虛擬攝像實驗室設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：VRML作為Internet上的3D文件的交換、描述標準，為基于Internet的虛擬現(xiàn)實環(huán)境的實現(xiàn)提供了一個可行的解決方案。研究開發(fā)仿真攝像實驗的系統(tǒng)，將會在電視藝術(shù)類實驗教學(xué)中發(fā)揮重要作用，擺脫實驗教學(xué)受器材不足、學(xué)時不足的問題。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬實驗；攝像實驗

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)23-1038-02

Design and Implementation of Virtual Shooting Experiment Laboratory

DUO Tian-lin， MAO Wen

(Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China)

Abstract: As the exchange and the description standard of the 3D document in Internet， VRML has provided a viable solution to realization of the virtual reality environment based on Internet. The research on developing a simulation system of Camera shooting experiment will be beneficial to TV art experiment teaching. It will make shooting experiment get away from the predicament of device shortage and learning hour shortage.

Key words: virtual reality technology; virtual experiment; shooting experiment

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段，目前在國外已被廣泛應(yīng)用在軍事教學(xué)、體育訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)實習和一些普通中學(xué)的實際教學(xué)中。本文的研究將利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合三維場景開發(fā)軟件3DS MAX與VRML語言構(gòu)建虛擬攝像實驗室，將攝像經(jīng)驗知識賴以產(chǎn)生的器物操作通過軟件系統(tǒng)呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生在模擬系統(tǒng)中的掌握攝像機的基本操作，完成攝像實驗中所要求的部分實驗環(huán)節(jié)。

1 設(shè)計思路

電視攝像虛擬仿真的設(shè)計目標是為學(xué)生提供一個進行攝像虛擬實驗的條件和環(huán)境。 使學(xué)習者通過在其中的學(xué)習掌握實驗的基本知識，并從一定程度上熟悉和掌握實驗內(nèi)容。以便結(jié)合傳統(tǒng)實驗高效優(yōu)質(zhì)地達到實驗的教學(xué)目標。設(shè)計思想上強調(diào)充分運用虛擬實驗技術(shù)， 結(jié)合多種媒體手段和表現(xiàn)形式，彌補以往實驗教學(xué)中實驗課時有限、實驗設(shè)備套數(shù)不足等問題。 通過虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的方式改革我們的實驗教學(xué)模式，高效優(yōu)質(zhì)地完成實驗教學(xué)。

2 設(shè)計目標

通過研究與設(shè)計，預(yù)計虛擬攝像仿真達到的以下要求：

1）通過3D漫游技術(shù)為學(xué)習者呈現(xiàn)虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)習者“置身”于三維環(huán)境中，以攝像師的身份練習攝像機機位的選擇、角度的選擇、景別的選擇等。

2）用3D建模加CULT3D、Java等技術(shù)實現(xiàn)了對攝像機的模擬交互觀察和基

操作，通過鼠標點擊虛擬攝像機達到攝像實驗中要求的部分實驗環(huán)節(jié)，例如變焦、改變角度、改變機位、運動攝像等功能。

3）用流媒體的片斷視頻或動畫演示實驗操作

3 虛擬實驗實現(xiàn)的總體技術(shù)方案概述

3.1 用 VRML 或建模軟件建立相應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ?/p>

這是整個實驗的基礎(chǔ)，是用戶要直接面對的，因而應(yīng)該盡量將模型做的逼真，美觀。VRML本身就是一種三維網(wǎng)頁的建模語言，編寫者可以采用簡單的文本編輯器來書寫，另外，大部分建模工作可以在3D MAX中完成，導(dǎo)出VRML建模語言場景文件。

3.2 選取合適的 VRML 瀏覽器

由于 VRML 編寫的 web 模型具有其特殊的格式(*.wrl)，應(yīng)該采用其專有的瀏覽器來觀看，或者可以在IE， Navigator中裝上相應(yīng)的插件。一些比較常見的瀏覽器和插件有:CosmoPlayer， Worldview， Viscape， Cortona等。

3.3 對實驗進行模型分析

對于對于一個復(fù)雜的機械類或電子類實驗設(shè)備，要在程序中實現(xiàn)，對實驗過程進行數(shù)學(xué)建模是必不可少的。數(shù)學(xué)模型的正確與否是整個實驗的關(guān)鍵，并直接關(guān)系到實驗的最終效果。而對于攝像實驗的仿真，模型分析也是必要的，但相對比較簡單，很多實驗環(huán)節(jié)是定性的，非定量的，比如輸入交互中選擇“減小焦距”，輸出的結(jié)果是“推鏡頭”的畫面效果，輸入“側(cè)機位拍攝”，輸出主體側(cè)面的畫面效果。

3.4 確立與 VRML 場景的交互方法

VRML 語言本身具有一定的交互能力，當用戶只是需要一些簡單而且單一的動畫時，不需要再求助于其他的程序語言，但是實際情況中，特別是在實現(xiàn)虛擬實驗的場合，往往需要結(jié)合實驗人員相當復(fù)雜的交互行為，這是僅僅采用VRML本身難以勝任，需要在虛擬現(xiàn)實編輯軟件中完成，如在 CULT3D 中完成大部分交互功能。另外，如果涉及到更為復(fù)雜的交互，就需要借助于第三方語言來補充，如JavaScript， Java等。

