基于3dMax与VRP技术的虚拟实验平台的设计与实现

张天云

摘要：本文以凸透镜成像实验为例，对实验内容进行了前期分析，设计了实验模块，利用3d Max与VRP完成实验器材的建模与三维实验场景的组合，采用VRP进行脚本与虚拟交互设计，开发了适用于初中物理的虚拟实验，并对该平台的具体实现过程进行了系统阐述。

关键词：3d Max；VRP；虚拟现实

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）09-0060-04

以3d Max和VRP为基础设计开发的虚拟物理实验，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，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，这种体验式学习更有助于学以致用。[1]

前期分析

凸透镜成像实验选自义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级上册，是光学的重要内容，又是初二物理知识的重点，本实验集物理现象、物理概念、物理规律于一体，涉及的物理名词有物距（u）、像距（v）、焦距（f）、实像和虚像等。教学目标表现如下，①知识与技能目标：理解凸透镜成像的规律；知道凸透镜的光心、焦点、焦距和主光轴；知道凸透镜所成像的正倒、大小、虚实与物距的关系；学会运用凸透镜成像规律解释一些简单的现象。②过程与方法目标：能在探究活动中初步获得提出问题的能力；通过探究活动，体验探究过程的全过程和方法；学习从物理现象中归纳科学规律的方法。③情感态度与价值观目标：培养对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理道理；初步建立将科学技术应用于实际的意识；培养认真严谨的科学态度及探究创造的心理品质。

技术分析

1.3D Studio Max

3D Studio Max（3ds Max或3d Max）是Discreet公司开发的基于计算机系统的三维动画渲染和制作软件。3d Max对PC系统的配置要求较低，并且安装插件就可以对功能进行扩充，同时具有强大的角色动画制作能力以及可堆叠的建模步骤，使得制作模型有非常大的弹性，所以被广泛应用于建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学等领域。笔者以上述的“凸透镜成像实验”为例，使用3d Max主要完成了实验器材的建模与三维实验场景的组合。

2.VR-Platform

VRP（Virtual Reality Platform，简称VR-Platform或VRP）即虚拟现实平台，是目前国内市场占有率较高的一款国产虚拟现实仿真平台软件。VRP脚本的中文化使用户比较容易编写脚本语言，同时它具有适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得等特征。使用VRP的前提是需要操作者有良好的3d Max建模和渲染基础，笔者在“凸透镜成像实验”中使用VRP主要用来进行交互设计，首先将3d Max中制作完成的“凸透镜成像”三维模型导入，再通过软件提供的相机、脚本等功能完成实验界面的制作及相关功能的实现并导出产品。

虚拟实验的功能模块设计

根据对实验目标与学习内容的分析，虚拟实验平台主要有以下六个功能模块：

①“实验帮助”模块：主要讲解软件使用方法、操作、快捷键及实验物品名称与特性等。

②“环视实验器材”模块：可以选择需要观察的实验器材，进行360度环视，观看器材的不同侧面。

③“实验条件”模块：设定实验的前提条件，根据该条件判断器材摆放位置是否正确并提供相对应的实验结果的反馈。

④“实验开始”模块：学习者在对器材认知的基础上，在该模块中根据要求利用鼠标进行实验，获得实验结果。

⑤“实验演示”模块：作为指导性模块存在，在该模块中按步骤播放完整的实验动画，清晰地展示实验现象和过程，指导学生完成正确操作。

⑥“退出实验”模块：关闭软件。

虚拟实验的开发流程

1.建立三维场景

（1）创建三维模型并赋予材质

在凸透鏡成像实验中，需要创建的三维模型主要有凸透镜模型、蜡烛模型、光具座模型、刻度尺模型、光屏模型和火柴模型，建模图示以凸透镜为例，如图1所示。

接下来需要为建立的模型贴图，不同模型表面的材质各异，需要根据实际物体为其赋予不同材质，以蜡烛模型为例，除了需要在材质编辑器中为其赋予特定的材质外，最重要的是在“材质/贴图浏览器”中设置“光线跟踪”效果，在“光线跟踪”基本参数的卷展栏中，设置“漫反射”的颜色为白色，在调整“高光级别”与“光泽度”的同时设置“特殊效果”选项区域中的“附加光”“半透明”“荧光”选项的颜色，完成后蜡烛模型与实物相近，视觉上比较真实。

