基于maya與After Effects CS4軟件的地學(xué)三維仿真模擬

王超勇++吳承龍++王章磊

【摘要】三維模擬系統(tǒng)具有具有視、聽(tīng)、觸、味等多種感知效果，通過(guò)三維實(shí)體模型創(chuàng)建，可以恢復(fù)地質(zhì)歷史演化過(guò)程，學(xué)生具有身臨其景的感受，提高學(xué)生興趣和實(shí)習(xí)效果；該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)我?；A(chǔ)地質(zhì)教學(xué)具有十分重要的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】三維模擬 地質(zhì)實(shí)習(xí) Maya軟件

【基金項(xiàng)目】本項(xiàng)目中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2014年度教改項(xiàng)目支持，項(xiàng)目編號(hào)2014YB20。

【中圖分類(lèi)號(hào)】P208 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）29-0052-02

一、前言

利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)技能的訓(xùn)練是目前職業(yè)培訓(xùn)的一種重要方式。地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，是地質(zhì)教育重要的環(huán)節(jié)；目前，我們只注重課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本的觀察與認(rèn)識(shí)；現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。采用計(jì)算機(jī)圖形、圖像和多媒體技術(shù)模擬地質(zhì)現(xiàn)象的形成過(guò)程的軟件系統(tǒng)，具有三維礦山與地質(zhì)場(chǎng)景顯示。直觀地質(zhì)過(guò)程模擬，飛行漫游和學(xué)習(xí)效果測(cè)驗(yàn)等功能的模擬教學(xué)系統(tǒng)十分迫切和急需。該系統(tǒng)對(duì)輔助地質(zhì)教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，改變地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)方式具有重要作用，在系統(tǒng)中，幾個(gè)關(guān)鍵的實(shí)習(xí)過(guò)程及基本技能培訓(xùn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，參照第三人稱(chēng)角色扮演游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特之處在于三維地質(zhì)景觀的創(chuàng)建與動(dòng)態(tài)人機(jī)交互過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，此項(xiàng)技術(shù)的采用使得用戶(hù)在虛擬地質(zhì)世界中進(jìn)行學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和操作，具有身臨其境之感，學(xué)生可根據(jù)學(xué)習(xí)要求選擇不同實(shí)習(xí)路線和內(nèi)容。

目前有北京大學(xué)、吉林大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)了地學(xué)仿真系統(tǒng)，中科院武漢巖土所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、西安科技大學(xué)等單位和學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的工作。運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院與西安和利德軟件有限公司開(kāi)發(fā)的礦山采掘系統(tǒng)，具有較為先進(jìn)理念和較為完整教學(xué)體系；作為礦業(yè)高等院校，開(kāi)發(fā)引領(lǐng)先進(jìn)技術(shù)，對(duì)提高礦山與地質(zhì)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

本仿真系統(tǒng)研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是必要性，地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)是地學(xué)與采礦等相關(guān)專(zhuān)業(yè)，學(xué)習(xí)地質(zhì)知識(shí)和掌握地學(xué)研究基本技能的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是大學(xué)生進(jìn)入地質(zhì)領(lǐng)域的敲門(mén)磚；二是迫切性，由于學(xué)生數(shù)量多，師生間的交流少，急需一套完善的教學(xué)體系，以彌補(bǔ)交流互動(dòng)的不足；三是逼真性，枯燥無(wú)味的說(shuō)教，效果差，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，那么，仿真系統(tǒng)的直觀性和生動(dòng)性是一般教學(xué)方法難以達(dá)到的效果，可以解決這個(gè)難題。由于地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)需要真實(shí)，盡量接近實(shí)際，實(shí)際材料適合用Maya等軟件來(lái)表現(xiàn)，具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

二、野外數(shù)據(jù)的獲得與整理

鑒于柳江盆地現(xiàn)有的豐富的前人研究資料以及大量的野外露頭的地質(zhì)工作，通過(guò)野外的樣品收集和對(duì)各時(shí)代特征地層、特征地質(zhì)構(gòu)造以及特征地質(zhì)現(xiàn)象的觀察等手段，對(duì)柳江盆地的5條地質(zhì)路線進(jìn)行了以下工作。

