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摘要：随着虚拟实验技术成熟，虚拟仿真技术也被运用在实验教学上，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护，安全性高，人财物资源的节约等诸多优点。下面主要通过分析数字摄影实验室实验教学的特征，运用虚拟仿真实验技术，通过互联网来实现数字摄影仿真实验项目。
关键词：数字摄影；虚拟仿真；实验室建设
本文引用格式：郭鹏.浅析虚拟仿真摄影实验室的设计与实现[J].教育现代化，2019，6（28）：115-117.
笔者从事摄影教学已有10年时间，涉及传统摄影、数字摄影、商业摄影等摄影专业课程教学，在摄影教学和摄影实验室建设方面已经积累比较丰富的经验；随着数字技术的发展，数字摄影已经基本取代了传统的摄影，特别是在商业摄影领域的应用，数字摄影发挥着巨大的作用。当前数字技术的快速发展，数字摄影实验教学上越来越依赖于相机、镜头、摄影辅助设备等硬件条件，但是数字设备的更新速度非常的快，品类繁多，作为摄影实验教学，搭建虚拟仿真实验室平台能解决这个问题，同时大大提升教学质量并节约教学成本。
一数字摄影虚拟仿真实验室建设的背景
数字摄影具有便携性、实用性、高效率等一系列的优势；但通过教学实践以及学生们的反馈发现还会存在很多问题，主要表现在以下几个方面：
第一，数字设备费用高，更新速度快，购买会有经济压力，不够买缺乏实践操作环节，没有实际的教学效果呈现；摄影在高校教学中基本分为两块：一块面向非摄影专业的同学，作为基础课程开设；一块是面向摄影专业的同学开设。不管是专业和非专业，设备的支出都是很大的一笔投入；摄影设备类别丰富，主要有相机，镜头，闪光灯，三脚架，云台等，每个种类下面又有细分，比如镜头：在拍摄风景片等大场景时需要用到广角镜头；拍摄局部细节或者特写时会用到专业的微距镜头；拍摄树枝上鸟或猛禽时又需要远射镜头等等；如果所有都配备下来会是一笔庞大的经费，同时会因为很多因素导致投入和产出并不一定成正比，如果不够买设备，课程基本就无法进行。
第二，数字设备故障多，损坏率高，尤其初学者操作不熟悉的情况下会更严重；数字设备日常运行时会存在故障，特别是在初学者不懂操作的时候，更易造成设备的损坏。
第三，理论课程上没有直观的操作效果，效果欠佳摄影的课程，理论和实践的结合度很高，但是一般来说理论课都是在常规教室或者实验室完成，会存在理论和实践脱节的环节；比如：在摄影基础教学理论课上，其中一节是讲的是景深的控制，景深控制的三要素分别是光圈、焦距和物距，只能结合图片进行理论分析；如果能通过学生的操作，动态的把三要素和景深的变化视觉化的表现出来，这样子的印象就会非常深刻。
第四，学校每年实验室建设投入经费有限，设备购置周期较长，实践课程很难跟新设备对接。目前高校在实验设备这块的投入经费有限，通过学科专业细分后到每个实验室的经费更少，很难配备理想的实验设备，同时每年的设备都是通过政府采购，时间跨度基本在1年时间，今年申报明年采购，教学上很难有最新的设备跟进。
二 建设数字摄影虚拟仿真实验室的对实验教学帮助
第一，人财物的节约，降低教学成本
数字设备更新快，设备与辅助配件多，也都是精密仪器，管理上需要人员花大量时间细腻精致的维护，设备购置费用昂贵，且设备更新很快，容易过时，通过虚拟仿真实验室的搭建，通过虚拟设备库的构建就能很好的解决这些问题。
第二，摄影在很多学科都有应用，虚拟仿真实验室的建立能在不同学科之间实现共享
笔者所在的摄影实验室归属在艺术与设计实验中心，实验室主要承担了数字媒体专业的摄影方向专业课程教学，以及艺术与设计系所有的摄影公共基础课程，同时承担了学院建筑专业的建筑摄影课程，纺织服装专业的服装摄影课程。
