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摘要：VRML作为Internet上的3D文件的交换、描述标准，为基于Internet的虚拟现实环境的实现提供了一个可行的解决方案。研究开发仿真摄像实验的系统，将会在电视艺术类实验教学中发挥重要作用，摆脱实验教学受器材不足、学时不足的问题。
关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；摄像实验
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-1038-02
Design and Implementation of Virtual Shooting Experiment Laboratory
DUO Tian-lin, MAO Wen
(Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: As the exchange and the description standard of the 3D document in Internet, VRML has provided a viable solution to realization of the virtual reality environment based on Internet. The research on developing a simulation system of Camera shooting experiment will be beneficial to TV art experiment teaching. It will make shooting experiment get away from the predicament of device shortage and learning hour shortage.
Key words: virtual reality technology; virtual experiment; shooting experiment
虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段，目前在国外已被广泛应用在军事教学、体育训练、医学实习和一些普通中学的实际教学中。本文的研究将利用虚拟现实技术，结合三维场景开发软件3DS MAX与VRML语言构建虚拟摄像实验室，将摄像经验知识赖以产生的器物操作通过软件系统呈现给学生，使学生在模拟系统中的掌握摄像机的基本操作，完成摄像实验中所要求的部分实验环节。
1 设计思路
电视摄像虚拟仿真的设计目标是为学生提供一个进行摄像虚拟实验的条件和环境。 使学习者通过在其中的学习掌握实验的基本知识，并从一定程度上熟悉和掌握实验内容。以便结合传统实验高效优质地达到实验的教学目标。设计思想上强调充分运用虚拟实验技术， 结合多种媒体手段和表现形式，弥补以往实验教学中实验课时有限、实验设备套数不足等问题。 通过虚拟实验和传统实验相结合的方式改革我们的实验教学模式，高效优质地完成实验教学。
2 设计目标
通过研究与设计，预计虚拟摄像仿真达到的以下要求：
1）通过3D漫游技术为学习者呈现虚拟实验环境，使学习者“置身”于三维环境中，以摄像师的身份练习摄像机机位的选择、角度的选择、景别的选择等。
2）用3D建模加CULT3D、Java等技术实现了对摄像机的模拟交互观察和基
操作，通过鼠标点击虚拟摄像机达到摄像实验中要求的部分实验环节，例如变焦、改变角度、改变机位、运动摄像等功能。
3）用流媒体的片断视频或动画演示实验操作
3 虚拟实验实现的总体技术方案概述
3.1 用 VRML 或建模软件建立相应的实验模型
这是整个实验的基础，是用户要直接面对的，因而应该尽量将模型做的逼真，美观。VRML本身就是一种三维网页的建模语言，编写者可以采用简单的文本编辑器来书写，另外，大部分建模工作可以在3D MAX中完成，导出VRML建模语言场景文件。
3.2 选取合适的 VRML 浏览器
由于 VRML 编写的 web 模型具有其特殊的格式(*.wrl)，应该采用其专有的浏览器来观看，或者可以在IE, Navigator中装上相应的插件。一些比较常见的浏览器和插件有:CosmoPlayer, Worldview, Viscape, Cortona等。
3.3 对实验进行模型分析
