基于三维虚拟技术运用案例探讨

彭 瑾，刘 柱

(1.贵州师范大学 文学院，贵州 贵阳 550001；2.贵州师范大学 音乐学院，贵州 贵阳 550001)



基于三维虚拟技术运用案例探讨

彭 瑾1，刘 柱2

(1.贵州师范大学 文学院，贵州 贵阳 550001；2.贵州师范大学 音乐学院，贵州 贵阳 550001)

三维虚拟技术是一门综合了计算机三维技术、计算机平面技术、计算机图形学、计算机编程、视音频处理、网络技术等多门学科的新兴技术，将三维虚拟技术运用于科普教育，是有限条件下对教育资源的极大补充。由于三维数据的有效信息量明显高于二维，使得利用三维虚拟技术制作的教学模型更能加深观众的记忆。基于三维虚拟技术运用案例—纪录片《认识交响乐队》的制作是虚拟技术在艺术、科普教育方面的成功案例，对普及青少年交响乐知识、文化大繁荣将起到积极的推动作用。

三维虚拟；虚拟现实；文化产业

人才是中国实施文化强国战略的重要资源。作为精英人才聚集的高校，学生的综合素质决定了一个国家的文化竞争力，高校的文化建设是实现社会主义文化大繁荣不可或缺的部分。由于高校承担着人才培养、知识创新和教学科研的社会职能，它必须与前沿文化信息和科研项目紧密接轨，吸收、借鉴、整合不同的文化，再加以提炼。

随着信息技术和多媒体技术的发展，网络的全面覆盖和智能手机的推广把人们卷入了“信息社会”。互联网上广泛传播的大量信息为高校带来了前所未有的广阔视域，极大冲击了传统教学方式，另一方面，教学方法虽然发生了变革，却未完全从传统思维和固有工作惯性中解脱出来[1]。在当前背景下，要想让高校始终维持培育前沿精英人才的职能，将文化科普持续、大范围辐射到全国各地，最好的方法便是将传统的教学方法、知识科普与现代化高科技手段结合起来，让科学技术与思想传播进行深度融合。

1 背景

中国对科普教育工作和文化产业的投入呈现出一种发展不均的状态。与西方发达国家相比，欧美国家政府早在数十年前便投入数百万数千万资金制定了相当规模的科普项目资助计划，此外，民间也有专人运营着大量专业科普团体。反观中国，科普教育工作不仅投入时间相对较晚，资源也大多集中在发达地区。与东部发达地区相比，地理位置不沿江、不沿海、不沿边的贵州省，在科普教育和文化产业方面得到的资源相对较少。

地理上的封闭造成了贵州省文化产业发展基础薄弱，观念较为落后。资金、体制和实验教学方法的跟不上导致了贵州省高校教学与一线城市高校教学的差距，高校教师和科普工作者不得不加倍依靠网络和书本，使用间接的方式传授知识；或是取消实践部分，从而导致理论与实践的脱节。

长此以往，人才培养的良莠不齐将制约贵州省的经济发展。由于全国产能过剩，贵州省传统的煤炭业和酒业随着市场需求的变化正在逐步萎缩，地理偏远与人均GDP偏低的现状决定了贵州省在产业转型的道路上，不能走先污染后治理的路子。因此，文化大繁荣成为了经济转型面临的必然选择。2014年，贵州省抓住了第四次产业革命的机会，具有前瞻性的指向了兼环保与先进科学于一体的新型产业“大数据”，并启动了一系列与大数据相关的合作协议。在全省经济面临全面转型的时刻，贵州省高校需要逐渐夯实相对薄弱的文化产业发展基础，在“先天不足”的情况下找到一条适合人才培养质量的道路。

三维虚拟技术，便是一件可以弥补资金、资源先天不足的“利器”。

三维虚拟技术是一门综合了计算机三维技术、计算机平面技术、计算机图形学、计算机编程、视音频处理、网络技术等多门学科的新兴技术，其含义是人们通过三维技术来实现对事物的全面了解。具体来说，便是在平面上通过三维实现对人们的生活空间、物质形态、自然或人为造成的某些现象的再现。由于这种再现酷似真实场景，故被命名为“虚拟现实”(Virtual reality)。

