ＶＲＭＬ技术在广电实验教学中的应用研究

李　静

摘 要:VRML是面向Web的虚拟现实技术,在互联网平台上利用VRML技术开展广电实验教学是真实实验最好的补充。本文分析了广电单个设备与系统设备在构建VRML实验方面的异同,从两个方面给出了构建虚拟实验环境的建模、交互设计、编程、发布的技术与方法。

关键词:广电单个设备 广电系统设备 VRML Cult3d

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)15-0085-04

一、解读VRML技术

VRML是虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language)的简称,本质上是一种面向Web、面向对象的三维造型解释性语言。VRML不仅支持数据和运动过程的三维表示,而且能提供实时的声音效果。用户能走进视听效果十分逼真的虚拟世界,运用多种交互技术(如视、听、触、操纵、感知等)对虚拟对象表达自己的观点,同虚拟环境中的实体相互作用,从而产生身临其境的感觉。这种先进的数字化人机接口技术已被广泛应用于军事、制造、城市规划、地理信息系统、医学生物、教育培训、文化娱乐等领域。[1]

VRML技术有三个基本特征:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、构想(Imagination)。沉浸是指VRML向使用者提供的场景一如真实的三维世界,用户进入虚拟场景获得身临其境的感受。作为场景中的一员,用户可以运用交互手段变换自己的视角、操纵其中的设备、聆听其中的声音、感受其中振动等,用户置身虚拟场景由内向外观察,而不是作为一个旁观者由外向内观察,从而更逼真地观察或操纵所研究的对象;交互是指VRML虚拟现实场景中的影像、运动、声音、压力等通过人机接口系统作用到使用者的感官,并通过传感器测试及跟踪使用者的行为实时进行双向互应;构想是指VRML向使用者提供了发挥想象力的机制,它改变了过去用户只能从定量计算中得到启发的模式,开创了用户可以从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识,达到深化概念并激发用户创造性的目的。[2]

二、广电实验教学迫切需要VRML技术

广电专业是理论与实践并重的专业,实践教学非常重要。新闻制作课程实践教学前期要用到各种摄像设备,如摄像机、摇臂、升降台、轨道、特技机等;后期要用到录音卡座、调音台、非线编系统、字幕机等;高年级专业实践教学中要用到演播厅、视音频信号系统、灯光系统、音响系统、导播通讯系统、信号发射接收系统、存储系统;开路电视节目播出系统、发射系统;闭路电视卫星信号调制接收系统、有线电视前端设备等等。目前广电专业实践教学面临着两方面的问题:

一是投资大、设备损耗严重。基础实验室需要规模,专业实验室的设备需要档次。作为基础实验,一台普通的教学摄像机(如Panasonic MD10000)大约需要七千元,一台兼容电脑加一块准专业级的非编卡要一万多元,一个中等规模的基础实验室需要一百多万元;专业实验室器材更是昂贵,一台专业摄像机(如Panasonic Pro50)十几万元,一套专业非编设备几十万元,一个小型演播厅上百万元。上述各种系统设备,即使每种设备各购一套,也是几百万元的投入。由于教学实验使用频率高,设备损耗严重,加之维修不便,导致教学保障性困难。

二是实验时间问题。目前的教学活动大都安排在八小时之内,而学生们有大量的业余时间,比如双休日、节假日等却无法进行实验。

VRML用于实验教学,一是解决了设备消耗问题,二是解决了实验时间问题。因为用VRML开发的同一个实验系统可以同时多人多机使用,没有实质性的设备消耗,没有时间限制。也就是说VRML用于广电实验教学不仅能为我们节约大量的资金,更能为我们的学习带来极大的便利。如果能集中人力物力,开发出完整的广电设备实验系统,对教学的作用将是巨大的。

三、利用VRML技术开展和推广广电实验教学

VRML用于广电实验教学,简单地可以分为两大类,一类是单个设备的模拟,另一类是系统设备的模拟。这两类实验系统的开发是不一样的,前者着重于单个设备的操作,如参数的设定、各部件的标识、各种开关及旋钮的意义与使用方法、运行中各种状态的识别、使用设备的过程、设备保养等等;后者着重强调系统性能,包括场景的构建、系统中各种设备的依存、设备间的通讯与协同关系、系统的整体运行效果等。由于广电设备繁杂,要投入较多的人力物力来开发,应将开发团队进行分组,可分为建模组、交互设计组、美工组、网络技术组,统筹设计、分工协作。

