将相机通过左右眼各照一张照片，一般先拍左眼，左右眼互换的时候应该注意保持照相的姿势，不要有过多的移动。

（2）双机拍摄

双机拍摄指使用两台数码相机对同一个物体进行拍摄，双机拍摄相对于单机拍摄有以下几个好处：首先是同步性强，非常适合拍摄动态物体，其次是稳定性好，不需要拍摄时保持固定的姿势，因此拍摄的立体图片的成像率要高很多。

(3)专机拍摄

专机拍摄指使用专业的3D相机拍摄，目前已经有多家相机公司推出专业的3D数码相机，如富士、索尼、松下、奥林巴斯等，3D数码相机拥有两个镜头和两个CCD传感器。3D数码相机本体上的两个镜头可以从差别很小的两个角度同时拍摄两个画面，通过画像处理技术将两个画面合成后即可产生3D效果。用户不用戴特殊的眼镜，在相机背面的液晶显示屏上就能看到立体的照片和录像。拍摄图像的格式一般为3D图片的标准格式MPO，可以在主流3D显示器、3D电视或3D数码相框里直接播放，并且Adobe公司也将在新版Photoshop中支持编辑3D照片。

（4）软件制作

软件制作指通过电脑软件把原始的2D照片转换成3D照片，制作方式相对3D拍摄来说难度大很多，也非常复杂，制作软件常用的有Photoshop、3D Gugle Pro等，对非相关专业人员，推荐使用3D Gugle Pro，这是一个非常不错的平面转立体软件，很容易上手。

（5）立体照片合成

专机拍摄的3D照片一般可以直接使用，而单机或双机拍摄的照片虽然可以在3D电脑上使用，但必须把照片转换成红蓝格式的图片才能在普通电脑上使用。常用的立体照片合成软件有Photoshop、Anaglyph Maker、Stereo Photo Maker，虽然使用Photoshop可以合成出色的3D照片，但步骤麻烦，并且需要一定的3D照片合成经验。对于教师来说，操作越方便越简单越好，推荐使用Stereo Photo Maker，它可以制作各种格式的3D图片，包括平行立体图、红蓝立体图，交叉立体图等。

使用Stereo Photo Maker制作立体图的步骤非常简单：(1)打开图像，采用File→Open Left/Right Images依序打开左图和右图，会得到类似于如图2所示的画面。(2)对照片进行水平校正，采用单机拍摄立体照片时，常常会造成两张照片的水平线不同，导致立体照片的效果大打折扣，可点击Auto Adjust让软件自动判断调整，如果对效果不满意，也可以手工调整。(3)输出立体照片，常用的红蓝格式输出方法为Stereo→Color Anaglyph→Half Color (Red-Cyan)，如果想保存成标准3D照片MPO格式，可采用File→Save MPO File，输入文件名再保存。

2.视频3D教学资源制作

一般来说，制作出好的3D教学视频，可以激发学生的学习兴趣，增加课堂的活跃度，让学生在沉浸性的三维场景中学习知识。视频类的3D教学资源制作要比3D图片制作复杂，制作方法类似于3D电影的拍摄，但是要简单很多，因为我们不必过多的考虑电影拍摄中的剧情和艺术效果等。目前立体摄影基本可以分为双机拍摄、专机拍摄、软件制作等方式，下面介绍各种方式的拍摄流程。

（1）双机拍摄

双机拍摄指使用两台摄像机 (DV)进行拍摄来制作3D教学资源。拍摄前必须把两台DV固定好，推荐使用同一品牌、同一型号，最好带遥控器的摄像机进行拍摄，这样容易做到同步和同水平线。如果使用不同型号的摄像机，要注意让两个镜头的水平线同步，并且两个镜头一定要保持平行。拍摄时必须使用三脚架，因为稍微的晃动，拍出来的立体视频就会让人看得很头晕。

拍摄完毕后，需要分别把两台DV拍摄的视频采集到电脑中进行合成和编辑，采集软件推荐使用Premiere，方法如下：

1)双机视频采集完成后，在Premiere中导入左右视频进行同步画面，这步非常重要，有一个小技巧，可通过声音的波形来判断视频是否同步。具体操作如下：把左右视频分别拖到轨道上，为了可以同时看到左右视频的重影，让左视频在上，右视频在下，然后把左视频的透明度调到50%。接下来打开声轨，通过前后移动素材，让上下两段的波形完全同步。然后调节两段视频的“运动”特效，通过上下左右及旋转移动，让两段视频画面基本重合。编辑完成后，分两次输出左眼视频和右眼视频，输出格式为AVI。同样，如果有多个视频，可分别校准同步后输出。

2)合成红蓝立体视频（如果使用主动式眼镜或偏振眼镜观看可以略过此步）。运行Premiere，把同步后输出的左右视频拖入编辑轨道，然后选择“特效”菜单中的“3D眼镜滤镜”并用鼠标左键拖拽到左视频上面，同样方法设置好右眼视频。接下来在“立体”选项中选择“红蓝彩色平衡”，然后戴上红蓝眼镜，通过调节滤镜的参数，以便达到最佳效果。

