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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用
2012年4月12日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:张飞刚, 蔡建乐, 撒凤杰
    单位:杭州师范大学理学院

    摘要:提出用3Ds max软件设计天体系统三维模型、用Cult3D软件为模型添加旋转和移动等交互功能、在Flash软件中完成二维动态光影效果、在网页中通过JavaScript语言实现其交互的三维虚拟系统设计思想;以演示日食、月食的成因及天体运行的相关知识为例,设计创作太阳系三维虚拟场景,其中三维虚拟模型可与Flash对象交互,相关动态光影效果可同步显示;同时,介绍该实例可实现的各项教学功能与特点,探究虚拟现实技术引入教学的应用前景。

    1 引 言

    Flash等传统的平面动画设计软件制作出的网络课件占具相当大的比重,该类资源在对演示型、验证型教学内容的展示中发挥了无可替代的作用,但对学生的空间想象能力和探究能力的提高也造成了一定的障碍。如何将计算机模拟出的三维场景与具有良好交互能力的Flash动画结合使用,为虚拟实验创设更加逼真的实验环境,以提高教学效果,越来越受到教育者的重视[1] 。本文以3Ds max、Cult3D等软件制作的三维

    虚拟太阳系模型为例,研究了将其与Flash中对象进行交互的方法,使学习者能一边操作三维虚拟太阳系中的模型,一边看到由Flash动画所呈现出的日食、月食等动态光影效果,为二维和三维虚拟现实技术在教学中的结合应用进行了有益的探索。

    2 三维虚拟太阳系模型的设计

    在3Dsmax中分别制作出用于表示太阳及各行星的模型,进行表面贴图后,导出为Cult3D 可编辑的3 .c3d文件,将3 .c3d文件输入Cult3D Designer中,为模型添加旋转、移动等功能,以实现和用户的三维交互[2] ;在Flash软件中完成二维动态光影效果;将Cult3D Designer导出的.co文件与Flash导出的.swf文件内嵌入同一网页中,通过JavaScript语言实现其交互。

    完整的开发流程及浏览模式[3]如图1所示:

基于Cult3D的天体系统模型设计与应用
图1 开发流程及浏览模式

    本文制作出的三维虚拟太阳系模型效果见图2。

基于Cult3D的天体系统模型设计与应用
图2 三维虚拟太阳系模型效果图

    在该三维模型中,用户可以通过鼠标、键盘等输入设备与其中的对象进行交互,如用鼠标左键单击地球模型可以从各个角度观察地月系统运行规律;按下空格键会看到哈雷彗星向太阳运动的场景,给人一种进入太空的真实感。

    3 Cult3D与Flash中的事件交互响应过程

    使用JavaScript语言可以使Cult3D场景中的物体交互能力更强;而Flash使用基于ECMAScrip t的脚本语言———ActionScrip t,所以它与JavaScript可以无缝交互[4] 。利用Flash和Cult3D都可以与嵌入它的HTML页面上的JavaScript进行交互的特性, 便可以通过JavaScript这座桥梁, 实现Cult3D 中的三维物体与Flash平面动画中的二维场景间的交互响应。

    3.1 JavaScript语言

    JavaScript是一种基于对象和事件驱动并具有安全性能的脚本语言。使用它的目的是与HTML 超文本标记语言、Java脚本语言一起实现在一个Web页面中链接多个对象,与Web客户进行交互。它是通过嵌入或调入HTML语言中而实现的,与HTML标识结合在一起,从而方便用户的使用操作,它的出现弥补了HTML语言的缺陷,具有简单性、安全性、动态性、跨平台性等基本特点。

    3.2 Flash中的事件

    与Cult3D中的对象间的响应在Flash中使用“GetURL”调用JavaScript脚本,从而触发Cult3D对象内建的目标事件。如为Flash中的按钮添加如下代码:

  on ( release) {
    getURL (“JavaScript: cEvent (‘taiyang’) ”) ; // taiyang为三维场景中对象名称

    }

    当在Flash中点击该按钮时,三维场景中对象便会执行相应的动作。

    3.3 Cult3D中的事件

    与Flash中的对象间的响应[5]在Cult3D对象中使用“LoadURL”调用Javascript脚本,从而触发Flash跳转到指定的帧。如:在Cult3DDesigner 对象上使用动作Actions2Connection2Load2URL,调用的地址是: JavaScript: Goto (‘shili’) 。当在Cult3D对象上进行操作时, Flash场景便会跳转到指定画面开始播放。

    4 制作实例

    4.1 功能设计

    作出的三维虚拟太阳系模型可与同一网页上的Flash动画进行交互,当鼠标点击模型或点击键盘上相应键时可以跳转到相应的页面观察日食、月食现象及其动态效果,其可实现的各项教学功能如表1所示。

表1 三维虚拟太阳系的教学功能设计

编号

 