VRML开发首先是建模,即在三维设计软件中制作三维模型,包括三维场景和三维设备模型,目前三维建模方面成熟的软件有3dsmax、Maya和Softimage,这三个软件功能上各有所长,但在三维动画设计领域,Discreet公司的3D Studio Max是当今最为畅销的三维动画和建模软件,它集实体造型、静态着色和动画创作于一体,在国际国内拥有最大的用户群,从园林设计到小区规划、室内装饰、室外建筑、影视动画等领域都有极为出色的表现,而且易于学习,在3dsmax中完成的模型和动画可以方便地生成中间产品,便于后续开发;其次是交互设计,网络交互制作选用Cult3d,Cult3d是瑞典Cycore公司的产品,它能在计算机平台上虚拟物体的形状、颜色、功能、特效等,其最大特点是具有良好的交互性,Cult3d制作的产品可以在计算机网络平台上方便地进行各种交互,如旋转、缩放、平移等,它提供了鼠标、按键、事件触发等交互操作。除物体运动外,还为场景提供了声音、动画播放的支持。Cult3d制作的产品除发布到互联网上外,还可发布到Adobe Acrobat、Powerpoint、Director、Authorware等软件中。[3]Cult3d是现代广泛应用于Web3D的新技术,具有高压缩、强交互、跨平台的优点,虽然它是一个可视化软件,但一般制作却无需编程,尤为重要的是它提供了强大的脚本编程接口,对于复杂灵活的场景交互可以通过JAS脚本编程技术来实现,最后生成的产品可用于Dreamweaver进行二次开发或直接发布到互联网上;最后是网页设计,我们选用Dreamweaver。

1.VRML构建广电单个实验设备的设计

广电单个设备,根据实验教学中设备的使用属性,广电实验教学设备大致可由广电实验教学设备名称及分类表来表示(如表1所示)。

(1)广电单个设备的建模

广电单个设备的建模,首先是测量与拍照,测量的目的是为建模服务的,要尽可能准确,测量不准会导致三维建模的比例失真,降低模型的真实感。静态拍照是为三维建模准备纹理贴图,拍照要在灯光柔和、亮度适宜、无影的环境下进行,有条件的可直接在演播室拍照,注意设备的各部件清晰,受光均匀,阴影应在三维建模中运用灯光完成。由于三维模型中色彩与材质光照有关,逼真的色彩只能在三维场景中构建。三维建模中要完成的任务是:建模、材质、灯光、摄像机、运动,最终导出模型文件。建模的原则是尽量减少面的个数,不必太过精细,太精细会影响渲染速度,尽量多地采用标准建模,对于具有较为复杂、光滑曲面的设备(如:摄像机、话筒等)可采用NURBS无缝建模,建模时要考虑到模型层级间的依存关系及物体重心的设定,这是构造逼真运动不可缺少的关键技术,建模完成后要在3dsmax和Cult3d中进行模型优化,最大程度地减少面的个数,所有这些都是为了提高网络实时显示的速度。材质的设定应以贴图为主材质为辅,材质以基本属性为主,尽量不用反射与折射,非用不可的地方用假反射替代,因为真实的反射与折射会消耗大量的系统时间,复杂纹理应使用贴图完成,简单而重复的纹理也可在Cult3d中通过JAS编程来实现。单个设备的建模中灯光只是为了再现逼真的图象,不必考虑阴影,用常规灯光就可以了,也可以采用稀疏的灯光矩阵,如果不得已用到了光学度灯光或是天光阳光,并打开了全局光照,就要使用贴图烘焙技术与贴图展平技术来提高显示速度。摄像机的运用要考虑到Cult3d同一时刻只支持一台摄像机,多角度观察可采用多摄像机切换或使用实体旋转的方式来完成,摄像机的焦距要以自然人的视角为依据,超广角的使用会导致物体失真。运动是VRML中最为精彩实用的部分,所有运动的设定都不宜太长,以不超过五秒为宜,为了便于在后续制作中调用,考虑到Cult3d不能很好地识别中文名称,所有运动应采用英文命名,运动时要以顶层物体带动下层物体运动的方式完成,旋转物体的运动要考虑到物体重心的位置,这些都要事先在建模时考虑到,以免半成品翻工重来。所有提示性信息可在后期制作中完成,三维建模可不必考虑。