（2）组合三维实验场景

实验仪器模型建模后需要将其整合为完整的实验场景，以便导入VRP中，整合操作过程如下：

①选择其中一个文件为主文件，然后单击开头图标选中“导入”选项。

②在“合并文件”窗口中，选择需合并的文件，在下一个窗口中，单击“全部”按钮，合并所有内容，单击“确定”完成合并。

③将文件合并到同一个场景中后，使用“移动”“旋转”等工具调整每个模型的大小、位置，使它们符合实验的科学性摆放。

④重复上两步，整合全部模型为一个整体，最终凸透镜成像实验的三维模型场景如图2所示。

2.制作实验动画

凸透镜成像实验演示动画是通过创建关键帧动画来实现的，制作步骤为：

①单击右下方“时间配置”按钮，将结束时间改为800。

②选中蜡烛物体，单击下方的“设置关键点”按钮，再单击“关键帧记录”按钮，把时间轴光标移动到100帧处，选中蜡烛的Y轴平行移动到指定位置，再次单击“关键帧记录”按钮。

③选中光屏参照步骤②来进行，此时是从100帧开始设置关键点。

④继续分别制作蜡烛和光屏移动的效果。

动画需要呈现的实验条件与现象为：当u>2f，f2f时，光屏成像为倒立的放大的实像（如图4）；当uf时，光屏成像为正立的放大的虚像，物像同侧（如图5）。

3.将实验场景导入VRP编辑器

以上步骤完成后，需要将场景模型导入虚拟现实平台VRP编辑器中。在3d Max2010中，单击右侧属性栏“工具”选项卡中的“VRPlatform”按钮，向下拖动面板，勾选“全部”，单击“调入VRP编辑器”按钮，在弹出的窗口中单击“保存场景”按钮将其导入VRP编辑器中，若不确定导出场景效果，可以先单击“快速预览”按钮确认效果无误后，再调入VRP中，并保存该场景。

4.虚拟实验界面的制作及交互功能的实现

（1）界面规划

将所需场景模型导入VRP后便可以開始制作整个平台的实验界面。

①处理图片。在Photoshop软件中进行图片处理，将实验界面所需菜单栏、按钮和标题的图片进行设计并保存。

②在VRP中创建图片。在VRP编辑器中选择“编辑界面”，单击“创建新面板”，选择图片，完成图片名称的修改，依次将做好的图片放到相应位置。

③创建按钮。选择VRP中“编辑界面”，单击“创建新面板”，选择所需按钮并调整布局。在右侧属性面板“透明”下，选择“整体透明”，透明度设为1，注意不可设为0，否则按钮无法触发。根据以上步骤规划实验界面整体布局，如图6所示。

（2）脚本设计

界面完善后，使用脚本语言来实现平台的交互功能，交互按钮主要包括实验演示、实验帮助、实验开始、退出实验、环视实验器材与实验条件，以“实验演示”按钮交互为例，设计如图7所示，主要按钮脚本如下表所示。

f2f按钮及uf按钮的脚本与u>2f，f

5.发布实验文件

VRP的发布输出非常方便、灵活。制作者可以选择编译独立执行的Exe文件，方法是在弹出的窗口中设置存储路径、图表及填写版权公司等信息后进行编译即可生成Exe文件。如果需要进行互联网在线浏览，则只需要输出可网络发布的Vipie文件即可，并确定存储路径进行发布。

结语

虚拟实验的发展能够解决传统实验教学存在的实验设备不全、实验环境受限、实验过程缺乏创造性等问题，其仿真性和丰富的交互性为学生提供了主动探究的环境，为培养和提高学生动手实践能力、研究能力、创新意识等综合科学素质提供了较好的路径。

参考文献：

[1]教育部.教育信息化十年发展规划（2011-2020年）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/.

[2]2016新媒体联盟中国基础教育技术展望[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/16/0116/19/29939622_528441188.shtml.

基金项目：山西省教育科学指令课题“基于虚拟现实技术的中学物理实验探究性教学仿真平台的研究与实现”，项目编号：ZL-13020；山西省“十二五”规划课题“三维虚拟环境下教学模式研究”，项目编号：GH-12063。