摘要：在高校摄影专业的实验教学中，解决实验教学的交互问题，实现实验教学的高效应用，是目前虚拟现实实验教学构建和设计的核心内容。本文提出了高校摄影专业虚拟现实实验教学的建设方向和应用技术节点，通过系统的建立和技术节点应用关键问题分析等为高校摄影专业虚拟现实实验室的建设带来具有价值的参考性建议。

关键词：虚拟现实；摄影；实验教学

引言

新时期，互联网、人工智能等技术快速发展，加速了虚拟现实技术的应用和推广，为现代化远程教育提供了强大的智力支持。虚拟现实实验教学的建立改变了传统教学过程中的相关环节和要求，在时空上也从单维度互动转化为多维度互动。就目前高校摄影专业虚拟现实实验教学建设现状来看，场景和空间建立起的真实感、交互性等都有一定的不足。深入研究虚拟实验教学系统，为学生提供更加真实有效的实验学习环境，可以促进实践学习效益的提升。

一、摄影专业实验教学面临的挑战

传统摄影专业实验教学存在的主要问题有：实验过程差异性大，参与度不同；实验案例实施过程较为繁琐，实施时间过长，实验结果对比滞后，实验课程的效率较低；实验场景单一，实验内容受限，不能为学习者带来更多丰富的体验和感受，对知识扩展产生限制作用；单个影像器材造价昂贵，结构解析无法进行演示操作。如果利用虚拟实验教学则可以满足多数同学们的多种实验需求。构建摄影专业虚拟现实实验教学系统，其主要设计目标是营造多元化实验场景条件，满足个体探索实验需求。

二、虚拟现实实验教学系统概述

1 虚拟现实实验教学系统概述

虚拟现实（Virtual Reality，VR），是利用现实生活中的数据，通过计算机构建虚拟环境，在输入设备支持下进入虚拟环境中，进行交互操作，为用户带来在真实环境中才能获得的感受 [1]。虚拟现实技术可提升人机交互质量，增加情绪体验，从而改变人的行为 [2]，将现有技术与现有的设备和资源进行融合，将资源利用效率最大化，来促进学生和教师教学活动效率的提升，是现阶段教育教学改革的方向之一。虚拟现实实验教学系统以虚拟技术为基础，重点以构建实验教学仪器、场景和实验数据采集等为主，通过软件应用，构建硬件功能，实现仿真效果。

2 虚拟现实实验教学系统的主要优势

就目前高校摄影专业虚拟实验教学的建设现状来看，虚拟现实技术在实验教学系统构建中的主要优势有以下几点：

（1）满足自主学习需要。在传统的摄影实验教学中，理论基础授课时间占用长，真正留给学生操作的实验时间并不多；教师难以照顾到每一位学生。借助虚拟现实开展实验教学，学生可以根据自身的学习需要在课前开展自主预习。

（2）满足移动学习需要。传统摄影实验教学中，师生在固定的实验教学中进行实验学习，受到摄影器材、时间等约束，并且摄影实验教学实验室的建设和维护成本也非常高。借助虚拟现实技术的摄影实验教学完全打破了这种限制，可以提供给学生随时随地开展实验学习的条件，满足学生随时、随需的学习需求。伴随着移动终端的高频使用，知识的碎片化学习成为新的学习方式。

（3）满足高阶学习需要。研究表明 : 虚拟环境和挑战性任务能高度调动学生的参与热情，激发其学习动机 [3]。在摄影专业的虚拟现实实验教学系统中，摄影实验的器材可以灵活配置，拍摄方法可以灵活改变，以满足每个同学都可以拍摄出特色鲜明的、个性化作品的需要。

3 虚拟现实实验教学基础结构

目前，虚拟实验室的开发技术主要包括 VRML 技术、X3D 技术、FLASH 技术、Viewpoint 技术、Cult3D 技术、Java 技术和 Virtools 技术 [4]。

本次虚拟实验室建设主要采用 VRML 技术来实现，VRML 作为一种三维模型的解释性表达语言，它实现了网页中三维动画的呈现和利用鼠标等介质快速执行三维动画交互的功能。VRML 与超文本标记语言 (HTML) 语言相似，都是一种文本描述语言 [5]。其可以在互联网上实现导航、超链接的三维场景再现和多节点互动。VRML强大的交互设计功能让学习者与虚拟场景之间能够进行体验式互动交流，彻底改变了传统网络学习系统单调、交互性差的弱点[6]。

