基于VRP的三维学习课件设计与开发

邓敏杰　马源颖

摘要：随着信息技术的不断发展，虚拟现实技术被广泛应用于军事、医学、娱乐、教育等领域。三维学习课件作为虚拟现实技术在教育领域的应用典范，以其数字化、可视化等特征得到人们的持续关注。使用VRP和3Ds Max等工具，设计和开发三维学习型课件，具体介绍了其详细过程及相关技术问题，并以《文字的起源与发展》历史课件开发为例，展示了三维学习课件在自主学习中的应用优势。

关键词：虚拟现实；三维课件；VRP；3Ds Max

DOIDOI：10.11907/rjdk.151445

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008016004

作者简介作者简介：邓敏杰（1985-），女，河南项城人，硕士，河南师范大学教育技术系助教，研究方向为教育技术理论与应用；马源颖（1993-），女，河南安阳人，河南师范大学教育技术系学生，研究方向为数字媒体技术、虚拟现实。

0 引言

目前，我国传统课堂教学的不足主要体现在：课堂教学环节老套，课程讲解枯燥与现实脱节，造成学生知识掌握较少；学生参与度低，整个课堂通常完全由教师控制调配时间，学生无法很好地参与到教师设定的教学环节中，难以实现师生、生生间的充分交互与反馈；扩展补充较少，学生的知识层面还大多局限于课本，课外拓展知识少，只能应付日常考试，这使得学生的发展受到较大限制。三维学习课件以其交互性和沉浸性缩短了学生与所学内容的距离，让学生更好地与学习内容进行交互，为学生学习知识提供了良好帮助。

1 虚拟现实技术与三维学习课件

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是由计算机和多媒体技术结合而产生的一种具有交互性、沉浸性、想象性的技术，能够逼真地模拟人在某种环境中的视、听、动等人机交互方式，使用者能够及时、没有限制地观察三维空间内的事物[12]。虚拟现实在教育领域的应用，改变了传统“以教促学”的学习方式，营造了“自主学习”氛围，使学习者可以通过与信息环境的交互作用学习到知识与技能，同时也

促进了教育技术的发展。

1.2 三维学习课件

三维学习型课件是基于虚拟现实技术的一种三维学习空间，它拓展了二维课件的交互性，使学习者能够身临其境地感受学习氛围，自主掌握学习知识，培养自主学习能力，提升学习效率。同时，三维学习课件以节省成本、规避风险、打破时空限制等特性而得到迅速发展，并应用于教学中。

2 三维课件总体设计

2.1 场景构建

根据课程需要，选取合适内容并构建场景。在三维学习课件场景构建中，应用3Ds Max的操作步骤一般包括模型制作、UV处理、贴图材质处理等环节[3]，最终生成虚拟场景，如图1所示。

图1 三维场景制作步骤

2.2 交互功能设计

在三维学习课件构建的场景中，因为各部分的主题和学习内容不同，学习者需要知道自己现在处于什么位置，学习到哪个阶段，有时还需要进行展厅和学习内容的切换，因而要设置一个实时导航来帮助学习者找到自己的位置和明确学习主题[4]。在三维学习课件中，插入了许多关于学习内容的音频文件，包括内容讲解和背景音乐两部分。对于学习内容的讲解汇总，采用距离式触发的交互方式，学习者可以根据需求控制学习过程和多媒体的使用。

3 课件开发流程和具体实现

3.1 开发工具选取

（1）3Ds Max。3Ds Max（3D Studio Max ）是由Autodesk公司出品的一款基于PC系统的三维动画制作和渲染软件，现阶段主要应用于游戏、广告、影视、三维动画、多媒体制作、工业建筑设计等领域。Max具有基于PC系统的低配置要求、可供插件的安装、强大的动画角色制作能力、可堆叠的建模步骤等显著特点，具有良好的发展前景，并将朝智能化、多元化方向发展。

（2）VRP。VRP（Virtual Reality Platform）是由中视典数字科技有限公司设计开发的一款面向三维美工的虚拟现实软件，在我国虚拟现实领域中应用较广。VRP具有适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化等优势，广泛应用于城市规划、室内设计、旅游教学、工业仿真、地质灾害、道路桥梁设计等领域。

（3）Photoshop。Photoshop（Adobe Photoshop）是由Adobe公司出品的用于处理位图图像及图形的软件，被广泛用于界面设计、后期修饰、影像创意、平面设计、广告摄影等领域，支持图层技术，为处理贴图等图像效果提供了一个便捷途径。

（4）CrazyBump。CrazyBump主要用于调整贴图和导出贴图，CrazyBump可导出法线、置换、高光、OA贴图，在软件中也可对相应的参数进行调整，使导出的贴图更符合需求，从而达到简化和美化模型的效果。

