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1、计算机虚拟现实技术在装饰构造实验室的应用研究 何平 扬州大学美术与设计学院 摘 要： 随着计算机技术在高等教育领域内的广泛使用, 环境设计专业教学中使用计算机教学的课程也越来越多。在装饰构造课程的教学过程中, 运用计算机技术能够显著提高教学效果, 节约教学成本, 并保证教学过程学生的人身安全。计算机提供的虚拟现实技术, 能够极大地提高学生对装饰构造课程的设计水平和认知程度, 实现装饰构造课程的重大教学改革。计算机虚拟现实技术的运用涵盖了虚拟设计、虚拟材料、虚拟构造和虚拟施工等众多学科领域。本文结合相关案例对计算机虚拟现实技术在装饰构造实验室的应用进行了研究, 并对虚拟现实技术在未来环境设计的高
2、等教育中的发展提出了展望。关键词： 计算机虚拟现实技术; 装饰构造; 虚拟设计; 装饰构造课程是环境设计专业的一门主干专业课程, 该课程主要解决相关装饰面的材料组成、构造方式和施工做法, 属于实践性课程, 在将室内设计方案转化成施工图的过程中起到了非常重要的作用。提升学生对装饰构造的实践认知程度和构造设计的动手能力方面是装饰构造课程的教学重点和难点。怎样克服学生在学习该课程时遇到的困难, 提高学生对装饰构造设计的动手实践能力, 是课程教学改革中不断研究和探索的方向。通过改善和更新教学手段和教学方法, 例如使用多媒体或者网络教学的方法, 将先进的计算机技术与教学内容结合在教学设备上, 进行多元的
3、、多维的一体化教学模式, 是当前实际教学中思考较多的问题。多媒体动画、动态网络、实时互动等技术的运用使得在实验室教学中运用计算机虚拟技术成为可能。作为多媒体技术和动画、视频等网络技术的综合信息技术集成, 计算机虚拟现实技术在教学活动中的应用, 是对当下装饰构造教学模式的改革, 同时也给计算机技术在装饰构造实验室里的应用带来了崭新的思路。1 虚拟现实技术的概述(1) 虚拟现实技术又称 VR, 是英文 Virtual Reality 的缩写。虚拟现实技术综合了计算机制图、计算机建模、计算机渲染、动画合成技术、电子传感器技术等学科, 实现了人机交换和场景立体模拟显示。采用的表现手法属于仿真技术, 是
4、计算机领域里近年出现的新技术, 包涵了将要模拟的环境场景和人对环境场景的感知等。由计算机采用三维立体图像的方法和各种感知技术, 形成计算机的视觉感知系统, 如视觉、听觉、触觉, 甚至包括嗅觉和味觉等, 形成了多感知的逼真图像系统。如可以将人的头部转动、眼睛的动作、手势动作等转换为相关的数据信号并输入计算机中, 再由计算机的数据分析系统对参与者的输入信号做出实时的反应后反馈给体验者。大致的方法就是利用计算机的制图和渲染技术建立场景的三维视觉效果, 也就是虚拟设计, 再对虚拟空间的界面进行立体的观察, 最后使用虚拟现实技术等技术予以加强1。(2) 虚拟现实技术作为一种对各种环境状态的模拟技术, 利
5、用计算机中的传感设备, 将用户、环境等要素实现自然的交换, 最终形成虚拟体验。虚拟现实技术拥有的特征, 包括多感知性, 也就是除了计算机之外的感知系统的创建, 包括视觉感知、听觉感知、触觉感知、味觉感知和嗅觉感知等。虚拟现实的理想状态是将人所拥有的感知功能, 如存在感、兴奋点等, 进行模拟环境下的真实呼唤, 将计算机视觉感知之外的听觉、触觉、运动等感知要素融合在所有的感知系统之中, 达到一个理想的虚拟环境。虚拟的环境可以模拟出人的感知功能, 能够让用户达到真假难辨的程度。例如参与者通过操作进入构建的环境中, 感受到虚拟环境中反馈出来的自然程度, 能够感觉到捏到东西, 甚至感觉到物体的重量大小,