1.地質(zhì)路線剖面測(cè)量，系統(tǒng)測(cè)量柳江盆地各個(gè)剖面的巖性特征，構(gòu)造特征以及成因研究。

2.對(duì)各個(gè)剖面的觀察點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)描述和解釋。

3.采集相關(guān)微觀和宏觀照片和錄像資料。

三、幾何模型的建立

三維物體幾何模型主要包含線框模型、表面模型和實(shí)體模型，將對(duì)其中幾種主要模型以及其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)表達(dá)形式進(jìn)行說(shuō)明，尋找并且建立一種比較適合于地質(zhì)體三維模型表達(dá)的結(jié)構(gòu)形式。

1.線框模型

主要用來(lái)表達(dá)通過(guò)數(shù)學(xué)模型表示的簡(jiǎn)單物體，用頂點(diǎn)和棱邊來(lái)表達(dá)物體形狀（圖1）。

（1）優(yōu)點(diǎn)：

構(gòu)造線框模型操作簡(jiǎn)單，處理速度快且占用內(nèi)存少，非常適用于構(gòu)思設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)圖總體位置關(guān)系的判斷等；同時(shí)利用投影變換，從三維線框模型能夠方便地生成各種所需要的投影圖。

圖1 線框模型-褶曲地層

四、實(shí)際應(yīng)用效果

該系統(tǒng)的建立，改變了以往學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面，提高了學(xué)習(xí)的積極性；原來(lái)需幾十個(gè)學(xué)時(shí)教完的內(nèi)容，學(xué)生可以在幾個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成。大學(xué)一年級(jí)的地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，是認(rèn)識(shí)和識(shí)別地層巖性、構(gòu)造現(xiàn)象的過(guò)程；只有對(duì)客觀事物有了深入認(rèn)識(shí)，才能理解它們成因和形成過(guò)程；才能從實(shí)踐上升到理論；通過(guò)老師野外講解，再通過(guò)該系統(tǒng)復(fù)習(xí)，再認(rèn)識(shí)，再實(shí)踐，不斷加深印象。對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，是一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，不可能在2周時(shí)間內(nèi)就有質(zhì)的認(rèn)識(shí)和飛躍；因此，該系統(tǒng)可以隨時(shí)學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)，節(jié)約了野外講解的時(shí)間，把有限的時(shí)間主要用到認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象，大大提高了教學(xué)效率和效果。

在野外烈日炎炎的環(huán)境，學(xué)生體力疲勞、興趣減少；該系統(tǒng)預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，節(jié)約了野外時(shí)間；通過(guò)仿真系統(tǒng)與實(shí)際對(duì)照學(xué)習(xí)，加深了印象，鞏固了知識(shí)。

同時(shí)，激發(fā)了學(xué)生潛能，提高了教學(xué)質(zhì)量，灌輸式實(shí)習(xí)模式是一種傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法；學(xué)生接受多少，老師難以掌握，有時(shí)抽查或提問(wèn)某一個(gè)同學(xué)問(wèn)題，不能掌握整體教學(xué)效果。該系統(tǒng)具有檢驗(yàn)功能，自動(dòng)打分和評(píng)判；學(xué)生可以使用模擬軟件，以游戲的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而激發(fā)了學(xué)生潛能；可以進(jìn)行比賽，消耗時(shí)間短、迅速、快捷，是老師的好幫手。

五、結(jié)論

地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的建立，把野外現(xiàn)象搬到了室內(nèi)，把固定的地質(zhì)現(xiàn)象變?yōu)閯?dòng)感的地質(zhì)過(guò)程，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；該系統(tǒng)具有教學(xué)管理各種功能如布置作業(yè)、批改作業(yè)和評(píng)分等；以及隨時(shí)隨地瀏覽功能，可以在手機(jī)上學(xué)習(xí)；同時(shí)具有相互交流，解答問(wèn)題，做到有問(wèn)必答。從而起到了事半功倍、節(jié)約時(shí)間提高效率；激發(fā)了學(xué)生潛能，提高了教學(xué)質(zhì)量，具有廣泛的推廣價(jià)值。

六、結(jié)論

利用Maya三維軟件與AfterEffectsCS4視頻編輯軟件，可以進(jìn)行三維動(dòng)漫影聲制作，學(xué)生和教師較容易掌握，制作課件，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

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第一作者簡(jiǎn)介：

王超勇，（1966-），從事地學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、礦產(chǎn)資源勘查與評(píng)價(jià)教學(xué)工作。