運用虛擬現實技術破解軍校建筑美術寫生的難題★

周志遠 余詠平

(陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401331)

1 虛擬現實技術的概念及關鍵技術

1.1 虛擬現實技術的概念與發展

虛擬現實技術，英文縮寫為VR，也稱為“靈境技術”，是20世紀興起的一項全新實用技術。它將多種實用技術融合在一起，讓計算機自動模擬出真實三維場景，讓人體驗一種沉浸感，從而得到一種真實的體驗。虛擬現實技術具有自身的優越性，它能將頭腦中想象的平面圖轉變為真實的場景，人似乎置身于一個具有三維的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺的感覺世界。對于一些歷史上已經消失或殘缺不全的文物，可以通過虛擬現實技術進行虛擬修復，文物的風采又可以再次展現在人們眼前，這將不可能的事情轉換為可能。隨著人工智能、“互聯網+”時代的來臨，VR技術必將逐步成為一個新的科學技術領域。

歷史上，虛擬現實技術最先用于飛行模擬器的設計，隨著計算機技術的發展，科技又推動模擬器向大屏幕顯示器和全景式情景交互器發展。1965年，一名美國科學家發表論文，描述了以計算機屏幕作為虛擬世界窗口的設想，這被看作是虛擬現實技術研究的開端。其后，虛擬現實技術經歷了四個階段的發展，一步步的逐漸完善，出現了頭盔式三維顯示屏、數據手套、數據衣、立體聲耳機等具有虛擬交互式體驗的傳感系統。在人們的實際應用中，虛擬現實技術的優越性得到了展現，各行各業對其應用變得更加普遍[1]。

1.2 虛擬現實的關鍵技術分析

目前，虛擬現實技術應用于各行各業主要包含5個維度：第一，動態的環境建模技術：計算機利用所獲取的實時數據信息和環境參數，根據三維作圖方式建立虛擬場景。第二，實時的圖形生成技術：三維圖形的生成技術已經較為成熟，通過虛擬現實平臺收集數據，可以“實時”生成圖像。當前的研究內容主要在復雜的情況下，圖像仍然能夠清晰的生成，并且提高圖像刷新頻率。第三，立體的顯示傳感技術：依賴三維顯示屏、數據手柄、傳感衣等技術形式實現相互信息，但是，當前的硬件設備還存在一定的差距，無法實現高分辨率、無線傳輸、身體感受等功能，還需要硬件開發商進一步開發設備更好實現人機互動。第四，具體的應用系統開發：當前虛擬現實技術已經取得巨大發展，但系統還存在很多不穩定性，應用于社會生產，減輕人的負擔，仍然還有很多漏洞需要進一步解決，急需建立一個完善穩定的系統。第五，系統的集成技術：虛擬現實系統中存在大量數據信息，這些信息通過系統集成技術整合相關信息，建立起數據同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等[2]。

2 虛擬現實技術在軍校建筑美術教學各個階段中的應用

在軍校建筑美術教學中引入虛擬現實技術，是教學方法上的創新。在前期的策劃、初期的概念設計、中期的構思、后期的設計優化以及寫生過程中都發揮了重要的作用。

2.1 策劃階段的可行性

在軍校美術教學中引入VR虛擬現實技術，是教學方法上的一種創新，為輔助寫生教學提供了極大的便利條件，近年來引起了教育工作者的廣泛關注。當前，科技推動教學的進步，軍內外院校也隨著時代的進步進行教學改革，建筑美術教學重點放在了對美的認知感受和新的科技手段的運用上，引導學生去觀察、思考、分析，弱化了繁雜的美術表現技法。新的技術引入使美術教學變得不受時間、空間的限制。在美術課程中，合理利用新的科學技術，提高美術教學的效率和質量，激發學員學習興趣。軍外院校抓住了作為建筑美術課程所需要的核心素質，從而在有限的課時下達到預期的教學目標，為后期建筑設計課程打下堅實基礎。在這樣的背景下，將虛擬現實技術引入到教學是可行的。

