吳世勇，汪 洋，楊 睿，張勁松

(1.合肥學(xué)院建管處，安徽合肥 230601；2.合肥學(xué)院城建學(xué)院，安徽合肥 230601)

在現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展史上，教學(xué)手段的革新從未停止。經(jīng)歷了基于廣播電視的遠程學(xué)習(xí) D-Learning、基于電腦和互聯(lián)網(wǎng)的電子學(xué)習(xí) E-Learning，以及利用手機等進行移動學(xué)習(xí)的 M-Learning 階段。而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的 V-Learning 必將帶來教育界新革命[1]，虛擬教學(xué)使得教學(xué)手段獲得了飛躍式發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有較強的研究意義，經(jīng)過多年的發(fā)展，近年來已經(jīng)進入了一個新的階段，在較多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如用于能源動力工程分析，水資源處理，軍事訓(xùn)練模擬[2]，等等。在教育培訓(xùn)領(lǐng)域行業(yè)同樣應(yīng)用廣泛，其中的土木工程教育對虛擬仿真的應(yīng)用也變得越來越充分，如城市規(guī)劃、工程實驗[3]等。但是國內(nèi)外主流期刊信息中，目前未見有關(guān)于建筑工程模塊化虛擬仿真資源的研究。

《土木工程材料》在建筑教學(xué)體系中占有重要地位，但傳統(tǒng)教學(xué)方式具有頗多缺陷。如內(nèi)容體系單一，課程的能力輸出效果差，實驗和理論課內(nèi)容不連貫，理論和應(yīng)用聯(lián)系不緊密。等等。而模塊化教學(xué)有效克服了這些弊端，其核心是界定任務(wù)模塊。

本文以《土木工程材料》模塊化課程為例，通過其中的核心任務(wù)模塊，嘗試如何有針對性地構(gòu)建符合模塊化特色的虛擬現(xiàn)實資源，將桌面式-沉浸式虛擬技術(shù)融入現(xiàn)代課堂和課后實驗實踐，對現(xiàn)有教學(xué)媒體和方法進行補充，提供更加個性化的學(xué)習(xí)資源和空間。

1 需求分析與資源構(gòu)建

這里選擇了任務(wù)模塊“裝飾裝修材料應(yīng)用設(shè)計和效果分析”，本模塊要求熟悉倉儲式建材市場各類琳瑯滿目的裝飾裝修材料，通過合理選擇應(yīng)用到家庭裝飾工程中，主場景是建材大市場和住宅內(nèi)部裝修。

交互功能的實現(xiàn)。在每個場景中，系統(tǒng)不僅很好地展示了各種琳瑯滿目的產(chǎn)品，而且提供了良好的交互性，學(xué)生可以自由選擇虛擬場景、自由選擇中意的裝飾材料，全方位觀察和對比實際應(yīng)用效果，漫游于虛擬場景中，在這部分模塊內(nèi)容上，交互功能的實現(xiàn)是整個系統(tǒng)的核心和亮點所在。

交互功能入手角度，可以是從低檔和高檔材料所對應(yīng)的不同技術(shù)經(jīng)濟性能，也可以是不同的裝飾設(shè)計風(fēng)格，等等。學(xué)生在素材數(shù)據(jù)庫中選擇材料不同的技術(shù)性能指標(biāo)，獲得不同的材質(zhì)，檢驗對應(yīng)的裝飾效果。比如可調(diào)用的素材庫中所用到的地面裝飾材料，有地板、地磚、地毯等，而其中的地板，又可細分為實木地板、強化地板、復(fù)合地板、塑料地板、地板革等不同品種(圖1)。

圖1 系統(tǒng)交互功能需求模塊

2 選擇工具軟件

豐富的交互性被作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺的首要標(biāo)準(zhǔn)。三維引擎軟件Quest3d支持VR大多數(shù)虛擬外設(shè)，提供了圖形化的模塊開發(fā)功能；支持多層次貼圖，還可以收集項目的所有貼圖；擁有對大規(guī)模場景的渲染能力，結(jié)合光照貼圖實現(xiàn)細致的場景渲染效果；支持高效的碰撞檢測，能精確地進行物體約束；支持 GUI 界面，通過可視化設(shè)計豐富交互功能；支持場景導(dǎo)航，通過平面圖的鏈接，進而跳轉(zhuǎn)到三維場景的任意位置；可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，方便多人在線互動，分享體驗，共享資源。本項目主要是利用了Quest3D這些優(yōu)勢實現(xiàn)技術(shù)開發(fā)。