(2)单个设备的交互设计

单个设备的交互设计不同于系统设备的交互,它着重于单件设备本身的属性理解与操作,交互行为分为以下几种:

1)设备的整体控制。如设备的旋转、缩放与平移。利用这些行为可以方便地看清物体的各个侧面及更小的子物体,以便了解它们的属性并对其操作。

2)部件的操作。可用鼠标或键盘对各个部件进行操作,如打开和关闭摄像机带仓、按下或弹起拍摄按钮、调整摄像机焦距、操纵升降台上升或下降、操纵切换台并观察输出信号等。

3)播放动画。如打开摄像机就能看到被拍摄的画面,调整焦距视窗画面就会放大或缩小,单击打开带仓按钮带仓连同磁带就会运动并弹出磁带,按下特技切换按钮相应的信号与特技即合成节目输出画面等等。

4)声音操作。广电设备虚拟实验离不开声音处理,应先将相关操作的声音、节目播放的声音、各路原声及合成的效果声提前录制好,以*.wav格式保存,Cult3d可以直接导入声音,声音事件可由鼠标或按键方式触发,在调声台、录声卡座与话筒的实验中是必不可少的。

5)时序操作,应精确记录各种操作过程需要的时间,并注意到操作的先后顺序,VRML中精确的时序控制可用计时器事件及时间线来完成。

(3)单个设备的美工

好的产品离不开美工,单个设备美工首先要考虑的是设备的各部分比例是否和实体一致,显示的纹理和色彩与实体的差异是否在允许的范围内,这方面的问题可与建模组协同解决。其次是要设计好虚拟设备的切入角度以便于观察,衬托背景的设计是要花一些时间的,要考虑背景的选择与实验设备的相容性,太强的对比会使人产生疲劳,太弱的对比又模糊不清,色彩与画面的设计中还要考虑到文字及提示信息的显示,选用适宜的字体字号及颜色有助于提高画面的美感,所有这些都离不开精良的美工。

(4)网页设计与编程

虽然Cult3d可以方便地在Adobe Acrobat、Powerpoint、Director、Authorware等软件中发布,但考虑到目前互联网是最好的学习平台,还是应该利用Dreamweaver强大的网络功能进行后期制作并发布到互联网为宜。Dreamweaver不仅有强大的网页编辑功能,更重要的是它支持JAS脚本编程,并易于嵌入由Cult3d生成的*.co文件,虽然Cult3d本身具有局限性,但Cult3d Designer提供了方便的Java接口, 可以对它的功能进行扩展,如要对实验设备进行更复杂更灵活的控制,就必须使用Java编程或用JAS脚本编程来实现。

Dreamweaver中主要进行两方面的设计,一是静态部分,如网页界面、文字与图象。另一部分是动态设计。前者使用静态网页实现,后者配合Cult3d中Java动作使用JAS编程来完成。设备各部件的标识在静态网页中设计比较方便,复杂设备可以分画面完成,设计时如果说明性文字太多,可考虑使用指向性箭头和重叠文字框来避免画面的零乱。设计中还应为实验操作开辟独立的空白页面,这样不仅便于操作和观察结果,更重要的是独立的页面能让操作者注意力集中。

由于广电设备的多样性与复杂性,应为VRML实验教学配备专门的服务器,尽管大部分实验教学内容在客户端就可以完成,但复杂灵活的脚本程序离不开服务器的支持。

2.VRML构建系统实验环境的设计

系统设备是相对于单个设备而言的,在广电教学过程中,系统设备比单个设备显得更加重要,如灯光系统、音响系统、导播通讯系统、演播厅信号系统、传输系统、非线编系统、有线电视前端系统、发射系统等等,每一个系统都是由许多单个设备协同工作组成的,VRML设计系统实验教学时,重要的是考虑系统中各设备的协同工作并关注其整体性能,默认操作者已经熟练掌握了构成系统的单个设备的操作。

