錢相呈

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)演播廳展示為例，使用3D MAX創(chuàng)作基本的模型、動(dòng)畫(huà)及相應(yīng)材質(zhì)貼圖的使用，利用VRP實(shí)現(xiàn)模型和動(dòng)畫(huà)的導(dǎo)出及相關(guān)交互實(shí)驗(yàn)操作的設(shè)計(jì)方法。虛擬物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能有利于學(xué)生更加直觀地理解物理現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，也是物理教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞 三維模型 物理實(shí)驗(yàn) 演播演示

0引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的一個(gè)重要的組成部分，其目標(biāo)是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證學(xué)過(guò)的物理知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，分析問(wèn)題，觀察問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力都有所提升。但目前多數(shù)學(xué)校普遍存在物理儀器不足，設(shè)備老化，還有一些危險(xiǎn)性試驗(yàn)無(wú)法給學(xué)生感性的認(rèn)識(shí)。本文設(shè)計(jì)的虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)是以3dMax和VRP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，能夠構(gòu)建具有強(qiáng)交互性、沉浸性和多感知性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，從根本上解決學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)存的問(wèn)題，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上操作實(shí)驗(yàn)，從中驗(yàn)證物理理論，獲取知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。進(jìn)而幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)器材，掌握實(shí)驗(yàn)步驟，形成正確概念，真正提高學(xué)生的動(dòng)手研究能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)等綜合科學(xué)素質(zhì)，這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)更加受到社會(huì)各界的喜歡。

1模型的搭建和動(dòng)畫(huà)制作

3D模型可以說(shuō)是利用三維軟件建造的三維立體空間效果的模型，具有直觀、立體感和透視感，包括各種建筑、人物、植被、機(jī)械等等。其搭建需要用到一層層的拖拽、調(diào)整、變形，本文以電磁驅(qū)動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模型的制作為例，首先需要搭建一個(gè)桌子模型，這便用到了擴(kuò)展基本體中的切角長(zhǎng)方體命令，通過(guò)設(shè)置圓角分段與圓角度來(lái)使邊緣圓滑，這樣便通過(guò)5個(gè)不同尺寸的切角長(zhǎng)方體來(lái)搭建桌子模型。學(xué)生電源模型因包含大量小型按鈕與刻度，且模型較不規(guī)則，因此需要用到布爾、放樣、貼圖等技術(shù)。在使用切角長(zhǎng)方體建出規(guī)則模型之后，再使用布爾差集做出需要的形狀。在導(dǎo)線的制作時(shí)，由于圓柱體彎曲較為不靈活，因此選擇了放樣操作。首先將導(dǎo)線要連接的兩端用樣條線連接起來(lái)。為了使導(dǎo)線彎曲自然，我在連接樣條線的時(shí)候選擇初始類型為角點(diǎn)，拖動(dòng)類型為平滑，這樣新建出的樣條線就比較平滑自然，然后通過(guò)移動(dòng)點(diǎn)來(lái)使導(dǎo)線更加自然柔軟，再新建一個(gè)半徑較小的圓，通過(guò)放樣做出導(dǎo)線模型。在模型及貼圖全部都完成之后，便是動(dòng)畫(huà)的制作，3D MAX中動(dòng)畫(huà)分為剛體動(dòng)畫(huà)和柔體動(dòng)畫(huà)。最基本的動(dòng)畫(huà)操作是對(duì)對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，可以用動(dòng)畫(huà)控制器來(lái)控制，即剛體動(dòng)畫(huà)；物體自身的造型也可以設(shè)置成動(dòng)畫(huà)，用為對(duì)象添加的各種變形修改器來(lái)控制，即柔體動(dòng)畫(huà)。

2模型動(dòng)畫(huà)的導(dǎo)出及交互的實(shí)現(xiàn)

模型與動(dòng)畫(huà)全部制作完成之后便是將其導(dǎo)入VRP，在導(dǎo)入之前，首先要將包含剛體動(dòng)畫(huà)的模型成集并命名為vrp_rigid，這樣，才能將剛體動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入VRP。因?yàn)榘?3ds max 中的模型導(dǎo)入到 VR-Platform 平臺(tái)中時(shí)，不能將光景信息直接帶入，需要把 3ds max 中物體的光影以貼圖的方式帶到 VRP 中，才能產(chǎn)生真實(shí)感。所以在材質(zhì)部分需首先將貼圖烘焙，這樣才能保證貼圖順利導(dǎo)入VRP且顯示準(zhǔn)確。如圖1所示。

在導(dǎo)入VRP之后，首先進(jìn)入首頁(yè)面，點(diǎn)擊演示實(shí)驗(yàn)后通過(guò)顯示隱藏控件進(jìn)入全部演示實(shí)驗(yàn)界面。點(diǎn)擊其中某一個(gè)實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)高級(jí)界面，以電磁驅(qū)動(dòng)為例，在這一部分用到的腳本主要為顯示隱藏控件、顯示隱藏對(duì)話框。如圖2所示。

在簡(jiǎn)介按鈕通過(guò)鼠標(biāo)移入與鼠標(biāo)移出腳本來(lái)控制靜態(tài)圖片控件的顯示與隱藏，實(shí)現(xiàn)當(dāng)鼠標(biāo)滑過(guò)簡(jiǎn)介按鈕時(shí)，自動(dòng)彈出關(guān)于電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的介紹，使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加方便。點(diǎn)擊開(kāi)始演示按鈕后通過(guò)轉(zhuǎn)換相機(jī)與顯示隱藏控件、對(duì)話框正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。在此界面點(diǎn)擊電磁驅(qū)動(dòng)綠色開(kāi)關(guān)便可觀看此演示實(shí)驗(yàn)。

3結(jié)語(yǔ)

虛擬物理實(shí)驗(yàn)演播系統(tǒng)的使用，在一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，可以方便學(xué)生打破時(shí)間和空間的限制，可以自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)方面，也可以起到讓學(xué)生熟悉儀器和練手的作用，防止學(xué)生因不熟悉實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)流程而造成的設(shè)備損壞，由于物理實(shí)驗(yàn)儀器大多比較精密且昂貴，因此本項(xiàng)目也大大減少了不必要的損失，能夠更好地保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器。

（通迅作者：李冰）

參考文獻(xiàn)

[1] 王周，華吳偉.3ds Max軟件下的3D物理模型[J].物理通報(bào)，2016（08）：96-100.

[2] 曾敏.在3D MAX中貼圖路徑的解決方案[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（02）：180.

[3] 杜世春，張開(kāi)芳.基于3D MAX制作三維動(dòng)畫(huà)[J].科技信息，2008（18）：432-434.

[4] 郝梅.烘焙技術(shù)在VRP中的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2009（01）：129-130.