彭 瑾，劉 柱

(1.貴州師范大學 文學院，貴州 貴陽 550001；2.貴州師范大學 音樂學院，貴州 貴陽 550001)

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基于三維虛擬技術運用案例探討

彭 瑾1，劉 柱2

(1.貴州師范大學 文學院，貴州 貴陽 550001；2.貴州師范大學 音樂學院，貴州 貴陽 550001)

三維虛擬技術是一門綜合了計算機三維技術、計算機平面技術、計算機圖形學、計算機編程、視音頻處理、網(wǎng)絡技術等多門學科的新興技術，將三維虛擬技術運用于科普教育，是有限條件下對教育資源的極大補充。由于三維數(shù)據(jù)的有效信息量明顯高于二維，使得利用三維虛擬技術制作的教學模型更能加深觀眾的記憶?；谌S虛擬技術運用案例—紀錄片《認識交響樂隊》的制作是虛擬技術在藝術、科普教育方面的成功案例，對普及青少年交響樂知識、文化大繁榮將起到積極的推動作用。

三維虛擬；虛擬現(xiàn)實；文化產業(yè)

人才是中國實施文化強國戰(zhàn)略的重要資源。作為精英人才聚集的高校，學生的綜合素質決定了一個國家的文化競爭力，高校的文化建設是實現(xiàn)社會主義文化大繁榮不可或缺的部分。由于高校承擔著人才培養(yǎng)、知識創(chuàng)新和教學科研的社會職能，它必須與前沿文化信息和科研項目緊密接軌，吸收、借鑒、整合不同的文化，再加以提煉。

隨著信息技術和多媒體技術的發(fā)展，網(wǎng)絡的全面覆蓋和智能手機的推廣把人們卷入了“信息社會”?；ヂ?lián)網(wǎng)上廣泛傳播的大量信息為高校帶來了前所未有的廣闊視域，極大沖擊了傳統(tǒng)教學方式，另一方面，教學方法雖然發(fā)生了變革，卻未完全從傳統(tǒng)思維和固有工作慣性中解脫出來[1]。在當前背景下，要想讓高校始終維持培育前沿精英人才的職能，將文化科普持續(xù)、大范圍輻射到全國各地，最好的方法便是將傳統(tǒng)的教學方法、知識科普與現(xiàn)代化高科技手段結合起來，讓科學技術與思想傳播進行深度融合。

1 背景

中國對科普教育工作和文化產業(yè)的投入呈現(xiàn)出一種發(fā)展不均的狀態(tài)。與西方發(fā)達國家相比，歐美國家政府早在數(shù)十年前便投入數(shù)百萬數(shù)千萬資金制定了相當規(guī)模的科普項目資助計劃，此外，民間也有專人運營著大量專業(yè)科普團體。反觀中國，科普教育工作不僅投入時間相對較晚，資源也大多集中在發(fā)達地區(qū)。與東部發(fā)達地區(qū)相比，地理位置不沿江、不沿海、不沿邊的貴州省，在科普教育和文化產業(yè)方面得到的資源相對較少。

地理上的封閉造成了貴州省文化產業(yè)發(fā)展基礎薄弱，觀念較為落后。資金、體制和實驗教學方法的跟不上導致了貴州省高校教學與一線城市高校教學的差距，高校教師和科普工作者不得不加倍依靠網(wǎng)絡和書本，使用間接的方式傳授知識；或是取消實踐部分，從而導致理論與實踐的脫節(jié)。

長此以往，人才培養(yǎng)的良莠不齊將制約貴州省的經(jīng)濟發(fā)展。由于全國產能過剩，貴州省傳統(tǒng)的煤炭業(yè)和酒業(yè)隨著市場需求的變化正在逐步萎縮，地理偏遠與人均GDP偏低的現(xiàn)狀決定了貴州省在產業(yè)轉型的道路上，不能走先污染后治理的路子。因此，文化大繁榮成為了經(jīng)濟轉型面臨的必然選擇。2014年，貴州省抓住了第四次產業(yè)革命的機會，具有前瞻性的指向了兼環(huán)保與先進科學于一體的新型產業(yè)“大數(shù)據(jù)”，并啟動了一系列與大數(shù)據(jù)相關的合作協(xié)議。在全省經(jīng)濟面臨全面轉型的時刻，貴州省高校需要逐漸夯實相對薄弱的文化產業(yè)發(fā)展基礎，在“先天不足”的情況下找到一條適合人才培養(yǎng)質量的道路。