对于对于一个复杂的机械类或电子类实验设备，要在程序中实现，对实验过程进行数学建模是必不可少的。数学模型的正确与否是整个实验的关键，并直接关系到实验的最终效果。而对于摄像实验的仿真，模型分析也是必要的，但相对比较简单，很多实验环节是定性的，非定量的，比如输入交互中选择“减小焦距”，输出的结果是“推镜头”的画面效果，输入“侧机位拍摄”，输出主体侧面的画面效果。
3.4 确立与 VRML 场景的交互方法
VRML 语言本身具有一定的交互能力，当用户只是需要一些简单而且单一的动画时，不需要再求助于其他的程序语言，但是实际情况中，特别是在实现虚拟实验的场合，往往需要结合实验人员相当复杂的交互行为，这是仅仅采用VRML本身难以胜任，需要在虚拟现实编辑软件中完成，如在 CULT3D 中完成大部分交互功能。另外，如果涉及到更为复杂的交互，就需要借助于第三方语言来补充，如JavaScript, Java等。
3.5 完成代码的编写、修改和测试
不论是三维场景的构建和交互的设置，都要涉及到代码的编写，不过本课题中，代码的编写主要在后期交互的设置中进行，前期场景的构建主要在 3DMAX 中完成，也涉及部分代码的修改和补充。要完成交互功能，会有很多代码的编写工作和程序的编制工作。
3.6 实验平台的搭建
在虚拟实验室平台的搭建方面，本课题将使用目前常用的网页制作技术（HTML、ASP、Javascript)动画制作技术、图像处理技术等，静态和动态网页制作技术主要用于实验内容的排版与设计及实验室学习交流平台的建设，二维和三维动画制作技术用于虚拟实验环境的创设和部分实验效果和实验步骤的演示，以及制作一些实验内容的辅助学习软件。
4 电视摄像虚拟实验室的结构设计
4.1 虚拟实验室总体结构
参照虚拟实验室构建的一般模型，在对摄像实验的具体问题进行分析的基础上，我们设计了虚拟摄像实验室的总体结构。该虚拟实验室主要包括虚拟实验环境、知识分析、虚拟实验和学习交流四个模块组成，如图1所示。
4.2 各模块的功能说明与实现技术方案
1）虚拟实验环境模块将构建一些电视摄像中常见的场景，学生以电视摄像师的身份“置身”其中，练习如何布置机位，如何选取角度，如何按照不同节目的类型进行构图。
本虚拟摄像实验室中构建的主要场景有：虚拟建筑场景、虚拟风景场景、虚拟人物、虚拟会议场景，虚拟事件场景等。
场景开发的基本流程如图2所示。
具体开发的开发过程和开发的场景文件我们在第四章中讨论。
2） 知识分析模块主要是为学习者提供实验背景知识的学习条件。 我们认为在学习者进行虚拟实验之前有必要充分学习和理解与实验有关的背景知识，这个模块将对于实验的过程和效果都将起到积极的作用。
这一部分是对摄像实验中涉及到的知识点的文字表述，主要包括以下内容：摄像机的基本原理、摄像机的基本操作、摄像的取景与构图。
例如知识点“摄像机的基本原理”，将提供摄像机的组成部分介绍，每部分的功能，重点介绍镜头的组成，镜头焦距和光圈对于景别的影响等。
再如知识点“摄像机的基本操作”将介绍几种常用技巧的的操作方法，以及他们在摄像中的应用特点：
推镜头：主要用于表现突出主题，引导观众的视线集中到主题上，操作方法为按变焦按扭的“T”键。
摇镜头:主要用于表现宏大的场面，在一次构图中不能将场景摄入摄像机的镜头范围内可以采用摇镜头，操作方法为机位不动，摄像机的拍摄方向匀速移动。如图3所示。
3） 虚拟实验模块是学生的网上实验室，学生将在这里进行实验仪器的认识和实验过程的学习， 并完成相关的实验操作。这也是本课题研究的难点和关键所在，通过研究设计，实现电视摄像实验中的基本操作、取景与构图、用光等实验环节。每项实验都按照一般实验的流程设有实验目的、实验设备、实验步骤、实验注意事项、思考题和实验报告六个基本部分，此外还根据具体实验的特点增加了必要的部分。这一部分将在第五节中重点讨论。
4） 学习交流模块可供师生进行多对多的交流和答疑，这不仅可以让学习者互帮互学，共享学习经验和成果，同时也是可以弥补虚拟实验相对传统实验效果的不足，便于老师答疑解惑。
5 结束语
本文参照一般虚拟实验室的结构，设计了虚拟摄像实验室的总体结构，并阐述了每部分的功能与实现技术方案。虚拟摄像实验室按设计要求由四大模块组成：虚拟三维场景模块、知识分析模块、虚拟交互实验模块、学习交流模块。利用四个模块共同完成对摄像实验的仿真教学。
参考文献：
[1] 谢本善.摄影技术[M].北京：科学出版社,2001:164-176.
[2] 杨亮明,李箐,邵谦谦.3DS max6创意与设计应用100例[M].北京：电子工业出版社,2004:170-174.
[3] 张金钊,张金镝,张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社,2004:1-3.
[4] 廖述钊,陈礼民.网络应用语言新发展[J].山西大学学报（自然科学版）,2001,24(2):181-184.