对于数字媒体摄影方向同学们来说，课程摄影方向的培养计划相对系统，课程设计也丰富，从基础到专业，从前期到后期都有相应的课程，学生基本都配备了相应器材设备，课程教学实施过程会相对顺畅，特别是实践实验环节；但还是存在很多问题，比如同学们配备的相机型号过于相同，镜头一般只配备一个使用，接触到的硬件设备会比较少；其他专业问题会更多，其他专业一般只有1门摄影大课，也没有专业的设备，理论课时比较多，知识点会比较泛，实践与理论属于脱离教学状态，教学效果会比较差。虚拟仿真实验室建立，资源上可以很好的进行共享，同时不会存在没有设备的障碍，各专业之间能很好的借助虚拟资源，模拟实验，获得直观的认识。
第三，实验项目多样化，实验分组数量不受空间场地，设备台套数，开放时间等制约
传统的摄影实验室，在开设实验项目的时候，要考虑到实验分组数，由于空间和设备台套数等限制，每组人员一般都会比较多，而每组人员太多，每个同学参与度会降低，影响实验效果，虚拟仿真实验室依托互联网平台，可以进行虚拟设备和空间场景的增设，只要服务器能承载，就能实现同一门课程，多组同学同时上线操作实验，也能满足多门课程，多个老师同时进行教学等
第四，实验设备种类多，场景丰富，更新速度快，与市场结合度高
无论是以前传统胶片摄影，还是数字摄影，摄影入门接触的首先是照相机，照相机的种类、品牌非常多，不同的照相机有各自的特色，学好摄影很多时候对设备的认识也是非常重要的，只要掌握了各种照相机的特性，才会在拍摄时选择适合自己的设备拍摄最好的作品；有了设备和技术基础，摄影最重要的环节就是实践，要多出去拍摄，练习，而这一步就是走出去到不同的地方去验证设备，验证所学的技术。而这个地方其实就是虚拟现实场景，在虚拟仿真实验室里对虚拟场景我们可以建立数据场景库，场景库可以实现各种场景环境的设定。设备和场景我们可以通过随时更新来加入最新的数据，保证教学与市场的充分结合。
三 虚拟仿真摄影实验室系统构建模块概述
（一）认知实验－建立虚拟相机设备库
对于初步接触摄影的同学，首先要提高对器材的认知度，了解摄影器材的特征与功能；相机设备库主要包括了相机、镜头、三脚架、云台、闪光灯、相机包、储存卡等设备主要可以从品牌、规格、指数等进行展开，如相机可以从相机画幅上区分为135小型相机、120中画幅相机、大画幅相机；品牌上可以以大品牌为主，如佳能、尼康、索尼、哈苏、莱卡、仙娜等等除了设备外观展示外，内部构造、相机的性能、产品功能也可以在此模块进行展示描述。
（二）基础技术实验－建立虚拟的基础实验设计
此模块主要对摄影基础性实验进行虚拟的呈现，摄影基础教学过程主要的基础性实验有
1.摄影的成像原理－小孔成像原理
小孔成像，基于光线是直线传播：当小孔只能让一根光线通过时，从光源上的一点发出的直线传播的光线中，只有一根能通过小孔照射到屏上，光源上每一个点都只有一根光线通过小孔在自己照射到对应位置上，在屏上组成了光源的像；光源发出的光线在成像过程中没有改变方向，没有汇聚或发散，所以不存在焦点，也就没有焦距；但成像中，光源到小孔的距离（物距）是存在的，屏到小孔的距离也同样是存在的，屏到小孔的距离实质上就是像距,改变像距可以改变像的大小。当小孔的直径较大时，光源上一点发出的光线在屏上得到较大的光斑，光源每点的像都是大光斑，使得整个光源的像由相互重叠的大光斑构成，无法得到清晰的光源的像，孔太小，图象清晰但亮度较低，适当的选择小孔直径大小，是得到清晰图象的关键；
2.曝光的控制－光圈、快门、ISO
光圈是照相机镜头中可以改变大小的孔洞。它控制进入镜头的光线量。在其它因素不变的情况下，光圈开得越大，通过镜头进入的光量就越多。这就好比房间里的窗子，它开得越大，进来的光线越多。光圈的数值通常用f-stop值来表示，要注意的是：f-stop值越大，光圈开得反而越小。例如：f16的光圈就比f8的光圈小；