三維虛擬技術，便是一件可以彌補資金、資源先天不足的“利器”。

三維虛擬技術是一門綜合了計算機三維技術、計算機平面技術、計算機圖形學、計算機編程、視音頻處理、網(wǎng)絡技術等多門學科的新興技術，其含義是人們通過三維技術來實現(xiàn)對事物的全面了解。具體來說，便是在平面上通過三維實現(xiàn)對人們的生活空間、物質形態(tài)、自然或人為造成的某些現(xiàn)象的再現(xiàn)。由于這種再現(xiàn)酷似真實場景，故被命名為“虛擬現(xiàn)實”(Virtual reality)。

三維虛擬技術只需數(shù)臺高配置電腦便可完成建模、渲染、輸出和修改。在物資和師資條件不足的地區(qū)，一些因條件受限無法完成的事物可以借由三維技術得以再現(xiàn)，利用這一技術將事物“虛擬再現(xiàn)”后便可以把對環(huán)境設施和物資購買維護的要求降低到電腦配置上，大大降低現(xiàn)實生活中對實體物品的購買成本、維修成本和使用周期[2]。

此外，三維虛擬技術非常適用于自主學習，只需一臺播放設備便可播放影像，完成大眾傳播。它可以讓新興產業(yè)與世界前沿科技更快接軌，并填補傳統(tǒng)文化產業(yè)的薄弱部分，成為大數(shù)據(jù)建設的中堅力量。透過三維虛擬技術的再現(xiàn)功能，不僅能使精英人才的培養(yǎng)將變得更加容易，還能讓文化科普輻射到更多人，有利于文化產業(yè)的后續(xù)發(fā)展。

2 三維技術

19世紀末到20世紀是影像技術發(fā)展的黃金時期。研究表明，比起單純的文字(Word)，影像(Image)可以讓知識點更直觀、更深刻的被人的大腦記憶。傳統(tǒng)的信息展示通常由文字與二維圖形共同組成，有時會配上相應的聲音。二維圖形的表達方式主要以靜態(tài)圖片輸出為主，因其單一的表達方式單一和單視點的表現(xiàn)狀況，無論是空間感還是信息展示方面，都有許多不足之處。以往高校課堂教學中多用PPT形式串聯(lián)文字、二維圖形與少部分視頻影片進行知識點的傳授，這一手法相對滯后，尤其是在藝術教育的領域，單純的文配圖不足以提高教學質量[3]。相比之下，三維圖形則是由長、寬、高三個維度構成的空間，比起二維圖形信息量更大。

三維建模虛擬影像技術早在上世紀便已出現(xiàn)。1936年，人們利用雙鏡頭攝影機和偏振片便可實現(xiàn)具有立體效果的影片；1995年的動畫電影《玩具總動員》是三維影像技術大范圍運用于影視作品、動畫片和建筑圖示的開始；2009年后，電影《阿凡達》的上映，更是帶動了IMAX三維技術在影視中的廣泛使用。如今，三維技術已大量運用在教學、科研和科普活動中。通過文字與圖像、影片、三維動畫結合來傳授知識已成為常規(guī)教學手段。

三維虛擬技術具有很強的表現(xiàn)力。無論是影視作品中出現(xiàn)的虛擬世界，建筑圖示中的3D效果圖，還是影視作品中以假亂真的建模，它們都是典型的三維虛擬技術表現(xiàn)手法。這種方法突破了時間與空間的限制，除了能完成物品的建模、渲染，以及實驗的原理演示和操作過程，讓觀眾從感官上增加了認知程度，極大擴展了使用空間。

熟知，利用三維繪圖軟件進行的創(chuàng)作有著廣泛的應用范圍：影視包裝、影視特效、游戲美工、游戲特效、家裝范例、建筑圖示，以及多媒體教學等。3DSMAX和MAYA是目前世界上應用最廣泛的三維建模、動畫、渲染軟件[4]。通過3DSMAX和MAYA，用戶可以制作出高質量的動畫、游戲、建筑圖示、實驗和影視特效，突破時空與現(xiàn)實的限制，讓三維立體動畫再現(xiàn)人們需要的微觀世界和宏觀世界、模擬復雜的工藝過程。

3 基于三維虛擬技術運用—紀錄片《認識交響樂隊》

三維虛擬技術在商業(yè)領域的運用已是百花齊放，在科普教育方面則相對較少。影院上映的三維動畫片多偏重于商業(yè)，較少有科教題材。從科普教育類影視紀錄片來看，對于大部分成體系的、復雜的知識，其宣傳影片多為實際拍攝，只有少部分作品會采用大量三維動畫，用于片頭片尾包裝的范例反而更普遍。并且，三維動畫的部分更多由動畫專業(yè)制作人員進行創(chuàng)作，由于專業(yè)的受限，這些三維動畫多偏重于技術和商業(yè)效應，在系統(tǒng)學習的邏輯上則較為欠缺。