3.5 完成代碼的編寫、修改和測試

不論是三維場景的構(gòu)建和交互的設(shè)置，都要涉及到代碼的編寫，不過本課題中，代碼的編寫主要在后期交互的設(shè)置中進行，前期場景的構(gòu)建主要在 3DMAX 中完成，也涉及部分代碼的修改和補充。要完成交互功能，會有很多代碼的編寫工作和程序的編制工作。

3.6 實驗平臺的搭建

在虛擬實驗室平臺的搭建方面，本課題將使用目前常用的網(wǎng)頁制作技術(shù)（HTML、ASP、Javascript)動畫制作技術(shù)、圖像處理技術(shù)等，靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)頁制作技術(shù)主要用于實驗內(nèi)容的排版與設(shè)計及實驗室學(xué)習交流平臺的建設(shè)，二維和三維動畫制作技術(shù)用于虛擬實驗環(huán)境的創(chuàng)設(shè)和部分實驗效果和實驗步驟的演示，以及制作一些實驗內(nèi)容的輔助學(xué)習軟件。

4 電視攝像虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 虛擬實驗室總體結(jié)構(gòu)

參照虛擬實驗室構(gòu)建的一般模型，在對攝像實驗的具體問題進行分析的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了虛擬攝像實驗室的總體結(jié)構(gòu)。該虛擬實驗室主要包括虛擬實驗環(huán)境、知識分析、虛擬實驗和學(xué)習交流四個模塊組成，如圖1所示。

4.2 各模塊的功能說明與實現(xiàn)技術(shù)方案

1）虛擬實驗環(huán)境模塊將構(gòu)建一些電視攝像中常見的場景，學(xué)生以電視攝像師的身份“置身”其中，練習如何布置機位，如何選取角度，如何按照不同節(jié)目的類型進行構(gòu)圖。

本虛擬攝像實驗室中構(gòu)建的主要場景有：虛擬建筑場景、虛擬風景場景、虛擬人物、虛擬會議場景，虛擬事件場景等。

場景開發(fā)的基本流程如圖2所示。

具體開發(fā)的開發(fā)過程和開發(fā)的場景文件我們在第四章中討論。

2） 知識分析模塊主要是為學(xué)習者提供實驗背景知識的學(xué)習條件。 我們認為在學(xué)習者進行虛擬實驗之前有必要充分學(xué)習和理解與實驗有關(guān)的背景知識，這個模塊將對于實驗的過程和效果都將起到積極的作用。

這一部分是對攝像實驗中涉及到的知識點的文字表述，主要包括以下內(nèi)容：攝像機的基本原理、攝像機的基本操作、攝像的取景與構(gòu)圖。

例如知識點“攝像機的基本原理”，將提供攝像機的組成部分介紹，每部分的功能，重點介紹鏡頭的組成，鏡頭焦距和光圈對于景別的影響等。

再如知識點“攝像機的基本操作”將介紹幾種常用技巧的的操作方法，以及他們在攝像中的應(yīng)用特點：

推鏡頭：主要用于表現(xiàn)突出主題，引導(dǎo)觀眾的視線集中到主題上，操作方法為按變焦按扭的“T”鍵。

搖鏡頭:主要用于表現(xiàn)宏大的場面，在一次構(gòu)圖中不能將場景攝入攝像機的鏡頭范圍內(nèi)可以采用搖鏡頭，操作方法為機位不動，攝像機的拍攝方向勻速移動。如圖3所示。

3） 虛擬實驗?zāi)K是學(xué)生的網(wǎng)上實驗室，學(xué)生將在這里進行實驗儀器的認識和實驗過程的學(xué)習， 并完成相關(guān)的實驗操作。這也是本課題研究的難點和關(guān)鍵所在，通過研究設(shè)計，實現(xiàn)電視攝像實驗中的基本操作、取景與構(gòu)圖、用光等實驗環(huán)節(jié)。每項實驗都按照一般實驗的流程設(shè)有實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗步驟、實驗注意事項、思考題和實驗報告六個基本部分，此外還根據(jù)具體實驗的特點增加了必要的部分。這一部分將在第五節(jié)中重點討論。

4） 學(xué)習交流模塊可供師生進行多對多的交流和答疑，這不僅可以讓學(xué)習者互幫互學(xué)，共享學(xué)習經(jīng)驗和成果，同時也是可以彌補虛擬實驗相對傳統(tǒng)實驗效果的不足，便于老師答疑解惑。

5 結(jié)束語

本文參照一般虛擬實驗室的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了虛擬攝像實驗室的總體結(jié)構(gòu)，并闡述了每部分的功能與實現(xiàn)技術(shù)方案。虛擬攝像實驗室按設(shè)計要求由四大模塊組成：虛擬三維場景模塊、知識分析模塊、虛擬交互實驗?zāi)K、學(xué)習交流模塊。利用四個模塊共同完成對攝像實驗的仿真教學(xué)。

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