基于三维图像技术的多媒体交互实验教学场景创设

张文达

(南京森林警察学院，江苏 南京 210046)

1 引言

由于现代越来越先进的电子科技水平，人们在网络上可进行的活动不断得到扩充，例如可以在网络上进行远程教育操作[1-2]。基于三维图像技术的多媒体交互虚拟实验系统实质属于仿真系统，该系统以面向对象技术、三维动画制作技术为基础[3]。在远程教学中使用虚拟实验，其优点是可以跨越时间和空间的限制，节约了实验操作的花费，可避免因实验操作不当所引起的教学事故等。由于现在远程教学中使用虚拟系统的研究还处于开发状态，所以在其交互性、真实性和实际教学效果等多重感官上还存在一定差距，实际教学实际需求无法满足，Web3D技术的产生解决了这些问题[4]。本文基于三维图像技术，对多媒体交互实验教学场景的创设进行了研究。

2 多媒体三维虚拟实验系统设计

图1为多媒体三维虚拟实验系统设计方案，在设计中，涉及到动画制作、三维建模、多媒体编程等技术，实现虚拟实验系统的方法为：进行实验内容的确定、实验三维模型的建立、实验器件及模型的设计、界面设计、程序代码的添加、仪器控件的制作、进行虚拟实验、验证数据准确性的调试与修改、实验系统的调整。

图1 系统设计方案

3 仿真实验开发工具

3.1 Unity3D游戏引擎

本研究虚拟仿真实验的开发工具主要为Unity3D游戏引擎，Unity3D具有强大的交互性能、良好的虚拟现实表现能力、同多载体良好的兼容能力，在教育教学领域，应用Unity3D完全能够开发出具有极高的交互性和真实性以及可操控性能好的虚拟系统，利用在远程教育上可以使用户体验极高的教学效果[5]。

3.2 Mono Develop脚本编辑器

在本实验研究中采用的脚本编辑器具有极大的自由性，由于这是一个开放源代码集成的、跨多平台的开发环境，所以无论是个人还是公司企业都可以对其进行操作，具有极大的自由性，可以在多种环境下进行操作。Mono Develop整合了许多Microsoft Visual Studio和Eclipse的特性。该编辑器跨平台功能强大，使用十分方便，Unity公司将其作为核心脚本开发环境进行使用。

3.3 三维建模软件

本研究中使用到的三维建模软件是由Autodesk公司所推出的一款建模软件，该公司是在PC的基础上，完美继承了三维动画的编辑功能、制作功能、播放功能，并且还和渲染软件、三维建模等等共同结合创造除了3DS Max。3DS Max软件的优势在于其是结合了三维动画功能、渲染功能和三维建模功能等多重功能的软件，一款软件多重功能，性价比更高；也更加便于操作，无论是公司企业还是个人选择，无疑是头号之选。

3.4 图片绘制工具

而其在处理图像的时候，主要的对象是基于像素所形成的数字图像。由于该图像处理软件的功能和性价比等都十分卓越，深受人们喜爱，特别是一些需要对成像进行处理的行业，例如艺术设计、美术制图、网页的制作上面都有着Photoshop软件的踪迹。而在本实验的操作中，对于Photoshop应用大多还是以制图和计算机美术等为主，对于虚拟仿真试验系统的进行绘图和贴图。

3.5 视频编辑处理软件

在本研究的仿真实验中，使用的实验视频为Premiere视频编辑处理软件，对于该视频编辑处理软件的应用环节还是在后期的编辑和操作等等，对于视频进行后期修改处理。而Premiere也是Adobe公司所开发的产品，是一款常用的视频编辑处理软件，其优点是高效、易学、兼容性强。

4 虚拟仿真实验的实现

在进行虚拟实验的开发时，其流程主要包括三个阶段，用VIRTOOLS进行交互控制和数据处理；用3DMAX构建实验场景和三维模型；最后以网页形式或可执行文件输出。图2为虚拟实验开发的流程图。

图2 虚拟实验开发的流程图

4.1 三维模型的创建

在虚拟仿真实验中，三维模型是采用3DS Max软件进行制作。3DS Max的建模的包括实验桌、实验室、画像框、垃圾筐以及一系列在实验中所涉及到的实验仪器等等；而在Unity3D的建模操作过程中，主要创造对象是在平抛运动中中用到的细线、小球以及在平抛运动中涉及到的辅助器械等等。而其他的三维物体的创建基本是可以直接利用Unity3D中资源库的模型，从而创建花草和树木等一系列自然景观。

