基于3D的大学物理实验演播系统的设计

钱相呈

摘 要 隨着科学技术的不断发展，虚拟现实技术在越来越多的领域得到广泛的认可和应用。本文以大学物理实验演播厅展示为例，使用3D MAX创作基本的模型、动画及相应材质贴图的使用，利用VRP实现模型和动画的导出及相关交互实验操作的设计方法。虚拟物理实验演播系统的设计能有利于学生更加直观地理解物理现象，加强学生的动手能力和实践能力，也是物理教学中必不可少的重要环节。

关键词 三维模型 物理实验 演播演示

0引言

大学物理实验是物理学教学内容的一个重要的组成部分，其目标是让学生通过实际操作来验证学过的物理知识，更重要的是培养学生动手能力，分析问题，观察问题，发现问题的能力，对学生的创新思维和创新能力都有所提升。但目前多数学校普遍存在物理仪器不足，设备老化，还有一些危险性试验无法给学生感性的认识。本文设计的虚拟大学物理实验演播系统是以3dMax和VRP为基础设计开发，能够构建具有强交互性、沉浸性和多感知性的虚拟实验教学平台，从根本上解决学校物理实验中现存的问题，让学生在计算机上操作实验，从中验证物理理论，获取知识，提高学生的创新能力。进而帮助学生熟悉实验器材，掌握实验步骤，形成正确概念，真正提高学生的动手研究能力、实践能力、创新意识等综合科学素质，这种体验式学习更加受到社会各界的喜欢。

1模型的搭建和动画制作

3D模型可以说是利用三维软件建造的三维立体空间效果的模型，具有直观、立体感和透视感，包括各种建筑、人物、植被、机械等等。其搭建需要用到一层层的拖拽、调整、变形，本文以电磁驱动演示实验场景模型的制作为例，首先需要搭建一个桌子模型，这便用到了扩展基本体中的切角长方体命令，通过设置圆角分段与圆角度来使边缘圆滑，这样便通过5个不同尺寸的切角长方体来搭建桌子模型。学生电源模型因包含大量小型按钮与刻度，且模型较不规则，因此需要用到布尔、放样、贴图等技术。在使用切角长方体建出规则模型之后，再使用布尔差集做出需要的形状。在导线的制作时，由于圆柱体弯曲较为不灵活，因此选择了放样操作。首先将导线要连接的两端用样条线连接起来。为了使导线弯曲自然，我在连接样条线的时候选择初始类型为角点，拖动类型为平滑，这样新建出的样条线就比较平滑自然，然后通过移动点来使导线更加自然柔软，再新建一个半径较小的圆，通过放样做出导线模型。在模型及贴图全部都完成之后，便是动画的制作，3D MAX中动画分为刚体动画和柔体动画。最基本的动画操作是对对象进行移动、旋转和缩放，可以用动画控制器来控制，即刚体动画；物体自身的造型也可以设置成动画，用为对象添加的各种变形修改器来控制，即柔体动画。

2模型动画的导出及交互的实现

模型与动画全部制作完成之后便是将其导入VRP，在导入之前，首先要将包含刚体动画的模型成集并命名为vrp_rigid，这样，才能将刚体动画导入VRP。因为把 3ds max 中的模型导入到 VR-Platform 平台中时，不能将光景信息直接带入，需要把 3ds max 中物体的光影以贴图的方式带到 VRP 中，才能产生真实感。所以在材质部分需首先将贴图烘焙，这样才能保证贴图顺利导入VRP且显示准确。如图1所示。

在导入VRP之后，首先进入首页面，点击演示实验后通过显示隐藏控件进入全部演示实验界面。点击其中某一个实验即可进入该实验高级界面，以电磁驱动为例，在这一部分用到的脚本主要为显示隐藏控件、显示隐藏对话框。如图2所示。

在简介按钮通过鼠标移入与鼠标移出脚本来控制静态图片控件的显示与隐藏，实现当鼠标滑过简介按钮时，自动弹出关于电磁驱动实验的介绍，使得学生学习更加方便。点击开始演示按钮后通过转换相机与显示隐藏控件、对话框正式进入实验界面。在此界面点击电磁驱动绿色开关便可观看此演示实验。

3结语

虚拟物理实验演播系统的使用，在一定程度上可以弥补传统物理实验教学的缺陷，可以方便学生打破时间和空间的限制，可以自主地进行实验设计，培养学生的动手能力和创新意识。在实验设备的保护方面，也可以起到让学生熟悉仪器和练手的作用，防止学生因不熟悉实验仪器及实验流程而造成的设备损坏，由于物理实验仪器大多比较精密且昂贵，因此本项目也大大减少了不必要的损失，能够更好地保护实验仪器。

（通迅作者：李冰）

参考文献

[1] 王周，华吴伟.3ds Max软件下的3D物理模型[J].物理通报，2016（08）：96-100.

[2] 曾敏.在3D MAX中贴图路径的解决方案[J].数字技术与应用，2012（02）：180.

[3] 杜世春，张开芳.基于3D MAX制作三维动画[J].科技信息，2008（18）：432-434.

[4] 郝梅.烘焙技术在VRP中的应用[J].中国水运，2009（01）：129-130.