（5）AutoCAD。AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是由Autodesk公司开发的自动计算机辅助设计软件，操作较为简单，具有良好的适用性。AutoCAD具有完善的图形绘制功能、强大的图形编辑能力、可供二次开发、较强的数据交换能力、多硬件设备支持、多操作平台等显著优势，被广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、机械设计、服装鞋帽、航天航空等领域。所用工具及功能如表1所示。

3.2 场景构建

（1）建模。在模型构建过程中，主要用到的三维建模方法有：①多边形建模；②样条线建模；③基础几何体建模。在模型构建中，模型的制作方法不是唯一的，也不是一成不变的，需要根据具体情况使用相应的建模方法，以达到高效快速构建模型的目的。在构建主体建筑时，对于一些对称性模型，可先以1/4或1/2等建筑建模后再对称，进而完成整体模型的构建。前期模型整体构建完成后需要精简模型，删去重复面和闪烁面，同时删除冗余的点或线，以减轻后期交互引擎的负担，使其顺畅运行。

（2）UV处理。对于模型的UV处理主要用到两个修改器：UVW贴图和UVW展开。为提高贴图的利用效率，在UVW展开修改器中，相同贴图通道的UV要求纹理相同的模型面UV最大限度的重叠。同时要使展开的UV具有调理性，相同大小、纹理的面可进行重合对齐，纹理复杂的面可以适当增大其在整张UVW贴图中所占面积，相反，纹理简单、单一的面可以缩小其在UVW贴图中所占面积，然后使展开的面紧凑排列在UV框中，从而使绘制的贴图能够充分表现模型的纹理。将展好的UVW贴图以图片的形式导出，导出格式为PNG。UVW贴图指利用UVW坐标定位贴图的位置和平铺数量，用长、宽、高调整贴图大小，从而达到使用一张贴图即可贴大块面积的纹理，如地板、天花板、草地等都可以使用UVW贴图修改器。以《文字的起源与发展》历史课件为例，其主建筑的UVW展开贴图如图2所示。

图2 主体建筑UVW展开贴图

（3）贴图。贴图是物体表面的纹理，利用贴图可以在不增加模型面数的情况下，表现出更多的细节，以增加模型质感，完善模型造型，使创建的三维场景更接近现实。贴图的处理主要包括两部分：绘制贴图和烘焙贴图。绘制贴图在Photoshop中进行，将UVW展开贴图导出后，在Photoshop中打开，以其边框线为基准绘制相应的纹理，将绘制好的漫反射贴图保存成PSD格式文件后，在UVW展开面板中拾取纹理，根据实际情况对UV进行细微调整。烘焙贴图在CrazyBump中完成，根据在Photoshop中处理好的漫反射贴图，在CrazyBump中调整相应的参数，生成法线贴图、高光贴图等。该课件的漫反射贴图如图3所示。

图3 使用Photoshop处理的漫反射贴图

（4）材质。场景模型构建所用材质主要为标准材质，此外也用到玻璃材质等具有反射效果的材质。将贴图绘制好后，在3Ds Max材质编辑器中选择一个空白材质球，材质将用CrazyBump导出的高光、置换等贴图赋给对应部分的材质贴图。需要注意的是，导出的法线贴图需要赋给材质编辑器的凹凸贴图，以模拟真实场景材质的凹凸效果。玻璃类的材质需要调节反射值或直接使用Architectural（建筑）材质中的“玻璃—半透明”模板，调节相应参数。

3.3 交互功能实现

将在3Ds Max中制作的模型导入到VRP中需要注意的是，在导出模型前要对其进行分组和组合以避免在VRP中出现场景模型分布散乱而且部分分离的现象。同时，在导入过程中需要对贴图进行控制和调整，否则会出现贴图无法显示的情况，对于此问题的解决办法为：①在烘焙贴图时检查是否有重名的模型；②检查模型是否存在破面、重面现象；③烘焙前用层来管理物体，将需要烘焙和不需要烘焙的物体放置到不同的层中；④将多维材质一次性打散成标准材质；⑤在VRP中重新加载、替换贴图；⑥烘焙好贴图后在Photoshop中改变色相、饱和度等以匹配颜色，调整锐化、曲线等命令增强贴图色调的明暗对比，或在VRP中对贴图进行色彩调整。将该课件的Max主建筑场景导入VRP，效果如图4所示。

图4 将主建筑场景导入到VRP中的效果

将在Max制作的场景导入到VRP中时可以使用Max中的VRP插件，此插件可以将场景中的模型及贴图保存成VRP场景文件或者直接导入到VRP中，但此插件只支持Max 2011及其以下版本，若使用高版本3Ds Max则需将其另存为合适版本，再使用插件导出模型即可。

