現代遠程教育起重機械虛擬實驗中V-Ray渲染器的應用探索

徐磊+徐金帥+焦博+許濱

摘 要：V-Ray渲染器是一款專業的3D渲染引擎，運用它可以生成質量高真實感強的圖象。它由Chaos Group和Asgvis公司出品，在虛擬現實領域三維模型和后期材質的處理上得到了廣泛的應用和認可。在場景中使用該渲染器能夠獲得更加準確的光能分布，獲得更快的渲染速度，模擬光線的反射和折射更加逼真。在對V-Ray渲染器的特征及功能分析的基礎上，從V-Ray渲染器應用于起重機械實驗教學的基本原則及新技術對傳統教學模式的影響等方面，探討了V-Ray渲染器在起重機械實驗課程教學中運用的技術路徑及設計框架。

關鍵詞：繼續教育；V-Ray渲染器；起重機械；課程建設

中圖分類號：G726 文獻標識碼：A

科技進步及各項新技術的應用為人類的生產和生活方式帶來了諸多變化。尤其是近年來以計算機為基礎、互聯網為支撐的信息技術的發展， 推動了世界的活力與互動， 使人類有了前所未有的關聯，也為教育全球化發展增添了一股新的重要動力。

同時，在軟件的應用與開發方面， 工具性軟件的作用更為突出，人們能運用它們成功的描繪自身可能想象到的任何事物， 并將其以仿真模擬立體三維的形式展現出來。基于虛擬現實技術的潛力和優勢， 本文將探討V-Ray渲染器在現代遠程繼續教育起重機械實驗課程建設中的應用。

一、V-Ray渲染器的介紹和功能特點

三維模型的真實感渲染一般是指把用戶提供的建模與設置的照明以及材質、背景等各種素材綜合到一起，制作成一個具有光影效果的圖像文件。該圖像文件必須經過計算機軟件對模型的綜合計算（渲染）才能制作出來。

目前全球出色的渲染器有下面幾種，如：Chaos Software公司的V-Ray、SplutterFish公司的brazil、Cebas公司的Finalrender、Autodesk公司的Lightscape等。這幾款渲染器都各有其特點，但V-Ray的靈活性、易用性更加突出，而且V-Ray還被業內譽為焦散之王。V-Ray for 3dmax是3dmax的超級渲染器，是專業渲染引擎公司Chaos Software公司設計制作的擁有Raytracing（光線跟蹤）和Global Illumination（全局照明）渲染器，用來替代Max原有的Scanline render（線性掃描渲染器），V-Ray還包括了其他增強性能的特性，包括真實的3d Motion Blur（三維運動模糊）、Micro Triangle Displacement（級細三角面置換）、Caustic（焦散）、通過V-Ray材質的調節完成Subsuface scattering（次表面散射）的效果、和Network DistributedRendering（網絡分布式渲染）等等。V-Ray特點之一就是渲染速度快（比FinalRender的渲染速度快20%），目前許多設計公司都使用它來制作產品效果圖，就是看中了它渲染速度快效果好的優點。V-Ray是一種結合了光線跟蹤和光能傳遞的渲染器，其真實的光線計算可以創建出專業的照明效果。可用于工業產品設計、展示設計等多個領域。

二、以V-Ray渲染器技術應用于起重機械實驗教學的基本原則

（一）專業性與場景性相結合

專業性與場景性是實驗教學的特征。實驗教學是以培養學生專業操作能力為核心，而專業操作能力的培養需要在一定工作場景下進行。因此，以V-Ray渲染器技術為依托的虛擬現實實踐教學應注重專業分析與調研，以真實作業任務及其作業過程為依據，整合、優化教學內容，設計教學任務，充分利用虛擬現實技術沉浸性的特點，突破時空限制，構建出適合教學任務的多種沉浸式教學環境，真實地再現和模擬起重機作業場景，將專業的學習置身于一定的場景之中，融“教、學、做”為一體，使學習能適應不同的場景，在實際工作中能有更廣泛的遷移，使專業性與場景性相結合。

（二）交互性與典型性相結合

隨著科學技術在實驗教學改革應用的不斷深入，在設計虛擬現實實踐教學系統時，應充分利用以V-Ray渲染器技術為依托的虛擬現實技術所具有的交互性特點，實現多協作、高互動的教學活動，充分體現學生學習過程的認知參與，培養協同解決問題的能力，使學生在虛擬教學環境中完成相應的學習任務。同時，在構建實驗教學系統的過程中，應選擇典型、主流、先進的設備和技術，掌握完成相應工作任務或解決較復雜的綜合性問題的設計方法和操作技巧，從而更好地適應將來實際工作的要求。做到交互性與典型性相結合。