三维虚拟技术只需数台高配置电脑便可完成建模、渲染、输出和修改。在物资和师资条件不足的地区，一些因条件受限无法完成的事物可以借由三维技术得以再现，利用这一技术将事物“虚拟再现”后便可以把对环境设施和物资购买维护的要求降低到电脑配置上，大大降低现实生活中对实体物品的购买成本、维修成本和使用周期[2]。

此外，三维虚拟技术非常适用于自主学习，只需一台播放设备便可播放影像，完成大众传播。它可以让新兴产业与世界前沿科技更快接轨，并填补传统文化产业的薄弱部分，成为大数据建设的中坚力量。透过三维虚拟技术的再现功能，不仅能使精英人才的培养将变得更加容易，还能让文化科普辐射到更多人，有利于文化产业的后续发展。

2 三维技术

19世纪末到20世纪是影像技术发展的黄金时期。研究表明，比起单纯的文字(Word)，影像(Image)可以让知识点更直观、更深刻的被人的大脑记忆。传统的信息展示通常由文字与二维图形共同组成，有时会配上相应的声音。二维图形的表达方式主要以静态图片输出为主，因其单一的表达方式单一和单视点的表现状况，无论是空间感还是信息展示方面，都有许多不足之处。以往高校课堂教学中多用PPT形式串联文字、二维图形与少部分视频影片进行知识点的传授，这一手法相对滞后，尤其是在艺术教育的领域，单纯的文配图不足以提高教学质量[3]。相比之下，三维图形则是由长、宽、高三个维度构成的空间，比起二维图形信息量更大。

三维建模虚拟影像技术早在上世纪便已出现。1936年，人们利用双镜头摄影机和偏振片便可实现具有立体效果的影片；1995年的动画电影《玩具总动员》是三维影像技术大范围运用于影视作品、动画片和建筑图示的开始；2009年后，电影《阿凡达》的上映，更是带动了IMAX三维技术在影视中的广泛使用。如今，三维技术已大量运用在教学、科研和科普活动中。通过文字与图像、影片、三维动画结合来传授知识已成为常规教学手段。

三维虚拟技术具有很强的表现力。无论是影视作品中出现的虚拟世界，建筑图示中的3D效果图，还是影视作品中以假乱真的建模，它们都是典型的三维虚拟技术表现手法。这种方法突破了时间与空间的限制，除了能完成物品的建模、渲染，以及实验的原理演示和操作过程，让观众从感官上增加了认知程度，极大扩展了使用空间。

熟知，利用三维绘图软件进行的创作有着广泛的应用范围：影视包装、影视特效、游戏美工、游戏特效、家装范例、建筑图示，以及多媒体教学等。3DSMAX和MAYA是目前世界上应用最广泛的三维建模、动画、渲染软件[4]。通过3DSMAX和MAYA，用户可以制作出高质量的动画、游戏、建筑图示、实验和影视特效，突破时空与现实的限制，让三维立体动画再现人们需要的微观世界和宏观世界、模拟复杂的工艺过程。

3 基于三维虚拟技术运用—纪录片《认识交响乐队》

三维虚拟技术在商业领域的运用已是百花齐放，在科普教育方面则相对较少。影院上映的三维动画片多偏重于商业，较少有科教题材。从科普教育类影视纪录片来看，对于大部分成体系的、复杂的知识，其宣传影片多为实际拍摄，只有少部分作品会采用大量三维动画，用于片头片尾包装的范例反而更普遍。并且，三维动画的部分更多由动画专业制作人员进行创作，由于专业的受限，这些三维动画多偏重于技术和商业效应，在系统学习的逻辑上则较为欠缺。

纪录片《认识交响乐队》是贵州省高校结合传统专业知识科普与三维虚拟技术的一次尝试。影片以专业的音乐知识科普为基础，以著名音乐家本杰明·布里顿的科普向管弦乐作品《青少年管弦乐队指南》为线索，通过70%三维动画与30%影像实拍的结合，系统地介绍了西方交响乐队中每一种乐器的构造、音色、演奏方式和在交响乐队中所起的作用。

