试析利用Blender开发普通高校虚拟现实实验室

郝振华 HAO Zhen-hua

（上海建桥学院，上海 201319）

（Shanghai Jianqiao College，Shanghai 201319，China）

0 引言

教学实验室的建设作为高校教育中不可或缺的一个环节，面临着适应社会需求、积极探索进取和创新发展的问题。根据教学目标和技术可行性，选择合理的开发技术，建设并发展虚拟教学实验室，从验证性实验向创新性实验转变；从单一的建模实验向交互实验转变；集成各种输入设备，根据需要添加可识别的实验设备，使高校教学实验室教学优势和潜力得以充分发挥。

本文试析利用Blender开发虚拟现实教学实验室在普通高校中的意义，并对此展开讨论。

1 适应教学发展的虚拟教学实验室

1.1 从验证性实验向创新性实验转变 传统的实验项目受到实验室本身的制约多为命题型验证性实验，绝大部分高校的实验课程都采用老师讲解、演示，学生动手的模式。这种传统的教学模式以教师为中心，学生在教学过程中自始至终处于被动状态，主动性和积极性难以发挥。

虚拟现实（Virtual Reality-VR），其特点主要体现在虚拟现实技术的3I特性，即所谓的沉浸性（Immersive）、交互性（Interactive）、想象力（Imaginative）。此外，虚拟现实技术还拥有网络功能、多媒体技术、人工智能、计算机图形学、动态交互智能感和程序驱动三维立体模型和场景等。虚拟现实教学实验室是学生通过计算机产生被模拟仿真世界的动态三维视觉环境，学生在学习动态三维视觉环境是如何产生的同时，理解并通过各种交互设备（鼠标，键盘，游戏操纵杆，MIDI设备等）观察、体验并省视在交互过程中的体验感，通过创作和有计划的修改、完善虚拟现实的体验，并探索新的交互的可能性，充分发挥学生的主观能动性。

1.2 从单一的建模实验向交互实验转变 与单一的建模实验传统教育相比，虚拟实验室需要的不只是注重基本的建模实验，而是能提供更多的具有交互实验的能力，强调人与机器互动，人与人互动的平台，利用VR技术更有助于多媒体辅助教学系统的运用、开发与完善，有着更加深入表达教学内容的优势。

由于市场多样化的冲击而缺乏虚拟现实技术的统一标准，使得虚拟实验室缺乏的软硬件的相互配合，加上教学的不统一要求，在这种情况下，学生更倾向于类似虚拟物体建模这样的基本实验，降低了作为虚拟实验室的真正功能。所以选择一款能很自然的从建模学习到虚拟现实交互的应用软件就显得很重要。

1.3 添加可识别的各种输入输出实验设备 随着虚拟现实相关技术的不断发展和完善，各种新型的输入输出设备层出不穷。虚拟实验室是一个紧跟时代的互动实验室，根据需要随着互动技术的进步添加市场上各种典型的可识别的实验设备，比如midi控制设备、游戏遥感设备，并在条件允许范围内购买虚拟现实数据手套等。在市场的推进作用下，类似wii的手柄控制器等运动重力感知设备和Xbox的Kinect运动捕捉（或称体感识别）设备等新兴游戏互动设备也应成为虚拟教学实验室的输入设备。有了这些设备的加入就会使虚拟实验室强大的实验优势和教学潜力得以充分发挥。

2 什么是Blender

英文“blender”，中文翻译为“搅拌机”，顾名思义是用来将所有的视频音频图像还有三维模型和动画等综合起来制作动画及可执行程序的软件。

2.1 综合性三维解决方案 Blender提供从建模、动画、材质、渲染，到音频处理，视频剪辑等一系列动画短片制作的三维动画制作软件。且具有占有空间少、使用系统资源低并可运行于不同平台等特性。

2.2 发展迅速的开源软件 Blender于2002年10月13日公布其源代码，成为为数不多的开源三维动画及交互解决方案。因为遵循GNU通用公共许可证发布，因而没有教育版,专业版或商业版之分。由Blender创作的艺术品，包含Python脚本都需要遵守GNU下的GPL协议将其开源。但署名权将完全属于艺术品和脚本的创作者。

2.3 特点显著适合科研开发 Blender提供非常强大的API支持，由于Blender是在Python语言上构建的，其API可以与Python语言的模块完全兼容，所以具有很强的多媒体应用扩展性。Python本身是一个十分适合流程控制和多媒体应用的语言。Blender提供了各种输入设备的感应模块,通过使用Python脚本，可以被Blender接收的输入设备可以有更多的扩展，包括midi键盘和具有TUIO或OSC协议的多点触摸设备，其中包括wii的手柄控制器、iPhone、iPad 等。

