《摄影技术》网络虚拟实验平台的设计与开发

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摘 要： 文章借助Autodesk公司的3Ds max软件及中视典公司的VR-Platform平台，对《摄影技术》实验进行了虚拟仿真，目的是解决摄影设备昂贵、实验时间不足、实验场地受限制等问题。

关键词： 虚拟实验平台 摄影技术 VR-Platform

1.研究背景和意义

目前，高校很多专业都开设了《摄影技术》课程，《摄影技术》是一门技术性和艺术性相结合的课程[1]。高校的教育技术学专业、旅游专业、新闻传播专业、艺术设计学等专业都将摄影技术作为专业必修课程开设。然而，很多院校都不顾自身条件，在教学仪器设备等硬件设施还不完备的情况下纷纷开设此专业[2]。随着数码产品的普及，涌现越来越多的摄影爱好者。摄影技术的学习不仅是学校学生的任务，而且成为社会业余人士的需求。对部分高校的摄影技术课程教学情况进行调查，发现存在摄影教学资源紧缺、教学形式单调、摄影实验使用的设备过时等问题。将虚拟现实技术引入摄影技术的资源建设中，使摄影技术的学习环境具有三维沉浸感，学生可以大大提高摄影技术的学习效率。同时通过Web3D技术将资源以网络的形式，进行网络化学习，为更多的学生进行自主学习提供便利，同时还可以弥补网络上摄影技术相关资源的不足。

2.实验平台的框架模块设计

《摄影技术》网络虚拟实验平台是将虚拟实验成网页形式并通过网站开发技术整合成的网络平台，主要由虚拟实验部分和实验教学辅助模块两大部分组成。该平台细分为七个模块，分别是虚拟实验模块、相机模型库模块、学习资源模块、作品欣赏模块、课间休息模块、讨论交流模块和使用帮助模块。平台的主要功能模块如图所示。

（1）虚拟实验模块

虚拟实验模块是本平台最重要的模块，由实验说明和实验列表组成。本模块展示了《摄影技术》课程主要的六个虚拟实验，分别是：实验一：相机成像原理――针孔成像；实验二：数码相机结构认识；实验三：摄像机结构认识；实验四：焦距调节实验；实验五：光圈快门调节实验；实验六：校园漫游拍摄。

（2）相机模型库模块

相机模型库模块是根据《摄影技术》这门课的特征，为改善实验教学条件的不足而设计的。通过创建相机模型库，将最新的相机、摄像机进行分类入库，并整合到平台中可以有效地解决实验设备不足的问题。相机模型库模块呈现三维相机模型和相机性能参数。学习者在相机模型库中可以任意选择一款自己感兴趣的相机通过鼠标操纵对相机进行全空间观摩，同时还可以查看该款相机的性能参数。

（3）学习资源模块

学习资源模块由百度搜索、参考书目、友情链接组成。参考书目部分列出摄影技术相关教材，以及其他补充性教材。友情链接栏目链接一些摄影技术专题学习网站，以及摄影相关网络资源。

（4）作品欣赏模块

作品欣赏模块主要分为名家作品和学生作品。让学习者在欣赏大师作品的同时，对自己的作品进行评价反思。

（5）课间休息模块

课间休息模块由摄影常识和知识问答小游戏组成。摄影小常识模块主要为学习者提供一些摄影方面的常识，包括相机选购的注意事项、相机维护小常识、摄影技巧和摄影名家生平等；知识问答小游戏模块是对学习者学习效果的一种考查。

（6）讨论交流模块

讨论交流模块由教师信箱和BBS论坛组成，教师信箱用于学习者提交实验报告或者向教师咨询问题；BBS论坛可以让所有学习者在论坛里畅所欲言，交流心得。讨论交流模块进一步增强了整个平台的交互性。

（7）使用帮助模块

使用帮助模块包括系统使用说明和系统常见问题。

3.《摄影技术》网络虚拟实验平台的构建

（1）实验场景模型的创建

实验二和实验三分别是关于数码照相机和数码摄像机的结构认识实验，分别以Panasonic DMC-L1K单反数码相机和Panasonic VX7摄像机为例进行实验。与产品效果图模型创建不同，这里创建的数码照相机和摄像机模型还需要进行交互功能的开发。在创建数码照相机和摄像机模型时，需要注意三点：①照相机和摄像机的零部件需要单独创建。单独创建的部件方便对零部件进行交互功能的开发，每个零部件按真实名称命名，方便进行交互功能开发时查找。②零部件采用多边形建模的方式进行建模。多边形物体的部件模型方便材质贴图的添加，通过为多边形模型不同面指定不同ID号，为不同ID号的模型面赋予不同材质贴图的方法，可以解决一个物体模型需要赋予多个材质贴图的问题。③按模型优化的原则进行建模。面数太多的模型会影响模型加载时间和运行速度。创建模型时，尽量使用最少的面创建最为真实的模型。运用删掉看不见的面等方法可以实现模型的优化。创建的虚拟数码相机和摄像机的模型如图1和图2所示。

（2）模型的优化

虚拟现实场景模型的优化对最终平台的演示速度影响很大。导入VRP编辑器之前需要对模型进行优化，以方便后期使用。对创建的数码相机、摄像机、多媒体教室、虚拟校园等模型进行优化时，应遵循的原则有：①尽量做简模，控制模型面数。在VRP中运行时的每一帧都是通过显卡和CPU计算出来的，高精度模型、面数多的模型都会导致运行速度下降，甚至没法运行，如果面数过多，则导致文件容量增大，还可能在网络后导致下载时间增加。尽量做简模，可以减少场景的面数，提高贴图的利用率，提高交互场景的运行效率。②模型数量不宜过多。模型数量过多，不仅会增加场景模型总面数，而且会增加烘焙时间，为后续工作带来麻烦，还会降低运行速度。③模型的三角面尽量是等边三角形。由等边三角形构成的曲面会更加光滑，面不宜是矩形，因为由矩形构成的面可能会出现锯齿、纹理模糊等现象，还不利于实时渲染。

