运用虚拟现实技术破解军校建筑美术写生的难题★

周志远 余咏平

(陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331)

1 虚拟现实技术的概念及关键技术

1.1 虚拟现实技术的概念与发展

虚拟现实技术，英文缩写为VR，也称为“灵境技术”，是20世纪兴起的一项全新实用技术。它将多种实用技术融合在一起，让计算机自动模拟出真实三维场景，让人体验一种沉浸感，从而得到一种真实的体验。虚拟现实技术具有自身的优越性，它能将头脑中想象的平面图转变为真实的场景，人似乎置身于一个具有三维的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉的感觉世界。对于一些历史上已经消失或残缺不全的文物，可以通过虚拟现实技术进行虚拟修复，文物的风采又可以再次展现在人们眼前，这将不可能的事情转换为可能。随着人工智能、“互联网+”时代的来临，VR技术必将逐步成为一个新的科学技术领域。

历史上，虚拟现实技术最先用于飞行模拟器的设计，随着计算机技术的发展，科技又推动模拟器向大屏幕显示器和全景式情景交互器发展。1965年，一名美国科学家发表论文，描述了以计算机屏幕作为虚拟世界窗口的设想，这被看作是虚拟现实技术研究的开端。其后，虚拟现实技术经历了四个阶段的发展，一步步的逐渐完善，出现了头盔式三维显示屏、数据手套、数据衣、立体声耳机等具有虚拟交互式体验的传感系统。在人们的实际应用中，虚拟现实技术的优越性得到了展现，各行各业对其应用变得更加普遍[1]。

1.2 虚拟现实的关键技术分析

目前，虚拟现实技术应用于各行各业主要包含5个维度：第一，动态的环境建模技术：计算机利用所获取的实时数据信息和环境参数，根据三维作图方式建立虚拟场景。第二，实时的图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，通过虚拟现实平台收集数据，可以“实时”生成图像。当前的研究内容主要在复杂的情况下，图像仍然能够清晰的生成，并且提高图像刷新频率。第三，立体的显示传感技术：依赖三维显示屏、数据手柄、传感衣等技术形式实现相互信息，但是，当前的硬件设备还存在一定的差距，无法实现高分辨率、无线传输、身体感受等功能，还需要硬件开发商进一步开发设备更好实现人机互动。第四，具体的应用系统开发：当前虚拟现实技术已经取得巨大发展，但系统还存在很多不稳定性，应用于社会生产，减轻人的负担，仍然还有很多漏洞需要进一步解决，急需建立一个完善稳定的系统。第五，系统的集成技术：虚拟现实系统中存在大量数据信息，这些信息通过系统集成技术整合相关信息，建立起数据同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等[2]。

2 虚拟现实技术在军校建筑美术教学各个阶段中的应用

在军校建筑美术教学中引入虚拟现实技术，是教学方法上的创新。在前期的策划、初期的概念设计、中期的构思、后期的设计优化以及写生过程中都发挥了重要的作用。

2.1 策划阶段的可行性

在军校美术教学中引入VR虚拟现实技术，是教学方法上的一种创新，为辅助写生教学提供了极大的便利条件，近年来引起了教育工作者的广泛关注。当前，科技推动教学的进步，军内外院校也随着时代的进步进行教学改革，建筑美术教学重点放在了对美的认知感受和新的科技手段的运用上，引导学生去观察、思考、分析，弱化了繁杂的美术表现技法。新的技术引入使美术教学变得不受时间、空间的限制。在美术课程中，合理利用新的科学技术，提高美术教学的效率和质量，激发学员学习兴趣。军外院校抓住了作为建筑美术课程所需要的核心素质，从而在有限的课时下达到预期的教学目标，为后期建筑设计课程打下坚实基础。在这样的背景下，将虚拟现实技术引入到教学是可行的。

2.2 初期的概念设计

建筑设计初期应对建筑模型的框架和其他相关元素形成基本概念，在初期不用那么具体，只需合理地考虑所表现建筑物的造型、构造及色彩，然后利用虚拟现实技术中的沉浸和交互功能建立一个模拟，这可以一定程度上帮助设计师快速的把握设计中的问题，并能够及时的调整构思[3]。

设计师可以从世界知名建筑入手，掌握建筑物结构的详细参数，利用软件建成模型并利用虚拟现实的沉浸和交互功能对此进行详细评估和分析，这就突破了在图纸上依靠二维的平面图形和自己想象的局限性。此时设计师的思维还处于初级阶段，如果运用虚拟现实技术的沉浸和交互功能对创作对象进行多角度测量和分析，就能够活跃设计者的思维，激发灵感。

2.3 中期的主体构思

利用虚拟现实技术对表现对象进行前期分析与测量后，根据初期的总体定位、结构特征将设想进一步细化，确定清晰的实施步骤，再配合计算机辅助软件进行针对性地图形表现，生成一个三维模型，并对模型进一步推敲，满足教学的需求。设计一个建筑模型主要是为了辅助学员写生的需求，在这个阶段要对建筑材质、场景和光环境进行设计，让学员在写生过程中对写生对象有一个更加直观真实的感受。在设计时，根据学员能力的不同，可以同一个建筑设计多个场景，并仿造真实自然条件设计冷暖色光源，以表现不同环境下真实的效果。随着设计的深入，开始对设计对象的细节进一步完善，这些元素虽然都是静止的，但是在写生的过程中可以丰富画面的效果，起到点缀的作用。