[5] 经松,陈月容.浅谈风景写生中取景构图能力的培养[J].江苏经贸职业技术学院学报,2005,(1):93-94.
关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；摄像实验
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-1038-02
Design and Implementation of Virtual Shooting Experiment Laboratory
DUO Tian-lin, MAO Wen
(Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: As the exchange and the description standard of the 3D document in Internet, VRML has provided a viable solution to realization of the virtual reality environment based on Internet. The research on developing a simulation system of Camera shooting experiment will be beneficial to TV art experiment teaching. It will make shooting experiment get away from the predicament of device shortage and learning hour shortage.
Key words: virtual reality technology; virtual experiment; shooting experiment
虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段，目前在国外已被广泛应用在军事教学、体育训练、医学实习和一些普通中学的实际教学中。本文的研究将利用虚拟现实技术，结合三维场景开发软件3DS MAX与VRML语言构建虚拟摄像实验室，将摄像经验知识赖以产生的器物操作通过软件系统呈现给学生，使学生在模拟系统中的掌握摄像机的基本操作，完成摄像实验中所要求的部分实验环节。
1 设计思路
电视摄像虚拟仿真的设计目标是为学生提供一个进行摄像虚拟实验的条件和环境。 使学习者通过在其中的学习掌握实验的基本知识，并从一定程度上熟悉和掌握实验内容。以便结合传统实验高效优质地达到实验的教学目标。设计思想上强调充分运用虚拟实验技术， 结合多种媒体手段和表现形式，弥补以往实验教学中实验课时有限、实验设备套数不足等问题。 通过虚拟实验和传统实验相结合的方式改革我们的实验教学模式，高效优质地完成实验教学。
2 设计目标
通过研究与设计，预计虚拟摄像仿真达到的以下要求：
1）通过3D漫游技术为学习者呈现虚拟实验环境，使学习者“置身”于三维环境中，以摄像师的身份练习摄像机机位的选择、角度的选择、景别的选择等。
2）用3D建模加CULT3D、Java等技术实现了对摄像机的模拟交互观察和基
操作，通过鼠标点击虚拟摄像机达到摄像实验中要求的部分实验环节，例如变焦、改变角度、改变机位、运动摄像等功能。
3）用流媒体的片断视频或动画演示实验操作
3 虚拟实验实现的总体技术方案概述
3.1 用 VRML 或建模软件建立相应的实验模型
这是整个实验的基础，是用户要直接面对的，因而应该尽量将模型做的逼真，美观。VRML本身就是一种三维网页的建模语言，编写者可以采用简单的文本编辑器来书写，另外，大部分建模工作可以在3D MAX中完成，导出VRML建模语言场景文件。
3.2 选取合适的 VRML 浏览器
由于 VRML 编写的 web 模型具有其特殊的格式(*.wrl)，应该采用其专有的浏览器来观看，或者可以在IE, Navigator中装上相应的插件。一些比较常见的浏览器和插件有:CosmoPlayer, Worldview, Viscape, Cortona等。
3.3 对实验进行模型分析
对于对于一个复杂的机械类或电子类实验设备，要在程序中实现，对实验过程进行数学建模是必不可少的。数学模型的正确与否是整个实验的关键，并直接关系到实验的最终效果。而对于摄像实验的仿真，模型分析也是必要的，但相对比较简单，很多实验环节是定性的，非定量的，比如输入交互中选择“减小焦距”，输出的结果是“推镜头”的画面效果，输入“侧机位拍摄”，输出主体侧面的画面效果。