本系統(tǒng)的前期三維制作主要使用 3DS MAX。此軟件常用來配合游戲引擎制作三維場景和角色，在教育教學(xué)領(lǐng)域，一般被用來設(shè)計三維教學(xué)動畫和虛擬現(xiàn)實場景。

此外還需要用到圖像處理軟件Fireworks和Photo shop，動畫制作軟件Flash，WEB開發(fā)腳本語言C#和Javascript，數(shù)據(jù)庫MySQL，矢量繪圖軟件AutoCAD，三維建模軟件 3D Coat。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實施

3.1 數(shù)字化模型的素材準(zhǔn)備

項目的首要任務(wù)是需要詳盡的素材收集。因為本任務(wù)虛擬現(xiàn)實需要展示的內(nèi)容是重現(xiàn)在真實世界中存在的場景或物品，并不是表現(xiàn)在真實世界中并不存在的場景或物品。所以在動手進行三維建模之前應(yīng)當(dāng)盡可能地收集第一手資料。通常需要收集的素材包括：設(shè)計圖紙或測繪圖紙、參考照片、紋理照片、視頻資料等。

資源素材數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程案例等文本素材；倉儲式建材裝飾市場全景圖、局部圖；各種裝飾裝修材料及其不同的顏色質(zhì)感等圖片素材，等等。

3.2 虛擬場景的構(gòu)建和數(shù)據(jù)導(dǎo)入

構(gòu)建虛擬場景總體任務(wù)，首先要對整個場景的布局安排進行設(shè)計，接著畫出指導(dǎo)建模的草圖并建立出初步模型，然后給建模出的物體賦上材質(zhì)和貼圖，再將這部分模型整合到主體建筑的場景中，最后給場景布置燈光，從而完成整個場景的設(shè)計。

模塊中裝飾材料品種很多，但是VR 場景的模型個數(shù)過多也會直接影響到場景的導(dǎo)出和打開速度，這里采用的是實時渲染，即更改品種后無須任何等待時間即可看到結(jié)果，所以只需要事先設(shè)置好材料的顏色、外形模型和鍵盤模型，就可以“所見即所得”地嘗試各種不同組合方案，哪怕品種數(shù)量再多也可從容應(yīng)對。模塊中主場景是裝飾大市場全景和住宅建筑室內(nèi)裝飾效果(圖2、圖3)。

圖2 3D Coat 對裝飾材料大市場建模 圖3 Ds Max對室內(nèi)裝修效果渲染

Quest3D中一個逼真的三維場景需包含相機、燈光和模型三要素。相機用來定義觀察場景的視角，裝飾設(shè)計需要設(shè)置不同的相機模式；裝飾效果設(shè)計是室內(nèi)場景，需要定義燈光在不同角度觀察下的明暗程度；除了相機和燈光，還可以通過對模型表面的發(fā)光處理來使模型呈現(xiàn)更自然的效果，如果虛擬場景中只有模型則會顯得單調(diào)，因此需要通過貼圖的制作來實現(xiàn)系統(tǒng)背景的生成和處理，同時貼圖技術(shù)還可以對模型的材質(zhì)進行處理，使其更加逼真[4]。本系統(tǒng)中涉及到大量需要具備良好裝飾效果的瓷磚涂料等部件，需要用到貼圖，因此需要 Photoshop 對這些圖片進行處理，以使其有更好的視覺效果。

3.3 交互控制邏輯

為了實現(xiàn)素材的擴充和更新功能，支持數(shù)據(jù)擴展，數(shù)據(jù)庫是最好的選擇。利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)素材庫中的各種裝飾裝修材料圖片，連接數(shù)據(jù)庫的虛擬現(xiàn)實場景可以進行信息定位，Quest3D中可以通過ODBC創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，豐富了裝飾材料素材庫內(nèi)容。

可以實現(xiàn)素材數(shù)據(jù)庫查詢。My SQL 對應(yīng)的是 DB Driver My SQL 模塊，數(shù)據(jù)庫連接成功后，DB Query 模塊的屬性面板中輸入查詢代碼，例如，在裝飾材料品種表格里查找黑色大理石地磚代碼是：SELECT stone FROM table1 WHERE name=marble AND color=black。

易于擴展而將視圖與邏輯控制分離是開發(fā)過程中的重要且必須要做的工作[5]。在開發(fā)過程中，如果需求變更頻繁，有時面臨大規(guī)模的內(nèi)容刪改，此時開發(fā)人員可將內(nèi)容抽象、分離為功能單一的模塊，降低系統(tǒng)的耦合性，使系統(tǒng)靈活性提高。