(1)系统场景与设备的建模

系统场景建模前也需要实地测量,场景模型必须与实验室已有的场景大小及配置相一致,只有与实景相一致的场景才能让学生产生共鸣,真正达到身临实境的感觉,场景的建模以粗线条为宜,只要比例适当就行了,以小型直播演播厅摄录信号系统场景为例,作为独立的子系统,不必考虑灯光与音响以免主体不突出。相应的舞台、背景、道具易简不易繁,重要的是根据演播厅的大小,安排好机位、轨道车、摇臂、现场音响设备、导播切换台以及后续实时字幕叠加合成与传输设备。组成系统的各部件的建模与单个设备的建模也是不一样的,比如摄像机,只要创建粗线条的模型就可以了,里面开关、按钮、带仓等都可以忽略。导播切换台只要创建其输入输出监视连接画面,而不必将其本身的细节做得十分清楚,因为大的场景强调的是整体功能,组成系统的各个设备按指令工作,我们关注的是它能否按系统要求完成工作而不必关注它如何工作。在每个系统中,VRML的建模者一定要知道这个系统工作中心所在,要明确知道每个设备应完成怎样的任务。如演播厅信号系统其工作中心在导播切换台,每个机位的摄像机只要提供良好的视频信号并知道本机位的信号是否正被采用即可。在VRML建模设计中要考虑到指示信息(如颜色信号灯、箭头线条的闪烁等)的建模,用以提示VRML实验操作者哪些设备的信号正在被采用,哪些设备正处于运行状态,系统工作是否正常等。

(2)系统实验环境的交互设计

VRML系统实验环境的交互设计不同于单个设备的交互设计,后者着重于对设备本身的认知、学习、操作规程、操作方法的模拟与设计,前者只需要单个设备的操作时间与操作结果,而着眼点在系统的整体性能。

Cult3d进行系统实验环境设计时分三个层次:

一是为系统中的单个设备提供操作和结果,如摄像机提供开关功能、机位移动功能、镜头推拉摇移功能、视频信号的输出功能。切换台提供各机位视频信号的监视功能,切换操作功能,切换结果的信号输出与监视功能。

二是场景设计中要考虑到各部件的连接操作,教学实践中我们深切地感受到系统设备的连线操作至关重要,不同的设备有不同输入、输出、线型和连接头。设备的连接不单是物理连线那么简单,要考虑到匹配、阻抗、屏蔽、损耗与衰减,连接的过程中必须检测,多机位摄拍时各台机器的视频电缆应基本等长,所有设备正常优质的连接是系统成功的一半。

三是系统运行的操作模拟,系统运行的整体效果是与各单个设备的操作结果相关联的,因此VRML设计中务必使操作者感受到这一点,比如,某台摄像机没打开或连接不正确,将会导致导播切换台的监视器上没有视频信号,如果该路信号当前正好被采用,直播发射机将因黑屏造成聚波比过高而报警。对于较为复杂的系统,交互操作中可将其分成几个子系统,如这里所列的小型直播演播厅摄录信号系统,可分为信号输入子系统、切换合成子系统、分配传输子系统。这些子系统相互间有着依存关系,VRML设计中必须考虑到前一个子系统正常运行是后一个子系统开始工作的前提。对于不合理的操作、违反时序的操作要有提示信息或报警信息,及时提醒操作者。

好的学习系统少不了激励机制,为了提高学习效能,应在VRML中设计激励机制,根据操作的不同结果给出相应的操作成绩。

系统场景的美工与编程与单个设备是一样的,此处不再赘述。

四、结束语

随着互联网技术的发展,VRML的应用越来越广泛,3dsmax与Web3D技术也将日臻成熟,VRML应用于各类设备的实验教学将会越来越广泛。基于Web3D技术的VRML用于实验教学将给人们提供越来越方便的实验平台,它不仅能构建开放性的实验教学环境,改进实验教学手段和方法,更重要的是能促使我们更新实验教学观念。这种虚拟实验与真实实验的相互促进与补充,在教学活动中将会发挥越来越大的作用。[4] ?筅

参考文献:

[1]武镇龙,吴进华等.用Java扩展Cult3d的交互功能[J].海军航空工程学院学报,2008(3).

[2]陈臣.虚拟实验在高职高专《现代信息技术》课程中的应用分析[J].萍乡高等专科学校学报,2008(1).

[3]阿新工作室.任我虚拟Cult3d/3ds Max4.2/Maya 4/三维产品设计与互动教程[M].北京:希望电子出版社,2002.

[4]林桂平,向秋玲等.虚拟实验及其在生理学教学中的应用[J].医学教育探索,2007(6).