此外，由于良好的可移植性和兼容性，Blender共享系统Python环境并通过包装函式，调用计算机视觉函数库OpenCV，从而实现各种科学实验。

3 Blender对高校虚拟教学实验室建设的意义

Blender的出现恰好可以满足高校虚拟教学实验室适应教学发展的需要，并在快速变化的信息时代逐步完善、成熟，在担当起实验教学的重任中起到更好的作用。

3.1 虚拟教学实验室在注重效率的同时仍需要考虑成本

3.1.1 快速建立CG培训平台 与动辄上千美元的商业3D软件相比，Blender是一款完全免费而且开源的3D制作软件，用户不需要考虑版权问题就可以随意拷贝和共享，学校、单位或相关培训机构可以快捷地建立一套基于Blender的CG培训平台。

3.1.2 解决长期维护 教学实验室要注重成本和长期维护的问题，尤其是虚拟教学实验室，要考虑到软件的更新和维护。这些成本几乎每年必须发生。如果选择一款类似3DSMAX这样的软件作为建模材质和贴图的工具，那么制作虚拟现实应用的工具将价格不菲。以国产的中视典的VRP为例，基础的面数不限的能完成数字校园的企业版价格也在4万左右。尽管在8万个面以内的小型版本是免费的，但针对不同的模块VRP的价格是不同的。这些还不包括API等接口的解释和服务性的帮助，而这些对于Blender来说都是免费的。

3.2 虚拟教学实验室建设要与课程设置衔接相关联 以上海建桥学院为例，为数字媒体艺术专业和软件工程专业学生开拓实践内容而服务的虚拟教学实验室，建设和发展要考虑与课程内容互相斜街。

3.2.1 VRML被逐步更新 就数字媒体艺术专业的学生而言，课程结构中已经包括了三维建模和三维动画的内容，使用的软件是以三维动画为方向的三维应用软件，包括Maya，3DSMAX和Lightwave等。

但是过去开设的虚拟现实课程却是以VRML作为课程核心内容的，而VRML是以网页三维交互作为核心技术，学生等于使用新的编程语言来实现动画和交互，这与之前学习的三维建模和动画在知识系统上就难以衔接，更无法拓展。

此外，VRML本身技术的更新是X3D格式，就目前来看，作为同等级别的三维网络交互应用制作工具，其竞争对手是 Cult3D；同时 Viewpoint以及Adobe的Atmosphere也对其构成威胁；尤其是Viewpoint，作为一个可以和Flash的SWF共同使用的老牌网络三维表现软件，Viewpoint在工业品表现领域活跃了10多年，已改变了VRML的主流地位。而新兴的WEBMAX也在试图针对这一应用市场拓展自己的份额。从这些情况来看，VRML也已经不再适合作为虚拟现实课程的核心内容。

3.2.2 强调三维交互 虚拟现实的另一个重要领域在于表现与三维对象的交互上，这点也同时是三维游戏引擎所注重的方面。

具有三维游戏引擎功能的软件，不仅提供仿真模拟的功能，更重要的是他们注重与其他三维动画软件的衔接，有些更包含了自己的建模和动画工具，如Maya，尚缺乏可充分自定义来拓展与其他三维动画软件的衔接。当然，还有很多优秀的虚拟现实软件在提供本地应用的同时也可以生成网络三维交互应用。如Mac系统的Unity 3D，虽然它不仅可以作为很好的游戏引擎和虚拟现实开发平台，也可以作为网络3D游戏和网络三维交互开发的工具套件，甚至可以拓展到游戏平台和移动媒体应用，只可惜价格和运行平台成为了最难推广的瓶颈；另一个元老级的VR商业软件是Quest3D，完全节点式的操作模式使得其相当的另类，除了价格昂贵以外，其制作的内容仅限于windows平台；还有一个合适的选择是类似Torque这样的中小型游戏引擎，虽然价格相对适中但功能不全。如果没有一款适合的软件，学生就很难充分运用之前课程中学习的建模和动画知识来很好地制作完成新的三维交互内容。

3.2.3 符合课程要求的Blender而Blender与和它集成在内的游戏引擎BGE（Blender Game Engine）不仅是免费的，而且功能还可以自定义的拓展，既符合课程要求，也对学生所学知识能相互衔接，学生通过这类软件的学习并理解三维交互的核心构成后对网络三维软件概念也不会陌生。这些对学生了解基础概念而言己经足够了。

