摘 要：虚拟现实技术以其沉浸性、交互性和构想性在教育教学中得到应用，可以较好地解决教学的重点和难点。介绍了虚拟现实技术的概念、特征、分类及意义，VR-Platform的功能、优势及在多媒体课件设计中的一般过程。�
关键词：VR-Platform；虚拟现实技术；多媒体课件；VRP�
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）003-0180-03��
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作者简介：阳有明（1986-），男，广西桂林人，广西师范大学硕士研究生，研究方向为多媒体技术、虚拟现实技术；陈儒（1967-），男，广西桂林人，桂林师范高等专科学校网络中心副主任、讲师，研究方向为影视技术、多媒体技术 。
1 虚拟现实技术�
1.1 虚拟现实技术的概念�
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是20世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的发展。由于它生成的视觉环境是立体的，音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，使计算机创造的环境让人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。�
1.2 虚拟现实技术的特征及分类�
虚拟现实技术的特征可以归纳为3个“I”，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。它给人以强烈的逼真感，有一种身临其境的感觉，提供一种近乎自然的人机交互，使人能深化概念、产生新意和想象，主动地寻求、探索、接收信息，而不是被动地接受。 �
根据用户参与VR的不同形式、“沉浸” 和交互的程度，虚拟现实技术主要分为四类：桌面虚拟现实、沉浸虚拟现实、分布式虚拟现实和增强虚拟现实。其中，桌面虚拟现实也称窗口中的VR，它成本低，主要用于CAD／CAM、建筑设计、教育教学等领域。�
1.3 虚拟现实技术在多媒体课件中应用的意义�
应用虚拟现实技术开发的三维虚拟学习环境能够营造逼真、直观的学习环境，让学生沉浸在虚拟世界进行实时观察、交互、参与、实验、漫游等操作，将枯燥难懂的知识以“身临其境”的方式来感受和体会，使被动灌输的学习方式成为主动式和兴趣式的学习探索。将虚拟现实技术作为一种新的媒体形式嵌入、融合到多媒体课件中，可以对教学情景、教学实验、技能训练等进行虚拟，利用虚拟现实场景交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等优势来表现教学内容，解决教学中的重点、难点问题，充分调动学习者的主动性和创造性，促进学习者知识的积极建构，使学生在安全和易受控制的环境中实践他们所学的东西，在理论和实践之间架起沟通的桥梁。�
2 VR-Platform虚拟现实平台�
在众多虚拟现实引擎中，VR-Platform（以下简称VRP）是由我国中视典数字科技独立开发、具有完全自主知识产权、可以实现三维虚拟现实的国产软件，它打破了国外软件在虚拟现实领域的垄断。这款软件被广泛地应用于室内设计、古迹复原、工业仿真、城市规划和军事模拟等行业。相对于其他三维虚拟现实软件，该软件避免了复杂繁琐的编程，而是程序模块的搭建过程，采用了可视化的编辑界面，通过简单的语句实现复杂的交互功能。�
VRP经过8年的研发，已经成为一个以VRP引擎为核心，衍生出8个相关三维产品为支撑的软件平台，如图1所示。�
图1 VR-Platform平台系统架构�
(1)VRPIE-3D互联网平台直接面对所有的互联网用户，将VRP-BUILDER的编辑成果发布到互联网上，可以让用户通过互联网浏览三维场景，实现互动。�
(2)VRP-BUILDER虚拟现实编辑器主要用于各类三维交互的制作，包括三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布的操作。�
(3)VRP-PHYSICS物理系统主要面向院校和科研单位，为虚拟实验模拟提供技术支撑，它可以逼真地模拟各种物理学运动，如碰撞、重力、摩擦、阻尼、陀螺、粒子等自然现象，并且在算法过程中严格遵循牛顿定律、动量守恒、动能守恒等物理原理。�
(4)VRP-DIGICITY数字城市平台主要适用于建筑设计、城市规划的相关研究和管理部门，具备建筑设计和城市规划方面的专业功能，如数据库查询、实时测量、通视分析、高度调整、分层显示、动态导航、日照分析等。�
(5)VRP-INDUSIM工业仿真平台在石油、电力、机械、重工、船舶、钢铁、矿山、应急等行业中建立模型、创建角色、设立事件进行虚拟模拟培训，使演练更接近真实情况，减少演练和培训成本，降低演练风险。�
(6)VRP-TRAVEL虚拟旅游平台通过展示名胜古迹，激发学生学习兴趣，培养学生创新思维，积累讲解专项知识，架起学生与社会联系的桥梁，全方位提升学生讲解能力。�
(7)VRP-MUSEUM网络三维虚拟展馆主要针对各类科博馆、体验中心、大型展会等行业，将其展馆、陈列品以及临时展品移植到互联网上进行展示、宣传与教育，提供良好的在线参与互动体验。�
(8)VRP-SDK三维仿真系统开发包提供C++源码级的开发函数库，用户可在此基础之上开发出自己所需要的高效仿真软件。�
3 VP-Platform与其它开发引擎的优势�
基于三维模型的虚拟渲染引擎，除了VR-Platform以外，还有Quest3D、Virtools、Unity3D、WireFusion、VRML（X3D）、EON Studio、Java3D、Cult3D、Viewpoint、Anark、WebMax、Converse3D、Flash3D等。其中Quest3D、Virtools和VR-Platform被称为目前国内外最具代表性的三大主流虚拟现实软件，其特点如表1所示。�
表1 三大虚拟现实软件的特点�
名称建模工具难易程度软件特性和�媒体能力应用领域
VR-�Platform3Ds Max全中文界面、高度可视化、所见即所得支持在线发布和多人在线MMO，可嵌入Flash、视频、图片、网页室内设计、房产开发、工业仿真、军事模拟、Web3D产品展示、教育教学
Quest3D3Ds Max英文界面、可视化操作界面交互强大，集成特效模块，以效果绚丽闻名，提供物理引擎、路径动画、数据库连接产品展示、建筑漫游、虚拟显示、游戏制作
Virtools3Ds Max、�Maya�XSI、�AutoCAD英文界面、需一定的C语言基础交互强大，拓展性强，效果出众，易整合3D、2D图形及视频音频多用于游戏、建筑设计等
VR-Platform与其它虚拟现实软件相比有如下优势：�
（1）易学易用，所见即所得。VRP是一个全中文、全程高度可视化、所见即所得的软件，独创在编辑器内直接编译运行，一键发布等功能，稍有基础的人可以在一天之内掌握它的使用方法。大大降低了开发虚拟实验的难度，学科教师可以将精力全部投入到效果制作上，最大程度地减少重复劳动。�
（2）强大的界面编辑功能。VRP集成了二维界面编辑器，界面上的布局可以任意设定，渲染区域可以任意指定，面板上可设置图片及其透明度，形成各式各样的界面，更具人性化。�
（3）VRP与3Ds Max无缝集成。3Ds Max是最易学、最好掌握三维建模工具，是VRP主要的辅助建模工具，降低了VRP的门槛。VRP支持绝大多数3Ds Max的网格、摄像机、灯光、贴图和材质，更重要的是支持骨骼动画、刚体动画、柔体动画的导入，方便制作各种运动实验。�
（4）具有国内虚拟现实软件最高的画质。光影是三维场景是否具有真实感的最重要因素。VRP利用全局光渲染器生成光照贴图，使场景具有非常逼真的静态光影效果。目前在国内虚拟现实软件中，VRP具有最高的画质。�
（5）高速渲染，低端硬件也能抗锯齿。首先，VRP运用了游戏中的各种优化算法，拥有独特的软件抗锯齿功能，在没有开启显卡硬件抗锯齿的情况下，也能获得非常细腻的画质。其次，提高大规模场景的组织与渲染效率，保证高画质的同时拥有合适的渲染速度。�
（6）强大的媒体特性。VRP支持多媒体元素，在窗口中可以嵌入Flash动画、视频、图片和网页，运用多媒体展示手段，使三维交互更加精彩。�
（7）简单实用的热区和动作自定义。在VRP中，用户可以在二维界面的按钮和三维模型上自定义热区并设定热区的触发机制，当用户触发热区时，将执行该热区所定义的动作。VRP具有足够丰富和可扩充的动作库，只需要设定几个参数，即可实现各种交互动作。�
（8）良好的IE发布和即时聊天。VRP最终的项目成果可以发布成网页，在VRPIE-3D互联网平台上与用户互联，VRPIE支持流式浏览和高并发访问，保证了用户的实时访问，同时结合即时聊天系统开展协作。�
4 多媒体课件开发中VP-Platform的应用�
4.1 建立三维场景和模型�
目前VR-Platform最新版VRP11.0支持多个3Ds Max版本（3Ds Max5、6、7、8、9、2008、2009、2010、2011）的安装与使用，3Ds Max拥有非常强大的建模功能，是最易学易掌握的建模软件，作为VRP主要的辅助建模工具，3Ds Max给VRP带来了强大模型支撑，降低了课件开发的难度。教师在开发多媒体课件时，首先要在3Ds Max中设计场景、元素和动画，然后建立三维场景和模型，并制作复杂的骨骼动画、刚体动画和柔体动画，为导入VRP中作准备。�
虚拟现实应用的模型以“简”模为主，只表现主线条，配合贴图来完成整体和细节的表现。因此，在建模的过程中，注意优化模型,尽量减少模型的分段数和面数，提高传输速度、执行性能和交互的流畅度。可以灵活使用“Spline/Polygon”工具进行合理的布线、挤压，减少体积块堆积的建模方式，尽量避免模型面面相叠、交叉、微距等现象。或者使用3Ds Max自带的Optimaze Helper模型优化器来减少面数。同时要注意，模型的数量不宜太多，尽可能把材质相同的模型合并起来，以减少模型的个数，均匀分配模型的密度。�
4.2 设置材质和贴图�
3Ds Max的材质编辑器可以设置多种类型材质，特别是3Ds Max2011保留了默认的材质编辑器，添加了石墨材质编辑器，使材质制作更便捷，流程更科学。在制作材质的过程中，必须使用标准材质，避免使用Vray、Mental Ray等高级材质，禁止使用复合形式的材质,如多维子对象材质、混合材质、上下材质等。模型可以使用“UVW Map”作为材质的输出坐标，避免使用材质面板中的“修建/布置”命令，该操作对于虚拟平台无效。与此同时，VRP对材质无过高的要求，通常在漫反射中加入一种纹理贴图来作为材质属性就可以了，其它属性（如双面属性、自发光属性、透明属性等）可以导入VRP之后再设置，VRP11.0为用户提供了丰富的三维模型材质和贴图，避免了材质编辑器的繁杂设置，提高了工作效率。�
4.3 布置和测试场景灯光�
VR-Platform的灯光设置与3Ds Max的动画灯光设置基本相似，VRP不仅支持3Ds Max自带的物理学灯光和光能学灯光，还支持Vray灯光和Mental Ray灯光。在制作课件时，可以选用3Ds Max自带的灯光或VRP中的灯光，以获得较好的灯光效果，使VRP制作的三维虚拟场景更具真实性。布置好场景灯光后，要选择合适的渲染器测试灯光，设置渲染器的参数，从不同视口渲染样图查看效果，直到满意为止，渲染器的参数设置要与场景灯光的布置配合使用。�
4.4 烘焙贴图�
烘焙是指在三维模型纹理、贴图制作完成且布置好场景灯光后，平展模型表面UV渲染贴图的过程。其目的是为了节省系统资源，提高场景的运行效率，把一个具有真实光影效果的虚拟现实场景的光影信息渲染到一张纹理、贴图上，增强虚拟现实场景逼真的光影效果。在3Ds Max中可以随心所欲地设置材质效果，在烘焙贴图完成后，可以删除所有灯光，而不影响渲染效果。值得一提的是，VRP只支持Complete Map和Lighting Map这两种模式烘焙的贴图导入，要注意这两种烘焙模式的区别，它们各有所长。烘焙贴图要掌握一个准则，贴图烘焙的大小（分辨率）根据模型的大小来确定，模型小则用小分辨率烘焙，模型大就增大分辨率烘焙，通常设置为256x256、512x512。�
4.5 模型导入VRP�
使用3Ds Max的“渲染到纹理”命令完成对场景烘焙后，通过VRP-for-Max插件将烘焙好的模型导入VRP编辑器，在VRP编辑器中进行交互功能的开发。若发现贴图不正确或者动画有误，需要回到3Ds Max中修改、重新渲染、烘焙。为了避免返工和节约时间，可以通过VRP-for-Max插件的“快速预览”功能，直接调入VRP播放器预览，检查贴图、动画是否正确，在确认贴图和动画正确后方可烘焙。若在3Ds Max设置了骨骼动画、刚体动画、柔体动画或者摄像机的运动轨迹，必需单独导出该动画为VRP脚本文件，然后使用VRP内置函数调用脚本。�
4.6 设置交互功能�
VRP编辑器可以编写模型鼠标事件脚本和距离触发脚本，集成了足够丰富、且可扩充的动作库，不需编程知识，只要点击鼠标设定几个参数，即可实现各种动作，简单便捷，非常适合教师使用。教师根据教学内容，设计每个对象的交互操作，设置模型的交互方式。如摄像机的切换、定位声源的音乐播放、模型的平移、旋转、或沿路径运动、贴图和颜色的变化、方案切换等。�
4.7 发布与输出�
在完成场景中所有模型的交互功能后，先预览交互效果，若发现有问题就及时修改、调试，最后编译输出。VR-Platform的发布与输出非常方便、灵活，既可以输出可执行的*.exe文件，也可以发布到互联网上直接通过IE浏览器访问，实现在线浏览、交互。
�5 结束语�
应用虚拟现实技术开发多媒体课件，弥补了传统课件不能创建三维环境的缺陷，营造了逼真、直观的学习情境，提供了强大的交换功能，学生以“身临其境”的方式来感受和体会知识。尽管类似于VR-Platform的虚拟现实技术在多媒体课件中的应用不多，但随着计算机技术的发展，虚拟现实技术的软硬件成本逐渐降低，虚拟现实技术以其强大的潜力和教学优势，将受到教师的重视和青睐，并被广泛用于教育领域。
参考文献：�
\[1\] 王素荣.教育信息化理论与方法\[M\].北京：社会科学文献出版社，2006.�
\[2\] 蔡苏，余胜泉.从Sloodle看三维虚拟学习环境的发展趋势\[J\].开放教育研究，2010(2).�
\[3\] 孙子娴.基于VR-Platform的三维虚拟学习环境的设计与开发\[D\].上海师范大学，2009.�
\[4\] 孙项洁等.桌面虚拟现实技术在医学多媒体课件中的设计与应用\[J\].中国医学教育技术，2011(4).�
（责任编辑：戴 钧）