传统的音乐教学方式有如下几种：

1)现场科普教学：这种教学通常发生在音乐学院或音乐厅。由专业相关人员在现场演奏交响乐队的每件乐器，并进行专门讲解。这种讲解非常直观，却涉及大量的人力、物力、时间与资金的投入，在文化产业刚开始起步的贵州省，人们想要听一场交响乐甚至要前往一线城市。因此，这种科普仅适用于音乐学院的专业课，对于普通大众而言，不算实用。

2)文字解说配备二维图示：由大量文字配上对应的二维图片来完成每个知识点的解说，乐器本身的音色和演奏片段则附带在随书光盘内。这种方式降低了了解交响乐队的门槛，仅一台电脑便可获取知识。然而，限于篇幅，大篇解说文字往往只能配一张或几张静态图片，无法了解乐器全貌，音乐还需插入光盘自行调用，相对麻烦。

3)教学光盘：目前已知对乐器进行科普的光盘有英国教育软件《Britannica Discovery Library》。这一系列面向青少年的光盘内覆盖了所有交响乐队中使用到的乐器图片、简介与音色。声画结合，内容直观。缺点：由于版权问题，此光盘在贵州省的普及率并不高。2D图像的外表也趋于静止，略显呆板。

4)音乐宣传片：英国的BBC电视台在2011年曾制作过四集纪录片《交响乐》，该影片的侧重点在于交响乐发展史，对于交响乐队乐器的介绍相对空白。此外，只有英国国家爱乐乐团在Youtube上传的一系列乐器演奏简介视频，由于网络限制，中国观众无法在本国收看到此视频。

在此前提下，《认识交响乐队》则是一次结合了三维动画技术、影像实际拍摄与知识点建构科普的范例。

全片分为五个部分。

第一部分：由交响乐的简史切入主题，主持人带领观众步入交响乐队的舞台。接着，利用3DSMAX和MAYA对交响乐队演出的舞台进行带运动镜头的全方位模拟：其中包括舞台构造、舞台灯光、交响乐队的站位、每种乐器在交响乐队中占据的数量和每种乐器的分类。这组动画镜头系统、清晰地还原了交响乐演出时的乐器位置，在舞台上区分了弦乐组、木管乐组、铜管乐组和打击乐组。

第二部分：根据分类顺序，从现场演奏视频切入弦乐组乐器的介绍，将弦乐组的四种乐器进行全貌和细节的建模、渲染、输出，并结合实拍镜头与资料镜头，让观众了解四种乐器的大小对比、音色差异和细节差别。完成知识科普后，再辅以经典电影和现场演奏的镜头让观众感受每种乐器独奏的魅力。

第三部分：通过资料镜头切入管乐组乐器的介绍，分别对木管乐组和铜管乐组所有乐器进行全貌和细节的建模、渲染、输出，并利用三维技术再现了部分乐器演奏的细节。这一过程同样与实拍镜头、资料镜头交叉剪辑，在传递知识的过程中，尽量让观众的观影兴趣点保持起伏状态。

第四部分：利用实拍镜头切入打击乐器的介绍，将管弦乐队中涉及的所有打击乐器进行建模、渲染、输出。再与实拍镜头交叉剪辑，介绍了打击乐器的节奏、音色和在乐队中所起作用。

第五部分：当所有乐器的介绍完成后，再让它们重新出现在同一舞台上，让所有音色交织作用，带领观众欣赏完整的交响乐，以感受交响乐带来的美丽，为影片收尾。

在影片的制作过程中，制作者不仅组建拍摄团队，奔赴贵阳六中对贵阳市青少年管弦乐队进行了实际拍摄，还利用三维动画软件3DSMAX和MAYA，通过建模、渲染和输出，从整体到细节再现了交响乐队中每一种乐器的全貌、构造和功能能，并部分模拟了乐器演奏细节。

在3D建模的过程中，需要对乐器的材质、渲染的方式以及参数进行不断的调节，以达到较好的显示效果[5]。例如，在渲染圆号的过程中，首先要对圆号的物理材质进行分析。真实世界里的圆号多是黄铜色抛光金属材质，在灯光照射下呈现高光色泽，如图1所示。在3DSMAX中完成基础建模之后，得到是不具备金属材质显示效果的模型，如图2所示。