（三）知識性與趣味性相結合

知識性是指學生需要掌握的專業知識、職業技能和操作方法。合理利用虛擬現實技術可以較好地體現知識性。趣味性是指實驗教學所具有的吸引力和感染力，趣味性既是學習者認知與行為特點的要求，更是實驗教學的基本特征。趣味性的關鍵是學習者的積極參與和有效反饋，能夠“因材施教”。這對于虛擬實驗教學的設計提出了較高的要求。在虛擬現實實驗教學設計中，應合理利用V-Ray渲染器技術為依托的的虛擬現實技術交互性的構想性特點，根據學生的認知和心理發展水平，針對教學內容創設實踐教學情境，營造寬松學習氛圍，培養和激發學生學習興趣，拓展學生思維和想象的空間，幫助他們掌握起重機械專業知識，落實和強化實驗教學的知識性，培養學生的創造力。

三、現代遠程繼續教育起重機械虛擬實驗系統實現

以現代遠程繼續教育起重機械虛擬實驗的虛擬化和信息化為目標，采用不同的建模方法和優化技術，創建三維模型庫。在軟件工程設計思想的指導下，遵循結構化、模塊化、層次化的原則，開發三維起重機械虛擬實驗系統。

（一）材質貼圖的處理

在進行系統設計前，應對所起重機作業場景進行實地考察，進行大量的拍照和精細圖紙繪制工作環境，并通過圖片處理軟件對貼圖進行處理。可以采用Adobe公司出版Photoshop CS5，根據設備、環境場景對圖片的分辨率和精度的不同要求，將采集的圖像進行大小調整、雜質去除、亮度、對比度調節和銳化等效果處理，制作起重機模型的材質貼圖。endprint

（二）三維場景的構建

1.三維建模

三維模型制作在3DMAX中，利用多邊形建模技術，根據制作的起重機三維模型確定起重機作業的具體位置，認真觀察現場照片確定起重機的具體結構，采用自下向上的方法制作。制作時，要對形體高度的概括，大力控制面的數量，消除多余的多邊型面，降低整個起重機作業場景的復雜度，做到形體準確、概括、數據量小，從而降低場景實時渲染的復雜度，保證系統能夠流暢運行。圖1是起重機械虛擬實驗系統框圖。

2.場景優化

虛擬展示系統要求實時動態逼真地模擬起重機作業環境，考慮到硬件的限制和虛擬現實系統的實時性的要求，虛擬展示系統的建模應當遵循一個原則：在能夠保證視覺效果的前提下，盡量采用比較簡單的模型。因此在創建場景時進行模型優化很重要，建模時主要采用以下方法：一是刪除隱藏面。在場景中的對象里刪除看不見的面。起重機模型的結構有些部分是不可見的，這些面對于顯示效果沒有幫助，但是會消耗系統資源。同時在有關視覺設計方面不要試圖獲取非常高的精確度。二是減少分段數。減少面的數量的最簡單的方法就是在所建立的基本幾何體中減少分段數。在3DMAX中對起重機部件建模，基本幾何體中分段數的默認設置將生成過多的面。可以建立基本幾何體后，轉到Modify面板調整減少分段數。在滿足要求的前提下，應盡量減少模型的點數、段數，不要過于苛求細節部位，盡可能使用模擬的幾何體。三是使用紋理貼圖。起重機各部件模型的有些細節可以運用紋理貼圖實現，盡管使用紋理貼圖增加了下載時間和屏幕重畫時間，但這比給起重機作業場景建造細節的代價要小得多。好的紋理貼圖能使虛擬場景看起來栩栩如生。通過在圖形上使用不同的紋理貼圖以及改變尺寸和方向，可以使起重機作業場景看起來與實際形狀不同。

（三）烘焙場景的完善

為了保證烘焙后的顯示效果，烘焙前還要做一些前期的工作：更改重名模型和檢查模型破面、重面等現象。首先設置V-Ray為當前渲染器，在渲染場景對話框中的常規選項卡中，展開指定渲染器卷展欄，然后單擊產品后的按鈕，緊接著在彈出的選擇渲染器對話框中，選擇V-Ray渲染器，最后單擊OK按鈕。這時，V-Ray渲染便被指定為當前激活使用的渲染器。在將V-Ray渲染器設置成當前激活渲染器之前，用戶需要確定已安裝了V-Ray渲染器插件，否則將無法激活V-Ray渲染器。