2.2 初期的概念設計

建筑設計初期應對建筑模型的框架和其他相關元素形成基本概念，在初期不用那么具體，只需合理地考慮所表現建筑物的造型、構造及色彩，然后利用虛擬現實技術中的沉浸和交互功能建立一個模擬，這可以一定程度上幫助設計師快速的把握設計中的問題，并能夠及時的調整構思[3]。

設計師可以從世界知名建筑入手，掌握建筑物結構的詳細參數，利用軟件建成模型并利用虛擬現實的沉浸和交互功能對此進行詳細評估和分析，這就突破了在圖紙上依靠二維的平面圖形和自己想象的局限性。此時設計師的思維還處于初級階段，如果運用虛擬現實技術的沉浸和交互功能對創作對象進行多角度測量和分析，就能夠活躍設計者的思維，激發靈感。

2.3 中期的主體構思

利用虛擬現實技術對表現對象進行前期分析與測量后，根據初期的總體定位、結構特征將設想進一步細化，確定清晰的實施步驟，再配合計算機輔助軟件進行針對性地圖形表現，生成一個三維模型，并對模型進一步推敲，滿足教學的需求。設計一個建筑模型主要是為了輔助學員寫生的需求，在這個階段要對建筑材質、場景和光環境進行設計，讓學員在寫生過程中對寫生對象有一個更加直觀真實的感受。在設計時，根據學員能力的不同，可以同一個建筑設計多個場景，并仿造真實自然條件設計冷暖色光源，以表現不同環境下真實的效果。隨著設計的深入，開始對設計對象的細節進一步完善，這些元素雖然都是靜止的，但是在寫生的過程中可以豐富畫面的效果，起到點綴的作用。

2.4 后期的設計優化

整體設計完成之后，戴上VR頭顯，通過虛擬現實技術提供的全景顯示的效果，遵循從整體到局部，從系統到細節的原則進行調整統一。對于不滿意的地方，可以在虛擬場景中對對象進行同步調整。這樣，設計師就可以深入到每一個場景中，以不同的角度，不受約束的以互動體驗方式來設計與感受整體的場景效果，讓自己的視覺、聽覺、觸覺都可以派上用場，體驗建筑的真實效果。

2.5 寫生的輔助

在軍校中，學員實行全封閉式管理，外出進行美術寫生的機會十分有限。然而，建筑美術教學需要培養學員的寫生能力，這必然要開展建筑美術課程改革研究。建筑美術課程是建筑學專業的基礎性課程，對于學員專業的發展具有重要的基礎性作用。軍事建筑美術教學不同于一般院校的建筑美術教學，主要強調學員對美術作品整體效果的宏觀把控能力、形體的準確性、空間關系的精晰性。有鑒于此，解決當前存在的教學矛盾，需要在美術教學中引入虛擬現實技術，學員不再受外出條件的限制，按照實際建筑物的大小建立虛擬建筑模型，戴上頭顯，就可以實際體驗真實的建筑物，這對美術寫生教學是一個很好的輔助作用。這種方式可以實現軍校建筑美術教學的目標，將學員培養成為勝任勤務指揮、善于勤務管理、精通勤務技術的指揮員、助理員、技術員，成為未來軍隊的強軍棟梁。

3 虛擬現實技術輔助寫生建模的常用軟件及步驟

3.1 Sketch up建模

Sketch up，又稱“草圖大師”，是一款簡單易用的三維建模軟件，主要用于建筑設計、景觀園林等的建模。

首先，Sketch up界面簡潔，操作簡單，大大減輕了建模人員的工作量，對于沒有建模基礎的非專業人員，這款軟件也能很快上手操作。只需要簡單的操作界面上的工具欄，便能繪制出復雜的形體。其次，Sketch up具有豐富的光影效果。在現實的美術寫生中，光影影響著建筑的色彩變化和畫面的意境，而Sketch up可以通過設定時間、地域或者太陽高度角來實現想要表現的光影變化，得到較為真實的日照光影效果。最后，Sketch up可兼容其他建模渲染軟件。前期可以將CAD,Revit等軟件的圖紙數據導入Sketch up中進行建模，Sketch up還可以安裝V-Ray等專業圖像軟件，渲染出逼真的效果圖。后期Sketch up模型可以導入Lumion,Mars等可視化軟件中進行虛擬現實創作。并且互聯網上Sketch up素材豐富，極大地減輕設計人員的工作量。