3)按照教学需要，添加字幕、音乐、配音等，输出一个完整的教学3D视频。

（2）专机拍摄

专业3D摄像机相当昂贵，一般用于3D电影的拍摄，不太适合学校和日常生活使用，可以使用3D数码相机拍摄3D视频，现在推出的3D数码相机基本上带有3D视频的录制功能，相对于双机拍摄要方便很多。同样，3D视频最好使用三角架拍摄。

（3）软件制作

视频的2D转3D，相对于双机拍摄来说是一种折中的办法，目前来说难度非常大，实用度也不高。影片《诸神之战》的3D效果是由后期制作转换的，花费了大量的时间、精力和金钱，但效果平平。

目前有些公司开发了2D转3D的软件，可以实现一定的3D效果。如Toshiba Video Player 3D，它可以将普通DVD或MPEG-2、MPEG-4视频文件实时转化为3D立体视频。另外Cyberlink PowerDVD在v10.2113版本中也增加了2D转3D的功能。2D转3D的技术虽然不太成熟，但是在教学资源缺乏的情况作为一种补充的方式，还是值得尝试的。

四、3D教学资源的课堂应用和3D教学平台解决方案

1.使用3D教学资源辅助课堂教学

立体视觉课堂辅助教学模型如图3所示，在课堂教学中，教师先对课程的内容和目标进行详细的课程设计，再根据已有教学资源选择有利于学生接受的3D立体辅助教学手段，然后创建该课程的3D教学资源。课程内容以3D立体的方式真实呈现三维模型，将加深学生对具体内容的理解。

2.3D教学平台的课堂解决方案

3D教学资源能够激发学生的学习兴趣，有助于提高学生的空间理解能力，让学生沉浸在虚拟的情境中学习，但其在普通电脑上不能直接使用，需要增加额外的硬件资源。针对课堂特点，可以使用以下四种解决方案：

（1）红蓝眼镜方案：这是最廉价的解决方案，红蓝眼镜价格只有几元钱，适用于任何显示器和投影仪，缺点是有色差，无法显示真正的颜色，眼睛容易疲劳，不能久带。

（2）主动快门眼镜方案：目前NVIDIA 3D Vision套件是最热门、最成熟的产品之一，它能够以较低的成本实现很好的立体效果，非常适合家庭和学校使用。该技术集图形处理器、3D眼镜、软件以及3D显示器和投影仪于一身，可在普通PC机或工作站上实现令人身临其境的3D体验，能够方便地使用上文介绍的3D教学资源。基于此方案建立一个30名学生3D多媒体教室的硬件投资大约在6万元，如果采用国产的3D眼镜，可以降低到3万左右。[4]3D多媒体教室所需要的硬件有：1台3D投影机、1台配备NVIDIA显卡的电脑和30副主动快门式液晶3D眼镜。

（3）偏振眼镜方案：在该方案中，显示屏上左右眼视差图的光线为互相正交的线偏振光或左右旋圆偏振光，配戴上相对应的偏光眼镜就可以观看到立体效果。这是国内的3D影院广泛采用的方案，需要两台支持偏振技术的投影仪，价格比较贵，但偏振眼镜比较便宜，每副眼镜价格几十元，搭建这样的一个3D教室硬件投资在几十万元。

（4）3D照片方案：只适合3D图片类资源，能够实现裸眼3D效果，冲印一张8寸的3D照片价格为30元左右，是普通数码相片的几十倍，另外国内具有3D冲印设备的冲印店较少。[5]

上述四种方案各有优缺点，如表所示，虽然红蓝眼镜方式适用性最广，可在普通多媒体教室使用，但不宜久带，另外在对色彩要求高的条件下也不宜使用。主动式眼镜和偏振眼镜的方案效果都非常好，但是需要额外搭建3D多媒体教室。3D照片方式可以作为课后的一种补充方式，不受任何使用限制，但是每张3D照片只能显示一幅3D图片，使用量大时制作费比较昂贵。

五、结束语

本文对适合课堂用的3D立体教学资源的制作方法进行了剖析和讨论，详细分析了各自的优缺点和使用条件，并提出了四种适合于课堂的3D硬件解决方案，对涉及到三维空间类教学的教师们会有一定的帮助。3D立体技术手段对于教育来说是个拓展而不是取代，它是传统教育技术的有效补充，相信会有越来越多的先进技术走进学校，不断促进和改善教学技术，提高教学效果。

表 各种3D立体技术解决方案的优缺点

[1]王志玉.浅谈学习立体几何的障碍及解决方案[J].中国人民教师，2007(7)：39-40.

[2]罗四维.视觉感知系统信息处理理论[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]葛霁光，靳波，葛耀峥等.立体视觉深度认知过程研究[J].浙江大学学报（工学版），2005(2):169-173.

[4]3D中国[EB/OL].http://www.china-3d.com，2010-12-25/2011-02-26.

[5]邱发奎.视差立体印刷在商业广告中的应用[J].今日印刷，2008(5)：63-66.

(编辑：杨馥红)

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1673-8454（2011）11-0048-04