穿戴式VR頭盔在美術(shù)教學(xué)中的設(shè)計(jì)研究

黃兵橋

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005）

VR技術(shù)依托科學(xué)技術(shù)，結(jié)合模型分析將數(shù)據(jù)信息化，能夠?qū)崿F(xiàn)信息多維度解析。同時(shí)，VR技術(shù)一般與穿戴式VR頭盔相結(jié)合，通過三維成像技術(shù)，將自然環(huán)境與設(shè)計(jì)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而增強(qiáng)用戶代入感，使設(shè)計(jì)更加貼合用戶需求[1]。

1 VR技術(shù)的內(nèi)容及意義

1.1 VR技術(shù)內(nèi)容

VR 技術(shù)包括顯示技術(shù)、聲音技術(shù)和感覺技術(shù)等，以人的視覺為切入點(diǎn)，從用戶角度出發(fā)，深入探究人腦與圖像的關(guān)系，并對(duì)接收到的圖像進(jìn)行整合，由眼睛傳入視覺中樞，以便達(dá)到3D效果，其中，VR顯示技術(shù)可模擬生物動(dòng)態(tài)，即模擬人眼接收信息的幀率，使用戶能夠“身臨其境”。聲音技術(shù)利用蝙蝠效應(yīng)，結(jié)合聲波定位，從而保證用戶能夠聽到并感受到真實(shí)的環(huán)境，體現(xiàn)為空間性和多維度，一般以手套為感受器，將人的信息傳入數(shù)據(jù)中心。

1.2 VR技術(shù)應(yīng)用于美術(shù)教學(xué)的意義

VR技術(shù)可以增強(qiáng)專業(yè)知識(shí)的展示效果。美術(shù)教學(xué)中的VR技術(shù)可將抽象的設(shè)計(jì)知識(shí)生動(dòng)化、直觀化和形象化地展示出來，在教學(xué)中可引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入深層思考，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)空間設(shè)計(jì)內(nèi)容的理解，使學(xué)生更加投入，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)能夠擴(kuò)展用戶思維，使設(shè)計(jì)產(chǎn)品別具一格。

VR技術(shù)可以激發(fā)學(xué)生的探究興趣。美術(shù)教學(xué)中該技術(shù)的應(yīng)用可使學(xué)生靈感實(shí)體化出現(xiàn)，以產(chǎn)品的方式展現(xiàn)給大眾。而VR技術(shù)能夠輔助教師教學(xué)，并打破傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)空間和時(shí)間的限制，讓學(xué)生身臨其境，在虛擬的環(huán)境中展現(xiàn)出自己的創(chuàng)意，從而激發(fā)學(xué)生探索的興趣。在VR技術(shù)的輔助下，將創(chuàng)意進(jìn)行實(shí)踐，能夠幫助學(xué)生找到高效的學(xué)習(xí)途徑，并使藝術(shù)設(shè)計(jì)更具有鮮明的特色[2]。

VR技術(shù)可以增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的互動(dòng)性。該技術(shù)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，可以說，VR技術(shù)應(yīng)用于美術(shù)教學(xué)，并體現(xiàn)在實(shí)踐中，能夠使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，理解老師教授的知識(shí)，比如結(jié)合VR技術(shù)對(duì)產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)，可以將圖像展示得更加真實(shí)，以互動(dòng)形式來提高學(xué)生自身實(shí)踐能力。

2 穿戴式VR頭盔與美術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)合

2.1 VR游戲中美術(shù)設(shè)計(jì)

隨著VR游戲的誕生，次世代游戲體驗(yàn)得到了質(zhì)的飛躍[3]。VR將玩家從3D開發(fā)，并依靠2D屏幕進(jìn)行觀察的傳統(tǒng)游戲中脫離出來，進(jìn)而“親身進(jìn)入”到游戲場(chǎng)景中，切身感受游戲里的氛圍。玩家不但能夠近距離觀看各場(chǎng)景、道具和角色，還可以近距離體驗(yàn)到游戲里面的各種炫麗特效。VR實(shí)現(xiàn)了次世代游戲玩家的終極夢(mèng)想。然而VR游戲的開發(fā)依然尊崇次世代游戲的制作流程。

比如在游戲某一場(chǎng)景山地創(chuàng)造時(shí)，可根據(jù)以下步驟進(jìn)行操作：1）升高或降低山勢(shì)的。按住 Shift，再點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可降低。這對(duì)于后面的操作也同樣適用。Brush Size 刷子的大小，還有一個(gè)Opacity密度；2）通過調(diào)節(jié)Height，調(diào)到指定高度；3）使地形更加平滑；4）對(duì)各種地勢(shì)進(jìn)行貼圖；通過點(diǎn)擊Edit Textures 圖標(biāo) Add Texture 操作即可。5）添加樹和花草的模型，通過Edit Trees/Details來操作即可。