3.4 确立与 VRML 场景的交互方法
VRML 语言本身具有一定的交互能力，当用户只是需要一些简单而且单一的动画时，不需要再求助于其他的程序语言，但是实际情况中，特别是在实现虚拟实验的场合，往往需要结合实验人员相当复杂的交互行为，这是仅仅采用VRML本身难以胜任，需要在虚拟现实编辑软件中完成，如在 CULT3D 中完成大部分交互功能。另外，如果涉及到更为复杂的交互，就需要借助于第三方语言来补充，如JavaScript, Java等。
3.5 完成代码的编写、修改和测试
不论是三维场景的构建和交互的设置，都要涉及到代码的编写，不过本课题中，代码的编写主要在后期交互的设置中进行，前期场景的构建主要在 3DMAX 中完成，也涉及部分代码的修改和补充。要完成交互功能，会有很多代码的编写工作和程序的编制工作。
3.6 实验平台的搭建
在虚拟实验室平台的搭建方面，本课题将使用目前常用的网页制作技术（HTML、ASP、Javascript)动画制作技术、图像处理技术等，静态和动态网页制作技术主要用于实验内容的排版与设计及实验室学习交流平台的建设，二维和三维动画制作技术用于虚拟实验环境的创设和部分实验效果和实验步骤的演示，以及制作一些实验内容的辅助学习软件。
4 电视摄像虚拟实验室的结构设计
4.1 虚拟实验室总体结构
参照虚拟实验室构建的一般模型，在对摄像实验的具体问题进行分析的基础上，我们设计了虚拟摄像实验室的总体结构。该虚拟实验室主要包括虚拟实验环境、知识分析、虚拟实验和学习交流四个模块组成，如图1所示。
4.2 各模块的功能说明与实现技术方案
1）虚拟实验环境模块将构建一些电视摄像中常见的场景，学生以电视摄像师的身份“置身”其中，练习如何布置机位，如何选取角度，如何按照不同节目的类型进行构图。
本虚拟摄像实验室中构建的主要场景有：虚拟建筑场景、虚拟风景场景、虚拟人物、虚拟会议场景，虚拟事件场景等。
场景开发的基本流程如图2所示。
具体开发的开发过程和开发的场景文件我们在第四章中讨论。
2） 知识分析模块主要是为学习者提供实验背景知识的学习条件。 我们认为在学习者进行虚拟实验之前有必要充分学习和理解与实验有关的背景知识，这个模块将对于实验的过程和效果都将起到积极的作用。
这一部分是对摄像实验中涉及到的知识点的文字表述，主要包括以下内容：摄像机的基本原理、摄像机的基本操作、摄像的取景与构图。
例如知识点“摄像机的基本原理”，将提供摄像机的组成部分介绍，每部分的功能，重点介绍镜头的组成，镜头焦距和光圈对于景别的影响等。
再如知识点“摄像机的基本操作”将介绍几种常用技巧的的操作方法，以及他们在摄像中的应用特点：
推镜头：主要用于表现突出主题，引导观众的视线集中到主题上，操作方法为按变焦按扭的“T”键。
摇镜头:主要用于表现宏大的场面，在一次构图中不能将场景摄入摄像机的镜头范围内可以采用摇镜头，操作方法为机位不动，摄像机的拍摄方向匀速移动。如图3所示。
3） 虚拟实验模块是学生的网上实验室，学生将在这里进行实验仪器的认识和实验过程的学习， 并完成相关的实验操作。这也是本课题研究的难点和关键所在，通过研究设计，实现电视摄像实验中的基本操作、取景与构图、用光等实验环节。每项实验都按照一般实验的流程设有实验目的、实验设备、实验步骤、实验注意事项、思考题和实验报告六个基本部分，此外还根据具体实验的特点增加了必要的部分。这一部分将在第五节中重点讨论。
4） 学习交流模块可供师生进行多对多的交流和答疑，这不仅可以让学习者互帮互学，共享学习经验和成果，同时也是可以弥补虚拟实验相对传统实验效果的不足，便于老师答疑解惑。
5 结束语
本文参照一般虚拟实验室的结构，设计了虚拟摄像实验室的总体结构，并阐述了每部分的功能与实现技术方案。虚拟摄像实验室按设计要求由四大模块组成：虚拟三维场景模块、知识分析模块、虚拟交互实验模块、学习交流模块。利用四个模块共同完成对摄像实验的仿真教学。
参考文献：
[1] 谢本善.摄影技术[M].北京：科学出版社,2001:164-176.
[2] 杨亮明,李箐,邵谦谦.3DS max6创意与设计应用100例[M].北京：电子工业出版社,2004:170-174.
[3] 张金钊,张金镝,张金锐.虚拟现实三维立体网络程序设计语言VRML[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社,2004:1-3.
[4] 廖述钊,陈礼民.网络应用语言新发展[J].山西大学学报（自然科学版）,2001,24(2):181-184.
[5] 经松,陈月容.浅谈风景写生中取景构图能力的培养[J].江苏经贸职业技术学院学报,2005,(1):93-94.