紀錄片《認識交響樂隊》是貴州省高校結合傳統(tǒng)專業(yè)知識科普與三維虛擬技術的一次嘗試。影片以專業(yè)的音樂知識科普為基礎，以著名音樂家本杰明·布里頓的科普向管弦樂作品《青少年管弦樂隊指南》為線索，通過70%三維動畫與30%影像實拍的結合，系統(tǒng)地介紹了西方交響樂隊中每一種樂器的構造、音色、演奏方式和在交響樂隊中所起的作用。

傳統(tǒng)的音樂教學方式有如下幾種：

1)現(xiàn)場科普教學：這種教學通常發(fā)生在音樂學院或音樂廳。由專業(yè)相關人員在現(xiàn)場演奏交響樂隊的每件樂器，并進行專門講解。這種講解非常直觀，卻涉及大量的人力、物力、時間與資金的投入，在文化產業(yè)剛開始起步的貴州省，人們想要聽一場交響樂甚至要前往一線城市。因此，這種科普僅適用于音樂學院的專業(yè)課，對于普通大眾而言，不算實用。

2)文字解說配備二維圖示：由大量文字配上對應的二維圖片來完成每個知識點的解說，樂器本身的音色和演奏片段則附帶在隨書光盤內。這種方式降低了了解交響樂隊的門檻，僅一臺電腦便可獲取知識。然而，限于篇幅，大篇解說文字往往只能配一張或幾張靜態(tài)圖片，無法了解樂器全貌，音樂還需插入光盤自行調用，相對麻煩。

3)教學光盤：目前已知對樂器進行科普的光盤有英國教育軟件《Britannica Discovery Library》。這一系列面向青少年的光盤內覆蓋了所有交響樂隊中使用到的樂器圖片、簡介與音色。聲畫結合，內容直觀。缺點：由于版權問題，此光盤在貴州省的普及率并不高。2D圖像的外表也趨于靜止，略顯呆板。

4)音樂宣傳片：英國的BBC電視臺在2011年曾制作過四集紀錄片《交響樂》，該影片的側重點在于交響樂發(fā)展史，對于交響樂隊樂器的介紹相對空白。此外，只有英國國家愛樂樂團在Youtube上傳的一系列樂器演奏簡介視頻，由于網(wǎng)絡限制，中國觀眾無法在本國收看到此視頻。

在此前提下，《認識交響樂隊》則是一次結合了三維動畫技術、影像實際拍攝與知識點建構科普的范例。

全片分為五個部分。

第一部分：由交響樂的簡史切入主題，主持人帶領觀眾步入交響樂隊的舞臺。接著，利用3DSMAX和MAYA對交響樂隊演出的舞臺進行帶運動鏡頭的全方位模擬：其中包括舞臺構造、舞臺燈光、交響樂隊的站位、每種樂器在交響樂隊中占據(jù)的數(shù)量和每種樂器的分類。這組動畫鏡頭系統(tǒng)、清晰地還原了交響樂演出時的樂器位置，在舞臺上區(qū)分了弦樂組、木管樂組、銅管樂組和打擊樂組。

第二部分：根據(jù)分類順序，從現(xiàn)場演奏視頻切入弦樂組樂器的介紹，將弦樂組的四種樂器進行全貌和細節(jié)的建模、渲染、輸出，并結合實拍鏡頭與資料鏡頭，讓觀眾了解四種樂器的大小對比、音色差異和細節(jié)差別。完成知識科普后，再輔以經(jīng)典電影和現(xiàn)場演奏的鏡頭讓觀眾感受每種樂器獨奏的魅力。

第三部分：通過資料鏡頭切入管樂組樂器的介紹，分別對木管樂組和銅管樂組所有樂器進行全貌和細節(jié)的建模、渲染、輸出，并利用三維技術再現(xiàn)了部分樂器演奏的細節(jié)。這一過程同樣與實拍鏡頭、資料鏡頭交叉剪輯，在傳遞知識的過程中，盡量讓觀眾的觀影興趣點保持起伏狀態(tài)。

第四部分：利用實拍鏡頭切入打擊樂器的介紹，將管弦樂隊中涉及的所有打擊樂器進行建模、渲染、輸出。再與實拍鏡頭交叉剪輯，介紹了打擊樂器的節(jié)奏、音色和在樂隊中所起作用。