2.4 后期的设计优化

整体设计完成之后，戴上VR头显，通过虚拟现实技术提供的全景显示的效果，遵循从整体到局部，从系统到细节的原则进行调整统一。对于不满意的地方，可以在虚拟场景中对对象进行同步调整。这样，设计师就可以深入到每一个场景中，以不同的角度，不受约束的以互动体验方式来设计与感受整体的场景效果，让自己的视觉、听觉、触觉都可以派上用场，体验建筑的真实效果。

2.5 写生的辅助

在军校中，学员实行全封闭式管理，外出进行美术写生的机会十分有限。然而，建筑美术教学需要培养学员的写生能力，这必然要开展建筑美术课程改革研究。建筑美术课程是建筑学专业的基础性课程，对于学员专业的发展具有重要的基础性作用。军事建筑美术教学不同于一般院校的建筑美术教学，主要强调学员对美术作品整体效果的宏观把控能力、形体的准确性、空间关系的精晰性。有鉴于此，解决当前存在的教学矛盾，需要在美术教学中引入虚拟现实技术，学员不再受外出条件的限制，按照实际建筑物的大小建立虚拟建筑模型，戴上头显，就可以实际体验真实的建筑物，这对美术写生教学是一个很好的辅助作用。这种方式可以实现军校建筑美术教学的目标，将学员培养成为胜任勤务指挥、善于勤务管理、精通勤务技术的指挥员、助理员、技术员，成为未来军队的强军栋梁。

3 虚拟现实技术辅助写生建模的常用软件及步骤

3.1 Sketch up建模

Sketch up，又称“草图大师”，是一款简单易用的三维建模软件，主要用于建筑设计、景观园林等的建模。

首先，Sketch up界面简洁，操作简单，大大减轻了建模人员的工作量，对于没有建模基础的非专业人员，这款软件也能很快上手操作。只需要简单的操作界面上的工具栏，便能绘制出复杂的形体。其次，Sketch up具有丰富的光影效果。在现实的美术写生中，光影影响着建筑的色彩变化和画面的意境，而Sketch up可以通过设定时间、地域或者太阳高度角来实现想要表现的光影变化，得到较为真实的日照光影效果。最后，Sketch up可兼容其他建模渲染软件。前期可以将CAD,Revit等软件的图纸数据导入Sketch up中进行建模，Sketch up还可以安装V-Ray等专业图像软件，渲染出逼真的效果图。后期Sketch up模型可以导入Lumion,Mars等可视化软件中进行虚拟现实创作。并且互联网上Sketch up素材丰富，极大地减轻设计人员的工作量。

3.2 Mars虚拟现实创作

Mars平台是光辉城市公司开发的一款实时渲染软件，将软件与VR硬件设备相互结合，便可进行虚拟现实创作和体验。在Sketch up中建模之后便可以一键导入到Mars中，迅速建立VR模型。对于不够精细的模型，可以利用Mars中数千种不同类型的高精度材质和素材模型来完善。同时所有材质的纹理尺寸、方向、颜色、反光度等参数，均可以进行可视化调节，并且实时生成，无需渲染，实现所建即所得。此外，Mars的材质和素材可以根据用户需要进行定制，并保持实时更新。

在Mars平台上可以调节灯光颜色、强度、色温、配光曲线等，协助教员快速设计光环境并控制其效果。同时还能在模型局部增加光源，解决现实写生中因光线不足而带来的效果不好等问题，达到因需要而补光的目的。最后学生带上VR设备便可身临其境在虚拟现实环境中进行现实创作。但这个技术也有自身的缺点，虚拟现实技术受硬件设备限制程度较大，在使用中产生了一定的局限性，其价值并没有完全凸显出来。

3.3 虚拟现实技术辅助写生建模的步骤

目前，利用虚拟现实技术辅助写生，主要包含以下4个关键的步骤和流程：

第一，选择写生对象。利用AutoCAD绘制写生对象的平面图。可以从世界知名建筑或有详细数据支撑的建筑入手。这些建筑尺寸、构造、细节等资料全面，参照标准尺寸用AutoCAD绘制写生对象的平面图和地形图，方便接下来的三维建模。

第二，Sketch up进行三维建模。将绘制好的平面图导入Sketch up中进行三维建模，利用“画线成面，推拉成型”的方式，如图1所示，即可完成基本的建筑体块成型。对于材质方面，Sketch up中可以利用的材质效果并不是很理想，也不全面，前期我们可以用简单的色彩对材质进行区分，后期导入到Mars平台进行加工。