2.2 VR家居中美術(shù)設(shè)計(jì)

隨著人類生活的提高，家居設(shè)計(jì)更加貼合人們“享受生活”的需求，對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)、外形進(jìn)行細(xì)致構(gòu)思，這些構(gòu)思與設(shè)計(jì)完全需要美術(shù)基礎(chǔ)，為了使之定量化，結(jié)合圖紙內(nèi)容，威亞技術(shù)可將故事變?yōu)榭吹靡姷奶摂M物體和環(huán)境，這種設(shè)計(jì)可將用戶想象內(nèi)容表現(xiàn)出來，去構(gòu)建、裝飾“虛擬”的房間，同時(shí)可對(duì)不合理的地方隨時(shí)進(jìn)行整改，一方面可將想象虛擬化，另一方面又節(jié)省了做模型的費(fèi)用，最終設(shè)計(jì)的家居更能滿足用戶需求。

2.3 VR技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合

藝術(shù)家通過對(duì)VR、AR等技術(shù)的應(yīng)用來滿足其創(chuàng)作需求，并賦予創(chuàng)造的過程以新的含義[4]。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，藝術(shù)與科技相結(jié)合是未來發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合VR性質(zhì)的交互裝置系統(tǒng)將作品表現(xiàn)出來，借助軟件和硬件將產(chǎn)品虛擬化，同步放映增強(qiáng)效果和重新塑造、處理過的影像，即結(jié)合真實(shí)環(huán)境，利用編程語言將數(shù)據(jù)內(nèi)容具體化表現(xiàn)出來，可以通過自身動(dòng)作控制投影的文本，進(jìn)入作品的內(nèi)部，操縱、觀察該作品，加強(qiáng)其創(chuàng)新性[5]。

3 穿戴式VR頭盔在美術(shù)教學(xué)中的設(shè)計(jì)

穿戴式VR頭盔是一種能夠?qū)⑾胂笫挛锾摂M成真實(shí)物體和環(huán)境的頭盔，能夠?qū)?nèi)容可視化，在美術(shù)教學(xué)中具有重要意義，如圖1所示，VR技術(shù)基礎(chǔ)開發(fā)工具為Java語言，數(shù)據(jù)庫(kù)中間件可滿足終端客戶需求，實(shí)現(xiàn)服務(wù)化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而完善對(duì)智能家居的控制。

圖1 VR技術(shù)相關(guān)體系示意圖

3.1 安裝VR場(chǎng)景的編輯器和觀察器

3.1.1 完成VR場(chǎng)景的編輯

MATLAB作為使用率高且性能好的軟件，可完成VR場(chǎng)景的編輯，步驟如圖2：1）安裝 VR 觀察器，首先 在 CMD 窗口中輸入“vrinstall -install viewer”。軟件中 會(huì)提示Direct3d 加速，隨著操作，會(huì)出現(xiàn) blaxxun Contact viewer 的安裝程序，按照指令進(jìn)行。2）輸入命令“vrinstall -install editor”安裝編輯器；3）創(chuàng)建一個(gè)VR場(chǎng)景，“vrinstall -check”檢查是否安裝成功。

圖2 創(chuàng)建一個(gè)VR場(chǎng)景流程圖

進(jìn)入目錄：

C:ProgramFilesSoftMATLAB2018b oolboxsl3dvrealmprogramvrbuild2.exe，雙擊啟動(dòng) vrbuild2.exe。

3.1.2 新建一個(gè)三維場(chǎng)景

File-New(或 Ctrl+N)新建一個(gè)三維場(chǎng)景(New world)。

選中左邊的 New world 節(jié)點(diǎn)，通過工具欄進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如點(diǎn)擊圖標(biāo)按鈕，即在場(chǎng)景中添加了一個(gè)畫面，以便進(jìn)行設(shè)計(jì)。

并結(jié)合繪畫內(nèi)容填寫名字，可將左邊的 transform 改成設(shè)計(jì)標(biāo)題(名字而已），從而對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行編輯。如圖3所示，為三維場(chǎng)景基本元素，包括center、rotation、scale、scaleOrientation、translation 等，MATLAB 軟件可通過編程控制。

圖3 VR場(chǎng)景編輯流程圖

此時(shí)設(shè)計(jì)中可以根據(jù)對(duì)象的大小、位置、顏色等，建立三維實(shí)體，像fog、背景、燈光、視角等。此時(shí)點(diǎn)擊保存，保存為 tstBall.wrl。wrl 文件是 VRML格式。

注 1：如果想通過 Simulink 的 VR Sink 模塊引出輸入端口，對(duì) 3D 對(duì)象命名。

注 2：vrml 格式類似于 html，是一種 3D 場(chǎng)景的文本描述格式。可以用文本編輯器查看。

注 3：VR 場(chǎng)景的方向定義為：Z 軸垂直屏幕向外，Y 軸正向指向屏幕上方，X 軸指向屏幕右方。

3.1.3 將 VR 場(chǎng)景導(dǎo)入 MATLAB

Simulink-File-New，新建一個(gè) Simulink 文檔。在“Simulink 3D Animation”庫(kù)中選擇”VR Sink”組件，加入文檔中；第一次雙擊 VR Sink 模塊，彈出參數(shù)配置窗口；導(dǎo)入之前制作的 tstBall.wrl，右側(cè)將展開場(chǎng)景對(duì)象列表。我們找到名為“Ball”的對(duì)象，選擇“Scale”（尺寸）和“translation”（位置）兩個(gè)屬性。點(diǎn)擊 OK。 此時(shí) VR Sink 模塊將出現(xiàn)兩個(gè)輸入端口，對(duì)應(yīng)剛才選擇的屬性。