6、 而且场景中的物体可以随着操作者手臂的移动而移动。虚拟现实技术中另一个重要的参数就是空间的临场感, 就是媒体用户将自己置身于媒体环境中的真实程度, 又称为沉浸感。沉浸感越高, 用户感知的真实度就越高。(3) 虚拟现实技术的分类。虚拟现实技术根据设施的表现方式不同分为以下类型:桌面虚拟显示系统, 该系统可以利用智能终端如 PC 机的环境生成屏幕、单投影墙等, 让参与者观察虚拟环境的窗口, 得到来自真实环境的作用。这种类型的沉浸感不好, 成本较低, 普及率高。沉浸式虚拟现实系统则利用的是高档工作站中的高性能图形加速卡, 在交互设备的支持下, 通过声音、触觉等屏蔽周围的现实环境, 利用 VR 的头盔
7、和眼镜等显示手段等将被测试对象沉浸在虚拟的世界中。增强的虚拟现实系统将现实环境中的物体与虚拟的物体精确地叠加在一起, 利用了虚拟现实技术中的位置跟踪技术, 使得场景与人的感受进一步结合, 提高了真实度。网络分布式的虚拟显示系统则将大型网络系统应用在复杂的分布交互模拟任务中。在虚拟现实环境中呈现的环境为三维立体的真实交互感, 让操作者亲身体验到虚拟现实世界的感受, 并将主观意识附加在虚拟空间的物体之中2。2 虚拟现实技术的特点VR 技术具有的特征主要表现在三个方面:互动、想象和浸入。(1) 互动的特征是接触者在对虚拟的物体进行空间操作的过程中, 不断接触到虚拟空间环境反馈的自然程度。体验者在接触
8、虚拟空间的物体后, 能够得到触摸物体的感觉并能感受到来自物体的一些基本特性, 如物体的软硬度、冷、热等感觉, 同时物体也会随着操作者的推动而产生变形或者移动。(2) 想象的特征是 VR 技术又一设定功能的体现。将空间的环境呈现出真实而客观的存在, 不需要对客观世界不存在或者不可能发生的矛盾进行刻意的回避, 而是任由这些事物在空间环境中展现, 对人类认知的范围是极大的扩展。(3) 浸入类的特征展现的是操作者作为主体, 对虚拟空间环境的一种真实的体验。虚拟出来的三维模拟空间能够让使用者全身心地投入到计算机创建的空间中去, 所有的虚拟空间都是真实的, 让人能够感同身受。3 虚拟现实技术在装饰构造实验
9、室中的应用3.1 虚拟现实技术在装饰构造实验室运用的优势目前装饰构造课程教学中使用的多媒体教学手段主要利用的是文字、图片、动画等信息, 帮助学生在有限的课堂教学时间段内激发起对所学知识的兴趣, 快速而高效地理解相关知识内容, 从而达到教学目的。这种教学方式给学生提供的实践感较低, 学生的参与度则更低, 课堂教学效果的持久性不明显。为了保持学生学习效果的持久性和教学内容的实践性, 应该让学生主动地参与到课堂的学习中来, 摆脱被动式教育的状态。这也是高等学校教学改革的主要方向提高学生学习的主动性和参与性。虚拟现实技术的三个基本特性, 能够将以上设想付诸于现实。教师在讲授装饰构造的有关饰面构造时,
10、利用装饰构造实验室中的虚拟现实技术, 将装饰构造的虚拟环境呈现出来, 相关装饰部位的构造组成、施工工艺和方法等环节能够具体生动地展现在学生的面前, 学生也可以通过 VR 操作将自己变成实践者, 深入、反复地理解装饰构造的有关内容。学生对这种教学方式的体验感具有较强的探究意识, 可以在很大程度上调动自身的学习热情, 从而提高学习的主动性和探索欲, 保证课堂的学习效果。这是传统多媒体教学手段实现不了的, 具有独特的授课优势。利用虚拟现实技术在授课中可以打破时间和空间上的限制, 对装饰构造节点进行多层次、全方位、多视角的演示、描述和操作, 将传统教学中难以讲述到的宏观和微观的内容进行细化教学, 也可
11、以进行多次反复、亲身体验, 原来枯燥的理论内容变得具体、清晰, 对装饰构造的空间立体感不强的学生也能很快理解和掌握, 使教学内容变成看得到、摸得着、可以反复构建的实体。学生看到的是具有高度仿真效果的、感性的学习素材, 在遇到难点问题的时候, 可以通过反复体会来消化吸收知识节点。在装饰构造的传学习中, 通过虚拟的现实技术, 教师和学生可以在模拟的真实场景中对环境的各个构造和节点加以分解和组装, 最终掌握各类装饰面的构造特点和细节。例如轻钢龙骨吊顶构造的种类繁多且细节复杂, 学生在实际的学习中见不到实物, 教师难以用语言进行清晰的表达, 传统图片的立体感差。采用虚拟现实技术时, 学生不仅可以直观地