第三，Mars平台上进行虚拟建模。这一步主要设置材质、布置场景和设置光环境，对Sketch up模型细化。如图2所示，首先设置材质，根据写生对象附上相应的材质，而Mars平台庞大的素材库和高精度的素材可以满足各个位置的材质需求。设置材质的同时可以对材质参数进行调节，以更趋近于现实建筑效果。材质设置完之后，主体模型也就完成了。第二步布置场景即周边环境。Mars有多种工具可以实现场景快速布置，比如可以通过植物笔刷实现大场景快速营造，实用动态路径，实现人流车流的流动效果等等。同时Mars还支持高程图导入和自由雕刻地形。还可以根据教学需要，设置虚拟传送门，当学员需要真实的了解建筑物的比例、大小时，可以随时切换场景进行真实的体验。最后一步是设置光环境，通过Mars平台的光线追踪面板，可以设置光线阴影系数、金属反射系数、透明系数等光环境，同时Mars自带的天气系统还可以设置天气和植物四季变化。

第四，学员戴上VR头显，进入虚拟环境中。经过上述步骤，VR模型已基本做好。经过简单的调试VR设备，就可以让学员戴上VR头显，进入前期制作好的虚拟现实环境中。他们可以实际体验真实的建筑物，并通过手中的设备测量建筑实际空间，对于选好的角度又可以拍照并保存导出，供后续写生使用。教员也可以通过主设备带领学员共同进入场景中，讲解相关的写生技巧。

4 虚拟现实技术与军校建筑美术写生课程的结合

4.1 虚拟现实技术与军校美术课程结合的必要性

当前，军队院校进行一系列教学改革，美术授课时间严重压缩。建筑学专业人才培养由五年制转变为四年制，美术课时量面临大量缩减，由传统四个学期压缩至三个学期，由传统260学时压缩至64学时，时间紧，人才培养质量标准不降反高。传统的静物素描和色彩基础美术练习时耗长、难度大，见效慢，学员学习热情不高，已不再适应新的学时要求，亟需新的教学方法摆脱当前的困境。

教学技术迅猛发展。当前，新的科学技术日益发展，教育要不断跟进时代的步伐，推动信息化教育模式深度发展，聚焦“互联网+教育”新形态，“线上+线下”新模式，“智能+虚拟”新方法，从而构建起现代化智慧教学体系，搭建学员时代化、正规化、学习型的管理环境。当前美术课程教学技术手法比较单一，仍然采用传统的线下“面对面”式传授模式，教员与学员互动仅局限于课堂内有限的时间内，缺乏线上教学的高效、便捷、实时与拓展性。另外，新一代学员多属于2000后，喜欢追逐新兴和流行事物，而我院当前美术教学环境依旧带有明显的上个时代烙印，缺乏新的美术教学技术条件应用，如新媒体技术、虚拟仿真技术等，难以激发学员美术学习的热情。所以，把虚拟现实技术与当前学院的教学改革进行结合，必然是一种有效的尝试。

4.2 虚拟现实技术与后期课程教学的思考

虚拟现实技术在解决军校学员美术写生过程中发挥了积极作用，它可以带领学员进入虚拟实景中去真实感受不同对象的大小、质感等；在VR体验过程中，通过虚拟平台开发的测量技术，可以快速获得建筑物的实际参数；对于那些世界知名的建筑或者已经损毁的历史遗迹，可以运用计算机模拟技术复原。学员们还可以建立一个虚拟的美术馆展示他们的美术作品，并与其他学员交流，这样就可以降低传统展示的人力、物力与时间消耗，激发学员以及学院美术爱好者的参与热情。教员可以将传统单一的线下教育模式调整为线上+线下模式，具体来说，可以在传统线下教育的基础上，借助虚拟现实平台，建立多个美术线上学习课堂，教员在虚拟现实平台上带领同学们体验世界各地的建筑，随时与学员互动，分享好的建筑美术写生作品与练习资料，掌握学员学习进度。同样，每一个学员也是独立的“教学源”，将自身的作品、学习心得、个人经验以及资料与其他学员共享，激发学员学习热情。随着教学改革的深入发展，虚拟现实技术也将对军校其他学科产生影响。通过虚拟仿真、身临其境的方式，学员可以体会在真实战争环境下作为一名后勤专业技术人才需要完成哪些任务。完全掌握虚拟现实技术并能灵活的应用于教学，仍然需要一个相当长的过程，这需要广大教育工作者积极的实践，积极推广好的方法。

5 结语

将虚拟现实技术引入到高等教育教学改革中，必将是一种趋势。学员们可以利用这些新技术实现自主学习，激发他们潜在的创造力。教员利用这些新技术可以激活课堂氛围，调动了学员的积极性，让他们能感受真实的场景，开拓了学员的视野，更加有效的保障教学的效果。军队院校承担着培养打仗型勤务人才，以战领建，按战抓教的教学任务。随着新的教学目标的转变，虚拟现实技术的引进，广大高等教育工作者将不断的提高教学质量，创新教学方法与手段，培养适应现代化战争需求的军事人才，使军校教育向数字化、精准化、立体化方向迈进。