第五部分：當所有樂器的介紹完成后，再讓它們重新出現(xiàn)在同一舞臺上，讓所有音色交織作用，帶領觀眾欣賞完整的交響樂，以感受交響樂帶來的美麗，為影片收尾。

在影片的制作過程中，制作者不僅組建拍攝團隊，奔赴貴陽六中對貴陽市青少年管弦樂隊進行了實際拍攝，還利用三維動畫軟件3DSMAX和MAYA，通過建模、渲染和輸出，從整體到細節(jié)再現(xiàn)了交響樂隊中每一種樂器的全貌、構造和功能能，并部分模擬了樂器演奏細節(jié)。

在3D建模的過程中，需要對樂器的材質、渲染的方式以及參數(shù)進行不斷的調節(jié)，以達到較好的顯示效果[5]。例如，在渲染圓號的過程中，首先要對圓號的物理材質進行分析。真實世界里的圓號多是黃銅色拋光金屬材質，在燈光照射下呈現(xiàn)高光色澤，如圖1所示。在3DSMAX中完成基礎建模之后，得到是不具備金屬材質顯示效果的模型，如圖2所示。

圖2 圓號基礎模型Fig.2 French horn base model

通過對圖2中的模型進行材質設置，主要從高光光澤反射率、菲涅爾反射率對材質進行設置，設置配置如圖3所示。隨后得到未渲染的、帶金屬材質的模型，如圖4所示。

圖3 金屬材質配置圖Fig.3 Arrangement drawing of Metal effect

圖4 帶金屬材質未渲染圓號模型Fig.4 Renderless French horn model with metal effect

由于金屬在反光過程中，不只有高亮光澤與真實的金屬色澤，還帶有外環(huán)境的影像，因此，設置材料時還要在反射圖中加入適當?shù)谋尘皥D像以凸顯真實感。最后經(jīng)過使用發(fā)光圖以及燈光緩存的渲染方法，得到最終的圓號效果圖，如圖5所示。

圖5 最終渲染的圓號效果圖Fig.5 Final rendered French horn model

占全片70%鏡頭的三維動畫與占30%鏡頭的樂器演奏實拍鏡頭，再與交響樂隊影像資料通過剪輯軟件Adobe Premiere相互結合，經(jīng)調色軟件Davinci Resolve加以調色，從聲、畫和虛擬體驗方面極大豐富了觀眾的認識和感觀，拓展了觀眾接收知識的來源。此外，影片的編劇、分鏡皆由高校專業(yè)教師完成，整個團隊對于制作方向與制作目的的良好溝通保證了影片細節(jié)的專業(yè)性。影片完成后，制作者在貴州師范大學多功能播放廳進行過三場點映，從三場點映后的調查看來，即使是音樂的知識外在觀賞影片后，也都能學習并記住交響樂隊樂器的相關知識。

三維虛擬技術運用—紀錄片《認識交響樂隊》，充分說明了三維虛擬技術在藝術教育方面的可操作性。倘若將此技術擴展到其余領域：教學、科普、甚至實驗模擬……都可以幫助條件不足又需要獲取知識的人更直觀、更系統(tǒng)、更精確的了解相關知識，長此以往，貴州省的文化產業(yè)基礎可以得到更加鞏固。

4 結束語

科普教育是貴州省、乃至中國實施文化產業(yè)轉型的關鍵，三維虛擬技術的運用則是在有限條件下對教育資源的極大補充。由于三維數(shù)據(jù)的有效信息量明顯高于二維，使得利用三維虛擬技術制作的教學模型更能加深觀眾的記憶，起到了高等教育特有的作用，從而更好地輔助了高校教育的職能、輔助了貴州省大數(shù)據(jù)的建設，將文化科普和文化輻射擴散到生活中的每一個角落。

[1] 趙士濱，吳秋峰.虛擬現(xiàn)實技術進入高校實驗教學的研究[J].教育發(fā)展研究，2000(8):77-79.

[2] 楊堯.三維技術在眾多領域中的運用[J].大眾文藝(學術版),2010(22):83-83.

[3] 蔡桂珍.新時期高校校園文化建設研究[D/OL].福州：福建師范大學，2013.[2016-02-10]http://www.cnki.net/KCMS/detail/detailall.aspx?filename=10133

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

[4] 李鴻.3DSMAX建模技術分析[J].邢臺學院學報,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

貴州省軟科學研究項目“貴州文化大繁榮建設新模式研究：基于三維虛擬技術運用的案例”(項目編號：黔科合體R字[2013]2030)

彭 瑾(1986-)，女，碩士，講師，研究方向：電影學，E-mail：411324377@qq.com.

TP391

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