3.2 Mars虛擬現實創作

Mars平臺是光輝城市公司開發的一款實時渲染軟件，將軟件與VR硬件設備相互結合，便可進行虛擬現實創作和體驗。在Sketch up中建模之后便可以一鍵導入到Mars中，迅速建立VR模型。對于不夠精細的模型，可以利用Mars中數千種不同類型的高精度材質和素材模型來完善。同時所有材質的紋理尺寸、方向、顏色、反光度等參數，均可以進行可視化調節，并且實時生成，無需渲染，實現所建即所得。此外，Mars的材質和素材可以根據用戶需要進行定制，并保持實時更新。

在Mars平臺上可以調節燈光顏色、強度、色溫、配光曲線等，協助教員快速設計光環境并控制其效果。同時還能在模型局部增加光源，解決現實寫生中因光線不足而帶來的效果不好等問題，達到因需要而補光的目的。最后學生帶上VR設備便可身臨其境在虛擬現實環境中進行現實創作。但這個技術也有自身的缺點，虛擬現實技術受硬件設備限制程度較大，在使用中產生了一定的局限性，其價值并沒有完全凸顯出來。

3.3 虛擬現實技術輔助寫生建模的步驟

目前，利用虛擬現實技術輔助寫生，主要包含以下4個關鍵的步驟和流程：

第一，選擇寫生對象。利用AutoCAD繪制寫生對象的平面圖。可以從世界知名建筑或有詳細數據支撐的建筑入手。這些建筑尺寸、構造、細節等資料全面，參照標準尺寸用AutoCAD繪制寫生對象的平面圖和地形圖，方便接下來的三維建模。

第二，Sketch up進行三維建模。將繪制好的平面圖導入Sketch up中進行三維建模，利用“畫線成面，推拉成型”的方式，如圖1所示，即可完成基本的建筑體塊成型。對于材質方面，Sketch up中可以利用的材質效果并不是很理想，也不全面，前期我們可以用簡單的色彩對材質進行區分，后期導入到Mars平臺進行加工。

第三，Mars平臺上進行虛擬建模。這一步主要設置材質、布置場景和設置光環境，對Sketch up模型細化。如圖2所示，首先設置材質，根據寫生對象附上相應的材質，而Mars平臺龐大的素材庫和高精度的素材可以滿足各個位置的材質需求。設置材質的同時可以對材質參數進行調節，以更趨近于現實建筑效果。材質設置完之后，主體模型也就完成了。第二步布置場景即周邊環境。Mars有多種工具可以實現場景快速布置，比如可以通過植物筆刷實現大場景快速營造，實用動態路徑，實現人流車流的流動效果等等。同時Mars還支持高程圖導入和自由雕刻地形。還可以根據教學需要，設置虛擬傳送門，當學員需要真實的了解建筑物的比例、大小時，可以隨時切換場景進行真實的體驗。最后一步是設置光環境，通過Mars平臺的光線追蹤面板，可以設置光線陰影系數、金屬反射系數、透明系數等光環境，同時Mars自帶的天氣系統還可以設置天氣和植物四季變化。

第四，學員戴上VR頭顯，進入虛擬環境中。經過上述步驟，VR模型已基本做好。經過簡單的調試VR設備，就可以讓學員戴上VR頭顯，進入前期制作好的虛擬現實環境中。他們可以實際體驗真實的建筑物，并通過手中的設備測量建筑實際空間，對于選好的角度又可以拍照并保存導出，供后續寫生使用。教員也可以通過主設備帶領學員共同進入場景中，講解相關的寫生技巧。