一般來說，紋理圖越大渲染的效果就越好。烘焙紋理也是一樣，烘焙紋理的大小直接影響最終效果。但紋理過大，對計算機的系統資源的消耗也就越大，渲染速度也就相對變得很慢。因此，對于一個復雜的起重機作業場景，需要有計劃地烘焙設置，即表面積比較大的、多邊形面復雜的應優先考慮使用較大的紋理尺寸，次要的物體可以適當地降低烘焙時的紋理尺寸。這樣便可節約有限的系統資源，從而獲得高質量的烘焙效果。

（四）三維場景中影響渲染設置的因素分析

1.圖像抗鋸齒采樣器對渲染速度的影響

V-Ray渲染器具有固定圖像采樣器、自適應準蒙特卡羅圖像采樣器和自適應細分圖像采樣器三種采樣器可供選擇，每一種采樣器具有各自的作用。根據起重機作業三維場景的特點，合理選擇采樣器，達到一個平衡點，在提高渲染圖像的品質的同時，減少渲染時間。在大型三維場景的渲染中，自適應準蒙特卡羅圖像采樣器的渲染速度是最快的；固定圖像采樣器渲染速度稍慢，而占用內存也相對較少；自適應細分圖像采樣器渲染速度最慢，占用內存最多。根據起重機各部件的圖像特性選擇不同的采樣器，就可以保證圖像的品質及渲染速度。

除了上述三種圖像采樣器以外，V-Ray還有十四種抗鋸齒過濾器可供選擇，采用不同的抗鋸齒過濾器對渲染速度也會有相應的影響，因此在渲染出圖時，可以使用默認區域方式，然后將圖像的銳化等工作留到后期處理時，也可以提高渲染工作的效率。

2.全局光引擎對渲染速度的影響

V-Ray渲染器具有發光貼圖渲染引擎、光子貼圖渲染引擎、準蒙特卡羅渲染引擎和燈光緩沖渲染引擎等四種不同的全局光渲染引擎，每種貼圖渲染引擎具有各自的特點和適用場合。

發光貼圖渲染引擎是基于發光緩存的計算方式，僅計算場景中可以看到的面，而其他的不去計算，計算速度比其他幾種引擎快一些，特別適合有大量平坦表面區域的場景。

光子貼圖渲染引擎是建立在從光源發出的并能在場景中來回反彈的一種光線粒子。它一般用于場景中近似值的計算，主要用在第二反彈里，可以讓整個起重機的作業場景變得更逼真。

準蒙特卡羅渲染引擎是最簡單的一種渲染引擎，它只有兩個參數，單獨計算每個點的GI，所以渲染速度非常慢，但是效果特別好。它能夠保護間接照明中所有的細節，尤其是在具有大量細節的場景中，對于運動模糊的計算也特別精準。

燈光緩沖渲染引擎是類似于場景中全局光照明的技術，設置比較簡單，與發光貼圖正好是相反的，是逆向的，僅需追蹤攝像機可見的光線，適合室內外場景的渲染。對于燈光的類型沒有限制，幾乎支持所有類型的燈光，預覽效果也特別快，它可以獨立完成對整個起重機作業場景的GI照明，也可以配合其他貼圖做二次反彈，能夠處理非常細小的物體和角落。

V-Ray在使用及功能等方面比其他大多數三維渲染軟件更加優秀，然而在功能強大而完善的背后是紛繁復雜的參數，所以要掌握此渲染器對起重機作業場景的模擬，首先要深入了解各個重要參數的功能。在V-Ray中影響渲染設置的因素涉及到諸多方面，渲染的品質和速度是由各種因素及參數決定的，考慮不同的因素，采用不同的參數，就會得出不同的渲染效果，而這些因素又會彼此影響、互相制約。

四、結語

起重機虛擬實驗系統基于3dsmax，Photoshop以及After Effects進行制作合成。運用3dsmax軟件創建起重機作業的實體模型，環境模型及設備模型，通過IK動畫關聯將起重機的安裝、吊裝、拆卸動作與實物關聯，結合鏡頭追蹤技術以及延時攝像技術實現現實生活中通過攝像機拍攝出來的視頻效果。掌握V-Ray渲染器的特點和用途，將V-Ray渲染器技術引入現代遠程繼續教育起重機械實驗課程建設中，制作優秀的起重機械虛擬實驗系統，改變了傳統的實驗方式，突破了學習過程的時間和空間的限制，有助于實踐教學活動開展，提高實驗效果。虛擬實驗的開發將“理論、設計、操作、驗證”融為一體，可有效地培養學生的設計創新能力。

參考文獻

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