這樣，就可以通過輸入數(shù)據(jù)來控制虛擬場(chǎng)景中小球的尺寸和位置。可以簡(jiǎn)單地測(cè)試一下：在 Simulink 庫(kù)下的 Source 條目中選擇 Sin Wave 模塊，作為小球的 Y 軸位置。X、Z 軸保持為 0，結(jié)構(gòu)如圖4。

3.1.4 仿真模型

仿真演示：配置“Sine Wave”，雙擊打開“Sine Wave”的編輯界面，設(shè)置所需內(nèi)容。

連接模型：將模型的各個(gè)模塊建立如圖4的結(jié)果，然后保存起來；然后，雙擊模型“VR Sink”，打開顯示界面。

圖4 VR虛擬場(chǎng)景變化

在打開的界面中，我們單擊運(yùn)行按鈕，就可以對(duì)模型進(jìn)行演示了，模型就會(huì)運(yùn)動(dòng)，行成VR仿真效果。Java代碼：

3.2 穿戴式VR頭盔在美術(shù)教學(xué)中的具體應(yīng)用

3.2.1 VR+課堂教學(xué)

傳統(tǒng)的美術(shù)教學(xué)局限于課堂空間，形式表現(xiàn)為“教與學(xué)”通常以老師面授為主，因此，學(xué)生的興趣并不濃厚。而VR技術(shù)與教學(xué)的融合，能夠打破傳統(tǒng)課堂的弊端，建立立體化學(xué)習(xí)情境，直觀展示設(shè)計(jì)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生直觀感受。VR+課堂教學(xué)科室學(xué)生在虛擬情境中學(xué)習(xí)，并能夠加深對(duì)設(shè)計(jì)的理解，繼而提高學(xué)習(xí)效果。比如，在課堂上，將VR觸控黑板和教學(xué)資源相結(jié)合，將二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體。

3.2.2 VR+實(shí)驗(yàn)教學(xué)

美術(shù)教學(xué)以書面表達(dá)的方式表述出來的東西太過難懂，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果。所以將VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，可模仿現(xiàn)實(shí)環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。由于藝術(shù)設(shè)計(jì)需要的材料較為復(fù)雜，所以，將VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)課相結(jié)合，一方面能夠使學(xué)生在有限的資源下完成美術(shù)設(shè)計(jì)，另一方面，可以打破傳統(tǒng)教學(xué)空間和時(shí)間上限制，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理解。比如vr技術(shù)可應(yīng)用于爆破真實(shí)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)將爆破場(chǎng)景展現(xiàn)出來，讓學(xué)生不必進(jìn)入爆破現(xiàn)場(chǎng)，就能夠完成設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)習(xí)。所以說VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更能夠增強(qiáng)學(xué)生藝術(shù)設(shè)計(jì)能力，對(duì)學(xué)生幫助良多。

3.2.3 VR+實(shí)踐教學(xué)

美術(shù)教學(xué)的實(shí)踐課時(shí)比較多，但是理論教學(xué)還有所欠缺，所以采用VR技術(shù)，可在實(shí)踐教學(xué)中幫助學(xué)生提高設(shè)計(jì)能力。一方面，教師可依托項(xiàng)目提供學(xué)生操作平臺(tái)，另一方面，在VR實(shí)踐平臺(tái)上，借助平臺(tái)軟件輔助工作。比如包裝設(shè)計(jì)，結(jié)合美術(shù)教學(xué)內(nèi)容，包裝設(shè)計(jì)更能貼合用戶需求，同時(shí)包裝設(shè)計(jì)更要突出產(chǎn)品效果，所以教師在課間講授繪制三維視圖的方法，在實(shí)踐平臺(tái)展現(xiàn)立體效果，學(xué)生也可以通過軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建三維模型，通過模型信息來分析包裝設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐能力。

4 結(jié)論

現(xiàn)今VR使用的編輯器像Unreal Engine、CryEngine和Unity都是風(fēng)靡多年的次世代引擎。能夠以精簡(jiǎn)的面數(shù)表現(xiàn)出高精度模型效果，各種材質(zhì)和紋理貼圖通過美術(shù)設(shè)計(jì)，凸顯出寫實(shí)的效果，更注重質(zhì)感，逼真的畫面效果具備獨(dú)特的性格魅力。綜上所述,隨著我國(guó)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，穿戴式VR頭盔在美術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用也越發(fā)廣泛，該文對(duì)穿戴式VR頭盔在美術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，從概念入手，探究其在美術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，并結(jié)合具體技術(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而充分了解和認(rèn)知該技術(shù)的內(nèi)容。