图2 圆号基础模型Fig.2 French horn base model

通过对图2中的模型进行材质设置，主要从高光光泽反射率、菲涅尔反射率对材质进行设置，设置配置如图3所示。随后得到未渲染的、带金属材质的模型，如图4所示。

图3 金属材质配置图Fig.3 Arrangement drawing of Metal effect

图4 带金属材质未渲染圆号模型Fig.4 Renderless French horn model with metal effect

由于金属在反光过程中，不只有高亮光泽与真实的金属色泽，还带有外环境的影像，因此，设置材料时还要在反射图中加入适当的背景图像以凸显真实感。最后经过使用发光图以及灯光缓存的渲染方法，得到最终的圆号效果图，如图5所示。

图5 最终渲染的圆号效果图Fig.5 Final rendered French horn model

占全片70%镜头的三维动画与占30%镜头的乐器演奏实拍镜头，再与交响乐队影像资料通过剪辑软件Adobe Premiere相互结合，经调色软件Davinci Resolve加以调色，从声、画和虚拟体验方面极大丰富了观众的认识和感观，拓展了观众接收知识的来源。此外，影片的编剧、分镜皆由高校专业教师完成，整个团队对于制作方向与制作目的的良好沟通保证了影片细节的专业性。影片完成后，制作者在贵州师范大学多功能播放厅进行过三场点映，从三场点映后的调查看来，即使是音乐的知识外在观赏影片后，也都能学习并记住交响乐队乐器的相关知识。

三维虚拟技术运用—纪录片《认识交响乐队》，充分说明了三维虚拟技术在艺术教育方面的可操作性。倘若将此技术扩展到其余领域：教学、科普、甚至实验模拟……都可以帮助条件不足又需要获取知识的人更直观、更系统、更精确的了解相关知识，长此以往，贵州省的文化产业基础可以得到更加巩固。

4 结束语

科普教育是贵州省、乃至中国实施文化产业转型的关键，三维虚拟技术的运用则是在有限条件下对教育资源的极大补充。由于三维数据的有效信息量明显高于二维，使得利用三维虚拟技术制作的教学模型更能加深观众的记忆，起到了高等教育特有的作用，从而更好地辅助了高校教育的职能、辅助了贵州省大数据的建设，将文化科普和文化辐射扩散到生活中的每一个角落。

[1] 赵士滨，吴秋峰.虚拟现实技术进入高校实验教学的研究[J].教育发展研究，2000(8):77-79.

[2] 杨尧.三维技术在众多领域中的运用[J].大众文艺(学术版),2010(22):83-83.

[3] 蔡桂珍.新时期高校校园文化建设研究[D/OL].福州：福建师范大学，2013.[2016-02-10]http://www.cnki.net/KCMS/detail/detailall.aspx?filename=10133

08545.nh&dbcode=CDFD&dbname=CDFD1214.

[4] 李鸿.3DSMAX建模技术分析[J].邢台学院学报,2009,24(4):106-107.

[5] YAO W L,LIU Y,LI F H,et al."Research on Marine Incinerator Operational Training System based on 3dsmax and Unity3D." In Proceedings of the 2015 International Conference on Network and Information Systems for Computers (ICNISC)[C].IEEE Computer Society,2015：488-491.

A study case of virtual three-dimensional technology application

PENG Jin1,LIU Zhu2

(1.School of Arts, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China；2.School of Music, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China)

3D virtual technology is the integrated technology which is consisted of 3D, computer graphics, graphic design, programming, video and audio signal processing, and networking technology etc. This technology is applied to popularize science education, which can be a great supplement to limited education resources. Normally available information from 3D is larger than from 2D, which leads to easy impressing the education model made by 3D virtual technology on learners. The documentary called “Introduce Symphony” produced by 3D virtual technology is a successful case of applying virtual technology into art and science popularization education. This case can positively push the young to know symphony and make art prosperity.

3D virtual; virtual reality; cultural industry

1004—5570(2016)06-0104-05

2016-08-25

贵州省软科学研究项目“贵州文化大繁荣建设新模式研究：基于三维虚拟技术运用的案例”(项目编号：黔科合体R字[2013]2030)

彭 瑾(1986-)，女，硕士，讲师，研究方向：电影学，E-mail：411324377@qq.com.

TP391

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