3.3 虚拟教学实验室要以创新为导向 核心的三维建模知识都大同小异，但是选择一款具有集合功能、并能充分自定义、最终产生三维交互的动画软件，很大程度上拓展了学生三维交互的创作领域。

3.3.1 选择具有充分自定义的核心软件 要使学生形成自己对虚拟现实的理解，以此为目标，教学实验室就要以创新为导向，在核心软件的选择上要具有充分的自定义。在这点上Blender具有很好的自由度。

对于开源的Blender而言，这个三维软件允许学生对它的源代码作自由的修改以满足实验需要。学校方面也可以自己编译适合自己实验需要的Blender。在这方面Maya和3DSMAX等软件都不如Blender。如果以Maya作为建模和动画渲染工具，做虚拟现实时将面临着对所有模型的导出以及整个场景设置的废弃；所有的材质和贴图也将可能在虚拟现实软件中重设。以Virtools为例，所有在Maya里的高级贴图将都无法导入，大量灯光设置丢失，只有灯光位置和强度被保留；摄影机动画会产生问题；对骨骼绑定和动画导入也将遇到重新设置等诸多麻烦。

3.3.2 寻找创作乐趣 Blender是一款不断发展着的应用软件，正如它的中译名“搅拌机”那样，它所提供的是目前同类软件都未曾有过的很强的集合功能。作为一款单一窗口的软件，Blender不仅具备了完善的建模工具流水线，动画角色骨骼工具，物理模拟引擎，材质贴图编辑器，可以控制纹理通道的节点编辑器，更集合了非线性编辑器和游戏引擎的能力，这使得Blender既能像Lightwave那样注重品质和特效的动画软件，也能使它有类似Maya和3DSMax那样的运动模拟和仿真能力，更重要的是Blender具备了初级的VR软件的能力。模型师，动画师，材质师和程序员再也不必为不同界面不同工具的导入导出和设置问题所烦恼，可以专心下来做真正重要的事情，那就是创作本身。

对本科阶段的学生而言，创作是课程上最大的乐趣，也是课程中比较核心的内容，工具和理论知识都可以在创作的过程中获得。这也是教学实验课程的核心目的。

3.3.3 创造多样性学习 数字媒体艺术专业的学生可以用一种全新的表达方式，使他们了解并掌握新的艺术表现形式；软件工程专业的学生更加有机会通过具体的需要来改造虚拟现实软件的各种功能从而测试并提高他们的能力。如果不是有这样一种可以贯穿所有知识类型的软件，学生很难将课程理论通过作品实践的方法便捷地综合并展示出来。不同学科的学生发挥各自的专长，通过合作，相互学习，带来更有深度的多样性学习，发挥出学生更好的创造力。

4 虚拟教学实验室必须选择注重开发的软件保持可持续发展

4.1 注重开发保持可持续发展 作为普通高校的虚拟教学实验室，同时也必须符合快速原型开发的各个条件，选择一款注重开发，保持可持续发展的软件很重要。Blender在GNU公共许可下已经发布并公开其源代码，成为世界上开发速度和更新速度最快的3D软件之一。

Blender有完善的API文档和大量的线上教程，以及无数分布在全球各地的程序员为之完善。从Graphicall.com上初步的统计每月windows平台上更新次数大于20次，很多核心的功能开发项目已经被“谷歌公司”列入Google Summer Of Code托管。这是个在世界范围内活跃的一款软件，具有相当潜力。

4.2 提倡开源互动学习 作为3D开源软件Blender积极创导技术共享与开发自由的新兴知识产权，在三维交互设计领域中也越来越多地被认识和应用，特别是Blender努力提出的互动学习模式——开放性社区的全民学习。

在Blender的社区里，你可获得大量丰富而全面的Blender免费教程和资源，使学习成为一种动力和享受，这里人人都可以是老师，参与讨论和提问、互相帮助、共同进步，一种真正的开源精神，尤其适用于高校。注重开发的Blender不但开源源代码，也同时把核心功能与核心知识一并开源了。学生通过这样的教学实验室的训练后，可以更自信地适应不同的商业软件进行自学，就业后对企业的培训也不会陌生。

5 结束语

信息技术的发展必将对高等教育带来革命性的变革，作为高校教育中不可或缺的一个环节，教学实验室也不例外，虚拟实验教学模式将成为未来实验教学的重要途径和方式。根据“技术设计为教学设计服务的原则”，基于Blender的虚拟现实教学实验室无论是提高学生制作3D兴趣和技能水平，还是今后的就业市场日益发展的需求前景，Blender作为三维交互设计不可或缺的工具，在高校教学实验中已日益重要。

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