通過上述幾點關(guān)鍵技術(shù)使用，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)中交互性需求。

3.4 碰撞檢測和平移旋轉(zhuǎn)操作算法設(shè)計

根據(jù)本系統(tǒng)關(guān)于三維封閉式室內(nèi)裝飾效果的虛擬仿真，采用效率最髙的適用于立方體對象之間的碰撞器Box Collider，基于 OBB方向包圍盒技術(shù)[6]，關(guān)鍵在于確定一個最佳方向，來建立該方向上的最小包圍盒尺寸。

模塊中室內(nèi)裝飾空間移步等，需要位移矩陣在鍵盤的作用下實現(xiàn)變化，進而形成平移和旋轉(zhuǎn)動作，平移旋轉(zhuǎn)矩陣為四維變換矩陣，是以矩陣相加的方式實現(xiàn)的[7]。設(shè)模型空間的齊次坐標(biāo)為[x0,y0,z0,1]，坐標(biāo)平移變換后的空間坐標(biāo)[x1,y1,z1,1]，各坐標(biāo)軸的平移量vx,vy,vz,可得平移算法的變量計算表達式見式(1)。

(1)

設(shè)物體繞x軸旋轉(zhuǎn)θ角度從坐標(biāo)(x0,y0,z0)旋轉(zhuǎn)至(x1,y1,z1)，則坐標(biāo)變換表達式見式(2)。

(2)

4.5 腳本語言功能開發(fā)

Quest3D支持C#、javascript 或Lua等腳本語言的功能開發(fā)，本系統(tǒng)相關(guān)需求通過編程實現(xiàn)，如場景連接，材料品種名稱顯示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件鼠標(biāo)拖動等。

(1)裝飾市場各場景的連接通過點擊按鈕觸發(fā)功能實現(xiàn)[8]，也可用 public 聲明一個 Button 按鈕，點擊實現(xiàn)場景切換，C#語言腳本代碼如下：

public class Connect Mode :Mono Behaviour {

public void On Button (string scene Name)

{Application.Load Level(scene Name);}}

(2)改變裝飾材料(內(nèi)墻涂料、壁紙、窗簾、內(nèi)墻磚等)的顏色。

if(is Change)

{ for(int i=0;i

change Color painting[i].positon= painting[i].position;

painting[i].game Object.Set Active(false);

change Color painting[i].game Object.Set Active(true);} }

else

{ for(int i=0;i

{ change Color painting[i].positon= painting[i].position;

painting[i].game Object.Set Active(true);

change Color painting[i].game Object.Set Active(false);} }

(3)裝飾材料品種打包文件“Create Asset Bundles”實現(xiàn)在線更新。

public class Create Asses Bundles {

[Menu Item("Assets/Build Asset Bundles")]

static void Build All Asset Bundles() {

string dir = "Asset Bundles";

if (Directory.Exists(dir)==false)

{Directory.Create Directory(dir);}

Build Pipeline.Build Asset Bundles(dir,Build Asset Bundle Options.None,Build Target.Standalone Windows64);}}

4 系統(tǒng)實施

該模塊只是實現(xiàn)對裝飾材料的應(yīng)用認知，則只需要展示操作設(shè)備或儀器的三維立體全景圖。可以以不同的角度對該物體進行 360 °觀察，觀察可以通過鼠標(biāo)來操作虛擬對象的角度轉(zhuǎn)動即可，這對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸性要求不高，通過桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就可以實現(xiàn)(當(dāng)然也可以在虛擬仿真實驗室做沉浸式體驗)；同時適合用于大屏幕投影，使用于課堂上，用于裝飾材料內(nèi)容教學(xué)；也可實現(xiàn)桌面式互動交互，選配材料。重點適用于建筑學(xué)專業(yè)，可擴展各種綠色建材的內(nèi)容。既能在普通計算機上獨立運行，也可以在課堂上通過投影播放，可戴上VR眼鏡或不戴，具有較強的可操作性。

5 結(jié) 論

以Quest3D作為主要工具軟件，可以有效構(gòu)建“裝飾裝修材料設(shè)計與應(yīng)用”教學(xué)模塊的虛擬仿真資源，實現(xiàn)了裝飾材料任意替換的實時性和可視化，具有很強的實際應(yīng)用仿真效果，符合模塊化教學(xué)的指導(dǎo)思路。