照片建模与增强现实实验在三维软件基础课程中的应用

韦欢　席军林　杨建

摘要：针对传统三维软件操作复杂、初学者动手实践存在一定困难的问题，提出在三维软件基础课程中设计一个照片建模与增强现实实验，并说明实验方法和过程，同时对教学效果进行评价，说明调查问卷结果。

关键词：照片建模；增强现实；三维软件

近年来，随着3D打印、虚拟现实等热门技术的迅速发展，市场对三维设计和开发人员的需求越来越大。三维软件基础是数字媒体技术本科专业第三学期开设的一门必修课，目标是使学生了解三维设计制作的基本流程，熟悉三维软件的基本操作，为后续动画制作、游戏开发、虚拟现实应用开发等相关课程和实践打下良好基础。数字媒体技术是一个多学科交叉的新专业，各个高校对数字媒体技术的培养目标和侧重点不尽相同。

1.三维软件基础课程存在的问题

（1）三维软件的复杂性问题。常规的专业性三维软件如3ds MaX、Maya等都非常庞大和复杂，操作起来非常繁琐，初学者往往感到无所适从。在有限的课时下，学生无法进行深入的练习和实践，无法制作出自己期望的三维模型和场景，从而缺乏学习动力。

（2）缺少三维软件综合实验。对于数字媒体技术工科类学生，将三维数字内容整合到三维应用程序中是一项基本技能。常规的三维软件实践主要由建模、材质、动画、渲染等多个单独的实验组成，缺少一个综合实验让学生体验整个三维应用开发的流程。由于相关的程序设计和三维引擎开发课程排在本课之后，此时的学生还无法进行三维游戏或三维应用程序开发，因此需要为他们定制一个简单快速的“体验式”实验。

2.照片建模与增强现实实验

针对教学实践中发现的问题，我们面向学生设计了一个照片建模与增强现实实验。该实验无需手工建模，学生使用图像建模软件快速获取物体的三维模型，然后将模型导入一个增强现实平台中进行交互性展示。该实验主要分为“照片建模”和“增强现实展示”两个步骤，如图1所示。

2.1从照片获取三维模型

传统的三维建模主要使用3ds Max、Maya等建模软件，这种手工建模的方法工作量大，效率低，对建模人员软件操作的熟练度和经验要求较高。其他建模手段还包括使用三维激光扫描仪、图像建模软件等。基于图像的几何建模技术可以从图像中恢复物体或场景的三维几何信息，并构建物体的三维模型。这种方法的特点是算法自动生成模型，效率很高，在某些条件下生成的模型质量不亚于手工建造的模型。目前，基于图像的建模技术已经比较成熟，市面上也有不少优秀的照片建模软件可供选择，例如Photoscan、Acute3D以及Autodesk公司推出的123D Catch和Memento等。由于本课中我们主要使用3dsMax来演示三维制作的基本操作，为了保证三维模型文件的兼容性，我们选择同为Autodesk公司旗下的123D Catch。该软件是一款轻量级照片建模软件，学生可以免费从官网下载安装，可在电脑上运行，也可以在手机或平板电脑上使用。

123D Catch使用非常简单，学生只需将所要建模的实物放置在光照均匀的桌面或地面上，使用数码相机或手机环绕该物体，从不同的视角拍摄30-50张相片，之后将这些照片上传到Autodesk的云端服务器，经过服务器运算后即可生成三维模型，学生从服务器下载三维模型到软件中打开。另外，123D Catch的手机应用可以直接从手机上传照片，并将模型下载到手机查看，方便学生获取室外景物的三维模型。

模型从服务器下载到本地之后，学生可以在123D Catch中对模型进行简单的编辑，如删除多余的场景保留主体模型，调整模型朝向、缩放大小等，如图2所示。如果生成的模型有较大的缺损或变形，学生可以重新拍摄照片上传重新建立模型。照片建模的规律是，一组照片越清晰，越能从不同视角展现物体的细节，生成的三维模型就越接近真实物体。当得到比较满意的三维模型之后，学生可以从123D Catch中导出成FBX格式的模型文件供增强现实平台使用。