三、摄影专业虚拟现实实验教学系统模块设计

1 设计原则

（1）深度掌握相机工作原理，在虚拟场景中观摩三维界面下的相机外部结构及内部构造，通过对结构和构造的掌握，深层次了解摄影的工作原理及工作方式，从而达到相机控制心手合一的目的；

（2）实现虚拟拍摄，在虚拟场景中直观的呈现拍摄内容，满足学生对单反相机的仿真练习需求，在焦距、光圈、快门、ISO 等拍摄参数控制上能合理控制，保障摄影技巧操作训练的需要；

（3）增强光控原理训练，模拟室内影棚的光控调节可以实现虚拟实验教学系统内的场景效果变化。在虚拟系统内实现光控和单反相机的参数控制，并能呈现出控制后的效果改变。

（4）增加虚拟场景空间的场景丰富性，包括虚拟场景下不同自然气候对空间带来的相应光影结构改变。结合虚拟相机的调整，带来丰富场景下不同的拍摄效果。

2 功能模块

本文中的虚拟现实实验教学系统主要是针对摄影器材操作开展虚拟现实实验教学，主要功能模块包含以下几个部分：

（1）知识演示模块，实验教学的主要课程讲授内容及相应内部构造和效果的介绍功能。

（2）相机结构解析模块，包括相机的硬件结构解析、小孔成像以及曝光控制实验。

（3）相机操作模块，能够解决单反相机在基础操作过程中，各项参数的调整，例如：快门、光圈、感光度等的调节。这需要实现人机交互并且能够呈现匹配的效果及参数设置。

（4）光源模块，通过室内人工光线控制模块，对于棚内及商业摄影的棚内光控能实现自由适配和调整。

（5）场景模块，虚拟场景环境模块能够实现场景空间的变化及光线结构的改变。

总体来看，基于摄影教学的虚拟实验教学系统，需要借助虚拟现实技术针对相机、拍摄主体、环境场景、光线变化等四要素进行交互性控制，通过要素调节来满足虚拟场景设计。

3 实验教学系统架构

图1 虚拟现实的摄影专业实验教学系统架构图

在虚拟实验室的实验教学系统架构设计中，首先由C4D、3Dmax 等三维软件进行场景建模，场景模型完成后，直接导出为VRML 可编辑文件，结合VRML 制作虚拟场景。

我们在 Web 界面下可以将功能应用模块分为五部分，基础学习模块主要解决案例演示内容；深度原理模块主要用于介绍和演示相机内部基础构造；基础训练模块是摄影技术基础的虚拟操作；人工光实验模块用来虚拟影棚内灯光的控制和布置；自然光的实验模块用来模拟不同室外光线条件和气候等。

利用三维建模转换成 VRML 编辑下的虚拟场景通过 HTML 的友好界面促进了以学生为主体的主动学习效能提升，让学生、教师、媒介、信息传递等教学活动主体元素形成了一个内容丰富、信息反馈迅速的认知生态环境。

在互联网高速发展、PC 性能大幅度提升、移动终端广泛普及的今天，Web 界面下的虚拟实验系统为学生开展碎片化，双向互动实验提供了有效的学习平台。教师在实验课程的丰富性和有效性上也有了便捷工具

四、运用VRML 建立摄影虚拟实验系统

1 虚拟场景的建立

首先使用 C4d 等三维软件来制作空间模型，再将其导入 VRML 编辑器，通过动态效果设计以及交互控制设置来构建虚拟场景。

利用 VRML 建立虚拟场景过程中，为了解决传输问题，需要进行系统优化。以视觉效应构建相似模型，根据实际距离远近进行不同模型描述，避免一些复杂且非必须的模型干扰，加速模型构建，优化设计流程。

在三维模型制作过程中还要制作场景光线模型和被摄主体模型。建立光线模型过程中，对模型的形态和外观进行一定的维度缩减处理。维度面的精细程度决定了计算机的运算负载量级，适当缩减模型的维度面可以方便后部分的交互功能实现，但模型的精度达不到要求很容易产生形态失真等问题，因而可以参考使用烘焙贴图的方式来模拟提高画面真实性。

创建人物模型的面数同样也要控制，不然会导致不流畅的现象，影响其交互性时用户的体验感。模型的建立完成后只是结构上在三维软件上形成的初步成果，将三维模型输出成为 VRML 才能进一步实现虚拟界面的呈现和互动。