12、观察到虚拟环境中的各种轻钢龙骨吊顶造型、材料组成、节点细节、施工工艺等, 而且还能亲身体验轻钢龙骨吊顶构造的最终构建, 使得原本晦涩难懂、无法想象的理论知识通过模拟的实景得到了解决, 学生学习的氛围变得轻松与愉悦, 对轻钢龙骨吊顶装饰构造的重点和难点的掌握也变得更加迅速。通过建立装饰构造虚拟现实实验室, 将装饰构造的学习与实践结合起来, 不仅能够节省大量的人力、物力和财力等宝贵的教学资源, 而且消除了施工现场观摩时的诸多危险因素。以往教师为了增加学生对装饰构造某些节点的理解, 常采用在实地施工场所观摩的教学手段。这种教学方式的教学效果固然较好, 但是教师在完成教学任务的同时还要兼顾学生的人身安
13、全, 教学压力非常大。有时候为了保证学生的人身安全, 不得不忍痛割爱而取消施工现场观摩的教学环节。学生在不能施工现场亲身观摩装饰构造细节的情况下, 也就很难形成对装饰构造实体的全面感知, 对装饰构造的具体组成、构造手段等问题不能完全理解, 一知半解地完成了相关内容的学习。利用虚拟现实技术, 可以从根本上改变这种尴尬的局面。将虚拟现实技术带入到实验室课堂的学习中, 让学生在教师的指导下完成对装饰构造节点的认知和操作, 以及相关的模拟施工活动。从另一方面来讲, 虚拟现实技术也解决了传统教学模式下的实验场地面积不足, 装饰材料的实验购置成本过高, 学生进行装饰构造施工现场观摩时的安全保证等问题。3.
14、2 如何将虚拟现实与装饰构造实验室结合将装饰构造在实验室中实现虚拟化的过程中, 对于实现者而言涉及的知识面较广, 科技含量较高, 必须将制图、材料、构造和饰面的施工工艺与计算机技术紧密结合。虚拟现实技术的教学活动重点应放在构造的设计方面, 并在装饰构造实践课程的教学时间、实践场地布局和教学设备等因素的优化设置上合理安排。虚拟设计是建立装饰构造虚拟现实实验室的首要条件。通过计算机技术构建各类虚拟的装饰构造形式, 在计算机中建立强大的虚拟材料库、模型库、场景库等, 将以上信息进行整合, 设立便捷的人机互换, 方便师生根据不同的教学需求进行不同场景、不同材料、不同构造的相关操作。以往学生在传统的教学
15、模式下很难得到亲手实践的操作机会, 只是通过观看音像教学资料来完成学习目的, 学习效果无法保证。在这种情况下, 利用虚拟现实技术可以帮助师生双方打开教学思路, 取得较好的教学效果。计算机构建的虚拟装饰构造实验室具有环境整洁、空间占用面积较低、实践内容全面丰富等特点, 构造的模型库里包含了各种常见的地面装饰构造、墙柱面装饰构造、顶面装饰构造和其他部位的装饰构造。师生对装饰构造的可操作性较强, 能够从基层 (如墙体、楼板等) 开始直到最终的装饰面完成, 详尽地描述了装饰构造的所有细节。使用虚拟技术创建装饰构造信息库时, 不需要过多地考虑学生实践时对场地空间大小的要求, 可以借助传感器等设备, 让学
16、生产生身临其境感, 经过对不同装饰面的构造的建立和观察, 能够获得与现实施工现场相同的观摩和体验感, 提升学生对装饰构造教学内容的理解程度。用虚拟现实技术将施工现场的构造节点、施工工序、构造方法等带到实验室的虚拟场景中, 展现装饰饰面各层材料之间如何衔接、安装固定工艺如何进行。学生不需要用真实的装饰材料动手操作, 就能看到装饰材料与装饰工艺在施工现场如何实施的情况, 从这一点来说, 虚拟现实技术不仅让学生参与了教学内容, 也节省了课程设置中购置装饰材料实验的费用, 让学生在虚拟的空间环境中大胆地运用虚拟现实技术和虚拟装饰材料进行实践操作, 可无数次地获得实践的机会, 极大地提高了课程的学习效果。如在软包墙面的构造学习中, 学生对虚拟的软包面层材料进行丈量裁剪后, 将虚拟的龙骨骨架安装在经过防潮处理过的虚拟墙面上, 做好虚拟基层板的固定后, 做好软包衬底, 再将裁好的虚拟软包面层处理用各种方法固定在衬底材料的上面, 最后做好软包饰面的接缝和收边处理工序。整个流程结束后, 学生对软包构造的细节和施工