2.2增强现实展示平台

增强现实是虚拟现实的一个重要分支，与虚拟现实中的完全虚拟的场景不同，增强现实将虚拟物体“放置”到真实的场景中，形成虚实融合的场景。增强现实在教育领域有着广泛的应用。与虚拟现实相比较，增强现实不需要额外添加头盔显示器、跟踪器等硬件设备，基础的增强现实程序仅需要通过一个摄像头加一台电脑就能运行。

我们使用ARToolKit和Unreal Engine搭建的增强现实展示平台。ARToolKit是历史最悠久使用人数最多的增强现实开发工具之一，它可以识别图像中的标志图案并准确跟踪其位置。Unreal Engine则是目前性能最强大的游戏引擎之一，它负责在跟踪到的标志上实时渲染三维模型。这两个工具都可以从互联网上免费获得，免费用于教育用途。

由于三维软件基础课程不涉及增强现实背后的图像识别和跟踪的原理和算法，也不包含Unreal引擎开发的相关内容，我们直接提供给学生一个配置好的模板工程，学生只需将照片建模得到的FBX模型文件导入到工程里，替换掉原样例模型，如有必要也可以使用Unreal引擎的编辑器进行一些简单的对齐调整，然后运行工程，将打印好的标志图案放到摄像头画面里，即可观察到三维模型的实时渲染效果，如图3所示。

3.实验效果评价

在2015年秋季学期中，我们首次将照片建模与增强现实实验引入到三维软件基础课程中，教学对象为数字媒体技术2014级本科生，总共53名学生。该实验被安排在课程第4周，此时教学进度进入三维建模章节，学生刚刚接触三维软件，需要通过实践来体验三维建模，而复杂的软件界面以及初学者常常遭遇的误操作使他们失掉耐心和信心。照片建模软件的出现，使学生能够以“所拍即所得”的方式快速获得自己想要的三维模型；增强现实的展示形式使学生与三维模型实现有趣的互动。我们发现在进行该实验时，学生参与的积极性比其他实验要高。该实验带来的积极影响一直延续到之后的课程学习中里，学生运用所学知识自主进行一些新尝试，例如，将照片生成的模型导人到3ds Max中进行组合，创造出新的场景；制作一段虚拟角色与真实场景融合的动画视频；甚至部分同学对增强现实技术产生了浓厚的兴趣，主动查阅相关的论文。

课程结束时，我们对学生进行了问卷调查，该问卷主要针对快速建模与增强现实展示实验（简称AR实验）的效果进行评估。我们列出几个表述，学生可选择“1.非常好”“2.好”“3.一般”“4.不好”或“5.无效果”5个选项之一来表达认可度。表1列出了此次问卷调查的统计结果。从统计数据可以看到，91.4%的学生认为AR实验有吸引力（选择1、2项的学生），79.2%的学生认为AR实验的软件工具易于使用，92.5%的学生认为作品展示让自己有成就感，同意AR实验促进了学习主动性和同学间交流的学生达到90%以上，增强现实技术比照片建模技术更想让人深入研究。问卷调查结果符合我们的预期，该实验受到普遍欢迎，大多数学生实现起来没有障碍，学生主动学习，获得一定的成就感，并且增进了人际交流，对科研启迪也起到一定作用。

4.结语

照片建模与增强现实实验为三维软件初学者提供了一个快速体验三维开发流程的实践机会，有效降低了三维制作的入门难度。我们在2015年秋季学期的三维软件基础课程中应用了照片建模与增强现实实验，并对学生的学习情况进行评估。从学生问卷调查的结果来看，该实验增强了学生学习三维软件的信心和动力，并在一定程度上激发了学生的科研兴趣，受到学生普遍欢迎。在今后的教学活动中，我们将尝试以更多样的实验来调动学生学习的主动性，比如使用3D打印机，使学生能够创建出不但“看得见”，也能“摸得着”的三维模型。