相关图片

设计意图

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

通过三维虚拟模型的观察,适合网络环境下教师引导,学生自主学习地球的自转、地月系统等内容。

2

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

地球虚拟模型,使学生对地磁场等知识有一个深入的了解。

3

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

地球公转位置模型,立体呈现了地球公转的各个位置,便于学生自主探究昼夜更替、四季的形成、五带的形成等知识。

4

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

观察日食、月食现象及其成因,将三维虚拟模型及二维平面动画融合在一起,同步展示给学生,培养学生通过对二维平面图形的观察获取三维信息的能力,增强空间感。

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

6

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基于Cult3D的天体系统模型设计与应用

通过模型的动态模拟,使学生探究天体运动的规律———开普勒三大定律,深化对天体运行知识的掌握。

    4.2 实例特点

    与常见网络课件相比,用Cult3D与Flash结合制作出来的太阳系虚拟模型,既可以充分发挥三维虚拟技术交互性、沉浸性、想象性等特点,又可以克服二维平面模型只注重结果展示的缺点[6] ,如对新概念物理中所展示的日全食现象,容易使初学者简单的认为是太阳在移动而形成的;单纯的三维虚拟环境的创建虽然可以为学习者创设一种空间感,但不可避免的存在自身的缺陷,如国外设计者glider用Cult3D软件制作的三维太阳系模型虽可以使学习者尤如进入了真实的太空,但由于Cult3D软件无法展示环境中的光线,而使该模型对学习者而言并无太大意义,利用二维虚拟技术进行补充,则可以引导学习者进行探索,全面地把握学习对象,高效地进行学习,将二维和三维虚拟技术通过有效的工具结合起来是本课件的最大特点。在太阳系模型中,运用Cult3D来制作用于演示的三维模型,将各行星的模型与它们的光影效果相应的放在同一个网页上,使学生能在观察天体运行现象的同时培养自己的空间想象能力,这样能补充语言讲解的不足,达到更好的教学效果。

    5 应用前景

    以Flash动画制作为代表的二维虚拟现实技术在教学中虽然得到了一定的应用[7, 8] ,但多数局限在用华丽的图片和程序化的动画对学习者的视觉造成冲击,无法发挥其想象能力。将二维和三维虚拟技术结合运用于网络实验课件制作中可以充分发挥三维虚拟技术交互性、沉浸性、想象性等特点,也可以充分利用二维虚拟技术进行学习内容的展示,引导学习者进行高效学习,如在物质结构教学中引入三维分子空间结构模型,可以逼真地反映出微观晶体与分子的结构形态,激发学生的学习兴趣和想象力,规范学生对微观世界的认识,提高学生的空间感受能力[2] ;将三维虚拟技术运用于动物解剖学虚拟实验可以使学生模拟解剖,而又不至于发生难以挽回的失误;在光学精密实验仪器的使用方面用三维造型软件制作出仪器模型进行动态调节,用二维虚拟软件显示出调节结果,可以避免学生在实验过程中实验现象难以观察等因素造成的实验障碍,极大的提高教学效率。

    利用多媒体技术与仿真技术相结合,通过计算机创建一种逼真的视觉、听觉等感受形式以虚拟现实世界,使用户产生一种身临其境的感觉,并可实现用户与该虚拟环境中的对象直接进行体验和交互[9] ,这就是网络游戏吸引学生使之长期沉溺于其中而不能自拔的真正原因。未来的教育要想夺回被网络游戏攻陷的大片失地,将这种虚拟现实技术引入教学是教育必然的发展趋势,而将三维虚拟技术和二维虚拟技术进行有效整合必将为其在教育中的应用开辟更广阔的天地。在未来的教育技术发展中,虚拟技术必将是活跃在教育行业中的一支新生力量。

    6 结语

    在网络化日益普及的现代教学环境中,探索各种技术在教育中应用的有效途径,使它们能够互相取长补短,充分发挥出自己的优势,正是落实教育信息化的具体体现[10] 。运用二维和三维相结合的虚拟现实技术对学生无法直接探测到的宏观或微观领域进行虚拟演示,不失为一种培养学生空间想象能力的好方式。

    参考文献( References) :

    [1]  张飞刚,蔡建乐.三维虚拟仪器的制作及其应用研究[J].实验技术与管理.2007, 24 (7) : 48250.

    [2]  胡松涛.产品展示能手—Cult3D入门与提高[M].北京:中国电力出版社, 2002.

    [3]  张飞刚,蔡建乐.力学虚拟实验网络多媒体学件设计与实现[J].现代远距离教育, 2007 (6) : 72274.

    [4]  ZakasN C.JavaScript高级程序设计[M].北京: 人民邮电出版社, 2006.

    [5]  忻 军.Cult3D与课件中的三维交互[J].中国医学教育技术,2004, 2 (1) : 42243.

    [6]  黄剑芳.三维虚拟技术在物质结构教学中的应用初探[J].化学教学, 2006 (10) : 30232.

    [7]  刘明伟,任永攀,黄 兴.Flash与后台[M].北京:清华大学出版社, 2007.

    [8]  袁少雄,黄群声.用flash动画实现细胞生物学模拟实验的尝试[J] .实验室研究与探索, 2007, 26 (3) : 67269.

    [9]  王晶琳,焦 玮.虚拟现实技术与应用[J].实验技术与管理,2003, 20 (1) : 58261.

    [10]  何克抗.多媒体教育应用的发展趋势[J].中国医学教育技术,1998, 12 (3) : 1302132.

标签:Cult3D
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