4 虛擬現實技術與軍校建筑美術寫生課程的結合

4.1 虛擬現實技術與軍校美術課程結合的必要性

當前，軍隊院校進行一系列教學改革，美術授課時間嚴重壓縮。建筑學專業人才培養由五年制轉變為四年制，美術課時量面臨大量縮減，由傳統四個學期壓縮至三個學期，由傳統260學時壓縮至64學時，時間緊，人才培養質量標準不降反高。傳統的靜物素描和色彩基礎美術練習時耗長、難度大，見效慢，學員學習熱情不高，已不再適應新的學時要求，亟需新的教學方法擺脫當前的困境。

教學技術迅猛發展。當前，新的科學技術日益發展，教育要不斷跟進時代的步伐，推動信息化教育模式深度發展，聚焦“互聯網+教育”新形態，“線上+線下”新模式，“智能+虛擬”新方法，從而構建起現代化智慧教學體系，搭建學員時代化、正規化、學習型的管理環境。當前美術課程教學技術手法比較單一，仍然采用傳統的線下“面對面”式傳授模式，教員與學員互動僅局限于課堂內有限的時間內，缺乏線上教學的高效、便捷、實時與拓展性。另外，新一代學員多屬于2000后，喜歡追逐新興和流行事物，而我院當前美術教學環境依舊帶有明顯的上個時代烙印，缺乏新的美術教學技術條件應用，如新媒體技術、虛擬仿真技術等，難以激發學員美術學習的熱情。所以，把虛擬現實技術與當前學院的教學改革進行結合，必然是一種有效的嘗試。

4.2 虛擬現實技術與后期課程教學的思考

虛擬現實技術在解決軍校學員美術寫生過程中發揮了積極作用，它可以帶領學員進入虛擬實景中去真實感受不同對象的大小、質感等；在VR體驗過程中，通過虛擬平臺開發的測量技術，可以快速獲得建筑物的實際參數；對于那些世界知名的建筑或者已經損毀的歷史遺跡，可以運用計算機模擬技術復原。學員們還可以建立一個虛擬的美術館展示他們的美術作品，并與其他學員交流，這樣就可以降低傳統展示的人力、物力與時間消耗，激發學員以及學院美術愛好者的參與熱情。教員可以將傳統單一的線下教育模式調整為線上+線下模式，具體來說，可以在傳統線下教育的基礎上，借助虛擬現實平臺，建立多個美術線上學習課堂，教員在虛擬現實平臺上帶領同學們體驗世界各地的建筑，隨時與學員互動，分享好的建筑美術寫生作品與練習資料，掌握學員學習進度。同樣，每一個學員也是獨立的“教學源”，將自身的作品、學習心得、個人經驗以及資料與其他學員共享，激發學員學習熱情。隨著教學改革的深入發展，虛擬現實技術也將對軍校其他學科產生影響。通過虛擬仿真、身臨其境的方式，學員可以體會在真實戰爭環境下作為一名后勤專業技術人才需要完成哪些任務。完全掌握虛擬現實技術并能靈活的應用于教學，仍然需要一個相當長的過程，這需要廣大教育工作者積極的實踐，積極推廣好的方法。

5 結語

將虛擬現實技術引入到高等教育教學改革中，必將是一種趨勢。學員們可以利用這些新技術實現自主學習，激發他們潛在的創造力。教員利用這些新技術可以激活課堂氛圍，調動了學員的積極性，讓他們能感受真實的場景，開拓了學員的視野，更加有效的保障教學的效果。軍隊院校承擔著培養打仗型勤務人才，以戰領建，按戰抓教的教學任務。隨著新的教學目標的轉變，虛擬現實技術的引進，廣大高等教育工作者將不斷的提高教學質量，創新教學方法與手段，培養適應現代化戰爭需求的軍事人才，使軍校教育向數字化、精準化、立體化方向邁進。