4.2 绘制贴图

在本文的虚拟仿真试验研究中，需要利用到贴图软件的部分主要是以下这三种：第一是系统操作界面图形图像；第二种是各类材质贴图，包括参考方格表和实验仪器上测量刻度表等；第三种是实验教学和实验中有关的文字说明和图像说明等，例如平抛运动过程中小球经历了平抛运动后的运动轨迹可以在图中显示出来。可利用该表分析小球运动。在3DS Max中，在前视窗口达到最大化的时候，可以同时按下PrintScreen键和Alt键，从而进行视频截图功能，可以得到该刻度表的平面尺寸图。图3为图案贴图中的画笔。

图3 图案贴图中的画笔

4.3 使用Unity3D进行工作

三维游戏引擎Unity3D是本研究虚拟仿真实验的主要整合工具和开发工具。在制作完成所有贴图和模型后，将其导入Unity3D中，然后进行后续工作。将模型从3DS Max中导出，使其成为FBX类型的文件。与Unity3D相比，FBX类型的三维模型较为适合，系统能对其进行很好的识别。在Unity3D中，导入所有素材资源，就可以在系统内部进行自动识别分类储存。首先创设的是实验环境和场景，在场景中，最先一步的就是创建一个平行光，这样一来就可以模拟太阳光线从而照亮整个场景。通过鼠标操作，一一点击选择后将实验所需和涉及到的实验仪器和设备等都选入场景中，例如实验桌、实验室、画像框、垃圾筐以及一系列在实验中所涉及到的实验仪器等。根据真实情况将各自位置调整好，并将实验室环境布置好。在实验室天花板下，进行四个点光源的设置，从而用于模拟实验室内部的光照设备。当实验室场景中的仪器设备和光照设施等都完成了之后，就可以打开投影功能，从而增强场景的仿真效果。

5 实验视频

通过实验视频的拍摄与应用，可以有效地帮助受教育者对于实验的操作步骤进行学习。当受教育者对于实验中的操作步骤或原理等有不理解的地方，可以通过反复的观看实验视频，从而解决困惑，增强学习效果。与传统视频系统相比，三维模拟实验视频系统有其特别之处，对于实验教学特别适合。

5.1 录制实验视频

对于实验视频内容的主体是实验的全部操作步骤，将其完全拍摄下后，并将视频中使用的解说词定下。一个实验学习者需要从不同角度观察，因此使用两个机位进行拍摄，且全部为主要镜头机位。例如在平抛运动中，主要是分析小球在运动过程中，水平方向和垂直方向运动的关系，由于小球在进行平抛运动，如果只是在小球的前方设置一个摄影机，虽然可以观看到小球的位置关系，但对于学习者来说，从肉眼看，两个小球在抛出之后是属于同一水平线的，无法去判断其在垂直方向上的运动轨迹，所以适当的增加一个机位可以更好的突出小球轨迹，证明自由落体和平抛运动分运动的等时性，更加方便理解和学习。

5.2 编辑处理实验视频

对于视频的后期编辑操作主要使用的是Premiere软件，Premiere软件对于视频的处理功能主要是视频的剪裁、插入图片对视频中的瑕疵进行修补、采用调整文件Alpha值在视频衔接处制作淡入淡出效果、将原有音频文件移除、对小段视频持续速度进行修改获得慢镜头效果、对实验中用到的辅助图形进行绘制、进行字幕文件的制作等。在Premiere中，使用Adobe Media Encoder软件将视频导出，其格式为AVI。因后期编辑设置、摄像机硬件设备、AVI格式文件等，造成AVI输出文件非常庞大。因而在后续工作中，要在Unity3D中导入视频文件，并通过对视频格式进行转换，使AVI视音频文件转化成MP4格式。

5.3 在Unity3D中视频导入并播放

在Unity3D中，在导入视频文件时，可把视频文件直接拖动，然后使用菜单命令或放入工程一栏中导入。在成功导入视频文件后，会显示其自带的音频文件。在Unity3D中，若要播放视频，就需要重新对于该视频文件对象物体的新建，即在场景中创建一个新的物体用于导入视频的播放，需要播放该视频时就调用新建物体。图4为仿真实验中平抛运动实验视频图。

图4 平抛运动实验视频

6 结语

本文基于三维图像技术，对多媒体交互实验教学场景的创设进行了研究。利用Unity3D搭建了虚拟实验室，营造了一个充满真实感、新颖的，使学习者处于临其境的学习环境。三维模型采用3DS Max软件进行制作，通过将AVI文件转成MP4格式，使原来6.8 GB的AVI格式文件经过转换后形成仅有40.5 MB的文件，且视频质量良好的。模拟实验作品通过Unity3D可发布为多种媒体格式，这是传统虚拟实验系统所难以实现的。