2 交互功能的实现

系统的交互功能在人机交互的动作细节上需要完整体现。在虚拟实验过程中，用户不同操作方式都需要得到不同的动作反馈，这很难通过预定义模式实现，而需要借助比较复杂的程序代码来处理，JavaScript 是 VRML 常用的脚本语言，使用 JavaScript 脚本形式来进行代码编程，再对电源开关进行合并，实现转向动画，通过 ROUTE 命令，完成与传感器、插补器以及其他节点的连接，构建一条通畅的动画通路。

3 焦距调节和成像效果的设计与实现

在虚拟现实的摄影专业实验教学系统中，焦距对于效果有较大影响，焦距调节不仅影响最终成像视角，对于空间透视效果以及景深和景别都有较大影响。所以在虚拟实验教学系统中，做好焦距调节很关键。在虚拟实验教学操作中，借助鼠标操作进行焦距调节，需要实时更新焦距数值，与此同时，也要确保取景框中显示的影像同步更进。为实现这一效果，关键是确保 VRML 脚本和路由设计效果，而这一过程中，解决镜头焦距变化对照片视角以及景深影响问题很关键。

解决这一关键性问题，需要把握拍摄视角与焦距之间的变化规律，明确取景框的变化规律以及镜头焦距变化对景深的影响情况，具体的规律变化情况可以通过函数的方式来呈现。这样设计可以体现影像清晰和模糊状态，虽然无法完全符合景深的变化情况，但是学生可以通过观察来感受景物从模糊到清晰的变化规律，感受到焦距变化下的不同效果。

4 光影结构的实现与应用

摄影在本质上是用光影作画，光影结构的丰富性决定了系统的可利用性，因此在系统的设计中对光学场景进行了应用方案设计。一般在摄影领域会将光线分为室内人工光和室外自然光，因此，根据摄影用光的环境和区别，进行了室内人工光线应用的设计和室外自然光的场景设计。图 2 为运用 3Dmax 建立的室内人工光场景的建模。图 3 则是导入 VRML 后进行的应用场景设计，这其中的光位控制和效果控制都融合在虚拟环境下，以便用户可以进行多模式训练和学习。图 4 为室外自然光场景建模，图 5 则是自然光虚拟条件下操作环境设计。在室外自然光的条件下需要比室内人工光环境设置更多的摄影主体和光影结构，以便用户的多元化训练需求。

图2 室内摄影棚光线场景建模 图 3 室外摄影棚光线虚拟实验室场景图

图4 室外自然光场景建模 图 5 室外自然光场虚拟实验室场景图

五、总结

VRML 语言在交互性以及场景再现等方面都具有一定特性，技术相对成熟，是虚拟实验系统开发的理想选择。通过 VRML 可以有效构建虚拟实验系统的逼真实验场景，提供高于真实实验的实验感知，将先进性和互动性融入教学过程，这对于提高实验教学效果，拓展学生实验学习经验和实践能力具有积极和重要的作用。

虚拟实验室系统有优势亦有弊端，例如虚拟环境过于理想、系统开放性不够、升级繁琐、虚拟的触觉感不强等，但在当前形势下开展虚拟实验室建设利大于弊。基于虚拟现实的摄影专业实验教学的建设，开展线上线下混合式教学模式，也将为提高人才培养质量、开展“智能 + 教育”提供一种新途径和参考。

参考文献：

[1] 刘成新 , 王玉田 , 褚晓红 , 等 . 基于 VRML 的虚拟实验系统的设计与应用— —以 " 摄影仿真实验室 " 的研究与开发为例 [J]. 电化教育研究 ,2010(4):90-93.

[2]Gaggioli A.Flow in real and virtual environments[J].Cyberpsychology&Behavior,2016,(6):674.

[3] 江波 , 高明 , 丁继红 , 等 . 虚拟仿真实验学习行为分析 [J]. 中国远程教育 ,2017,(9):11-18、

[4] 赵一鸣 , 郝建江 , 王海燕 , 等 . 虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析 [J]. 电化教育研究 ,2016(12):26-33.

[5] 鹿凤 , 汪玲玲 , 余起怡 , 等 . 科基于 VRML 的三维实体展示研究技 [J]. 创新与生产力 2018(04):34-36.

[6] 方伟 . 基于 VRML 仿真教学系统的设计探析 [J]. 钦州学院学报 ,2018,(8):70-74.