在制作交互功能时首先要对课件包含内容进行教学设计，需要明确课程内容和把握整体课程进度，也要了解三维学习课件中不同模块对应的相关学习内容，然后才能进行交互设计步骤[5]。将赋过材质的场景整合后导入VRP，进行交互功能设计，主要包括导航图设计、多媒体嵌入和视音频交互设计。

（1）导航图设计。导航图是对整个学习课件进行反馈与控制，对学习者的学习起着导向作用，能使初学者更快进入学习状态，帮助学习者学习课件内容。

在控制导航的过程中，学习者可以很清楚地知道自己当前正处于什么位置，并控制行走或将要行走的方向。导航图上有背景音乐、解说音量等控制按钮供学习者使用，学习者可以根据导航图对自己的学习进度有一个整体把握。使用VRP中自带的抓图功能，抓图整个场景，并导入Photoshop，设置Alpha透明通道，同时要将其添加到新建的导航空间中。将在Max中获得的世界坐标X、Y的最值分别对应于VRP中导航图贴图左边的上下左右值，即可将导航图贴到VRP中加以使用。

（2）多媒体嵌入。在VRP中，多媒体的嵌入主要有两种方式：内部嵌入和外部链接。内部嵌入方式主要通过ATX贴图、Flash控件和渲染到贴图3种方式，将视频媒体嵌入到VRP中，可以加载到三维模型上也可以加载到界面元素上。外部链接则需要使用脚本控制，在“视频”按钮上添加“脚本文件”中的“打开任意文件”脚本，再选择所要链接到课件中的视频。外部链接式的多媒体嵌入在播放时需要加载外部组件以实现视频播放。音频媒体的控制均采用内部嵌入方式，添加“音频”相应脚本，进而实现对音频的播放控制。

（3）视音频交互设计。视频主要是关于部分学习知识和文字学习背景的讲解。通过直观、高效的视频学习，学习者可以快速掌握所观看的知识，同时配合三维学习课件主建筑内部相关场景或物件，学习者对所学内容会有更深刻的印象，从而促进学习者二次记忆。音频分为背景音乐和解说词两部分，解说词主要是对一些不适合用视频呈现或内容不精炼的学习内容的呈现，学生可以根据需要自行实现背景音乐的播放及音量控制。

视音频交互均采用距离式触发交互方式，距离式触发交互方式即当学习者进入到设定的距离范围内时，系统自动触发系统设置的内容，三维学习课件中有讲解学习内容的视频或音频，当学习者退出设定的交互范围时，系统自动识别，停止先前触发内容即视音频的播放。

4 课件测试

整体调整好交互功能后，即可通过VRP进行发布，发布文件为EXE格式，可以脱离VRP的开发环境独立运行。

测试环节主要分两部分：开发人员测试和学习者测试。开发人员测试内容主要是对场景漫游和交互功能的测试。由于开发人员把握了整个三维学习课件的场景构建和学习内容的交互，因而可以运行课件以检测场景运行是否正常或交互是否实现，并及时进行调整。

测试调整后，则需要学习者对课件进行测试，包括对教学内容、学习过程、学习效果的测试。因学习者对三维课件各方面的功能处于未知状态，这样更能体现学习课件的效果，学习者通过课件的学习可以了解并掌握该部分知识，同时也能发现课件中的不足，并反馈给开发人员，再进行修改、完善。

5 结语

三维学习课件因其可视化、直观化、形象化等特点使其在学习过程中的作用日益显著，因而开发三维学习课件的重要性也愈加凸显。本文开发的三维学习型课件对文字起源与发展方面的知识加以有效整合，为学习者提供了良好的基于学习内容的学习环境，使学习者能够更高效地投入学习，并快速地掌握相应知识。

三维学习课件作为虚拟现实在教育领域应用的一类产品，对提高学习者兴趣、增强学习者学习的趣味性及自主性等起着积极作用。其在三维场景中的互动演示弥补了二维课件，扩大了知识容量，增强了学习者的学习技能，值得深入研究。

参考文献：

[1] 毛毅静.虚拟现实的视觉文化意涵[J].现代远距离教育，2013（1）：813.

[2] 高义栋，李曼曼.基于UDK引擎的图书馆虚拟漫游系统的设计与实现[J].现代教育技术，2013（10）：121126.

[3] 夏蕾.3Ds Max在城市虚拟现实建模中的应用[J].电子测试，2013（10）：126128.

[4] 高义栋，杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现——以《比干庙导游实训VR教学平台》为例[J].现代教育技术，2013（5）：117121.

[5] 杜丽，林筑英，尹兵.网络课程教学游戏开发中的VR技术应用[J].中国远程教育，2011（7）：7680.

（责任编辑：孙 娟）