（3）实验场景的烘焙

对场景进行烘焙是在3ds max软件中进行的，在3ds max软件中创建完实验场景模型，赋上材质贴图，添加灯光测试渲染效果满意之后，下一步的操作就是对整个场景进行烘焙。所谓烘焙，是指将3ds max里的灯光效果通过特殊的渲染操作之后，以贴图的方式导入到VRP编辑器中，从而得到一个具有真实光影效果的虚拟现实场景的一个过程。烘焙贴图大小对渲染的画质优劣有着直接的影响，设置的贴图尺寸大，烘焙渲染的纹理就更加清晰，画质就会更好。但是过大的尺寸贴图，会导致渲染速度变慢，对于复杂的场景，可能会导致内存不足的错误出现。选择合适贴图尺寸，需要依情况而定。

（4）实验项目的交互开发

VRP编辑器提供了较为强大的交互开发功能。可以对两种对象进行交互功能的开发，分别是三维模型和界面上的设计元素（按钮、面板、控件、窗口）。VRP编辑器对三维模型支持两种事件类型交互，分别是鼠标事件和距离触发事件，对各种设计元素只支持鼠标事件的交互。本课题中只采用了鼠标事件的交互类型。对六个虚拟实验涉及的交互进行归纳，主要有以下四个方面的交互：

①相机控制交互

相机控制交互是本课题虚拟实验最常见的一种交互，即通过单击按钮实现场景摄像机的摇移或者不同摄像机的切换。本课题中涉及相机控制交互的地方较多，主要有以下几处：单击实验界面右下角的八个视图控制按钮，场景摄像机会进行上移、下移、左移、右移、前进、后前、左转、右转的操作；单击实验一实验面板中的“步行”按钮和“动画”按钮，场景会切换成步行相机和动画相机；单击实验二和实验三实验面板中“顶视图”、“前视图”、“后视图”三个按钮，可以将场景的摄影机切换成对应视角的摄像机，实现对相机或摄像机模型从各个不同角度进行观摩；单击实验四实验面板中的“28mm焦距”、“35mm焦距”、“50mm焦距”、“135mm焦距”四个按钮，场景摄像机会切换成对应焦距的摄像机。

②单击按钮打开图片

在实验五光圈快门调节实验中，单击不同的EV值按钮会显示不同曝光程度的图片。实现这种交互需要在3ds max软件中设置不同的EV值进行曝光，将曝光的图片保存到本地文件夹，然后通过创建悬浮窗口的脚本显示不同曝光的图片。

③相机LCD液晶屏实时显示

本课题的三个实验（实验四、实验五、实验六）的场景正前方有一台Canon EOS 500D单反相机，该相机的LCD液晶屏上动态实时的显示当前视角的场景，模拟了真实相机LCD液晶屏构图的功能。当学习者对实验场景进行缩放和摇移的操作时，LCD液晶屏会同步进行场景的缩放和摇移。在VRP编辑器中实现LCD液晶屏实时显示效果比较容易，是通过VRP编辑器中的“画中画”面板实现的。

④单击相机快门达到拍照效果

本课题的三个实验（实验四、实验五、实验六）的场景正前方有一台Canon EOS 500D单反相机，在Canon EOS 500D单反相机的快门上单击鼠标左键时，会伴随着“咔嚓”一声，一张照片显示出来。拍照交互的实现需要首先在相机快门处创建一个透明的按钮，然后为该透明按钮添加鼠标事件脚本。在透明按钮添加的对应的鼠标事件脚本即可。

（4）相机模型库的实现

相机模型库模块是摄影实验的相机模型库，也是网上实验设备仪器室。相机模型库展示了包括索尼、佳能、松下三个厂家的各种型号相机，相机种类全，数量多。学习者可以在相机模型库里任意查看自己感兴趣的相机，单击相机下方的参数特性按钮，查看该款相机的性能参数。相机模型库模块实现的最终效果如图3所示。

（5）实验项目的整合

虚拟实验模块是指网络虚拟实验平台首页的六个虚拟实验部分，由实验说明和六个虚拟实验组成。实验说明是关于这些虚拟实验的实验目的、实验内容和实验形式的说明。每一个虚拟实验开发完成之后，将成网页的虚拟实验通过网站进行整合，即完成了虚拟实验模块的实现。虚拟实验模块采用左右框架结构，单击左侧实验列表的不同实验名称，右侧会加载显示对应的虚拟实验。虚拟实验通过网站进行整合后的效果如图4所示。

4.结语

随着虚拟现实技术在教学实验中的应用越来越广泛，开发工具软件版本的更新，开发交互性更强的虚拟实验平台会更加容易。针对本课题研究的不足，今后还需要从以下几个方面进行进一步的研究：（1）摄影是一门艺术，摄影实验也要体现其艺术性，目前平台对摄影实验的艺术体现不够。如何将摄影艺术体现在实验中，将是下一步的研究内容；（2）目前学习者进入到实验环境之后，想要进行在线互动，只能通过平台的留言板进行互动。下一步我们考虑将多人在线功能引入到实验环境，学习者一边做实验，一边在实验环境下方的面板中进行文字实时聊天互动，实现真正意义上的网络虚拟实验平台。

参考文献：

[1]王朋娇，赵苗苗，刘家勋.“摄影技术与艺术”网络课程的设计与开发[J].网络教育与远程教育，2006（3）.

[2]肖凤霞.高校艺术设计专业摄影教学探谈[D].长春：东北师范大学，2007：1-2.