快门是控制光线进入的闸门。在其它因素不变的情况下，快门速度越高，通过镜头进入的光量就越少。反之亦然。它相当于开窗子时间的长短。快门的数值用1、1/2、1/4、1/8、1/15、1/30、1/60、1/125、1/250、1/500、和1/1000秒来表述时间的长短。
ISO感光材料的感光速度，在数码相机中ISO表示CCD或者CMOS感光元件的感光的速度，一般情况下，iso值越低，相片的质量越高，相片的细节表现的得越细腻，iso值越高，相片的亮度就越高，而相片的质量会随着iso值的升高而降低，噪点会变得越来越严重，但高iso值可以弥补光线的不足。通过虚拟仿真来展示曝光的三要素光圈、快门、ISO对画面明暗和品质的影响。
3.景深的控制－光圈、焦距、物距
光圈数值大，景深小；数值小，景深大。“焦距越大景深越小，焦距越小景深越大。物距越远景深越大，物距越近景深越小。通过虚拟仿真来直观的展示三要素光圈、焦距、物距对景深效果的影响。
（三）专业影室灯光提高型实验－建立虚拟的灯光系统与拍摄效果
在基础技术的基础上，数字媒体专业的商业摄影方向有开设广告摄影、商业摄影课程，目前商业摄影主要以影视闪光灯进行高品质拍摄，所以虚拟影室闪光灯的效果也是专业提高性的重要实践环节；本环节主要从闪光灯的六个特点去展开
1.光位（光源的位置）
2.光质（光的属性，柔光使画面更平滑过渡，影调丰富；硬光使画面有力量感、形式感强）
3.光型（光在拍摄运用中的作用）
4.光度（光线的强度，影室的光强弱可以由摄影师来控制，强光获得小光圈、小景深）
5.光色（光线的颜色，一般闪光灯的色温接近5600标准色温，但有时会用到影视灯光，或者滤色片来营造特色效果）
6光比.（光比一般来说是指主灯跟辅助灯光的强弱比，一般光比越大反差越大，对比也就越明显）
四 数字摄影虚拟仿真实验室开发与实现
（一）虚拟仿真相机设备库模块的设计与实现
虚拟相机设备库，主要包括了相机、镜头、三脚架、云台、闪光灯、相机包、储存卡等，首先需要采集制作三维模型，在制作上可以借助我校实验中心三维扫描仪进行素材模型的采集，后期运用3dmax、C4D三维软件进行制作处理，制作成动态三维效果，模型制作完成后将其导出到VRP编辑器中进行交互设置。
（二）虚拟仿真基础技术实验的设计与实现
此模块主要针对基础性的实验项目，光圈、快门、ISO的调节，曝光的控制，景深的控制等等，这些都有严格的数值设置，通过设置不同参数获得对应的效果。这些都可以运用C4D软件建立三维模型，运用VRP编辑器中进行交互设置；也可以用flash的ActionScript语言可以快速准确的实现教学模块交互性的虚拟演示。
（三）虚拟仿真专业影室灯光提高型实验的设计与实现
虚拟仿真专业影室灯光提高型实验教学是应用于高校及企业影棚中室内摄影的布光教学。影棚灯光技术被视为商业摄影教学课程中非常重要的环节，很多知名的商业摄影师在灯光运用上都有自己的特长，这也是摄影教学学生必须要掌握的技能。使用三维及交互技术实现仿真布光教学模块的设计，学生可以通过互联网平台，在电脑或手机等终端上，根据需求选择使用灯光，进行灯光的布置，例如：标准罩、柔光箱/伞、雷达罩等。通过交互式学习，学生可以便捷的操作并重复试验，同时能直观的看到效果，可以很好的加深灯光教学的印象，同时也帮同学树立自信。
虚拟仿真专业影室灯光教学模块设计主要分三维模型搭建、三维虚拟交互两个环节。在三维模型搭建环节中使用C4D创建影室灯光模型和人物模型。在灯光模型的创建方面，根据灯罩等灯光附件造型的特点，在建模中可以对模型进行最大化的精简，面数越少越有利于发布在网上进行交互应用。模型的面数少容易导致细节的缺失，我们可以使用烘焙贴图来模拟提高画面真实性。对于人物建模要求会更高，但是模型的面数同样也要控制，不然会导致不流畅的现象，影响其交互性时学生的体验感。所有模型完成创建后，将其导出到VRP编辑器中进行交互设置。在导入到VRP编辑器后，首先，运用C4D软件制作整个影棚房间的模型、灯光的模型等；接下来，为其设置交互操作，整个模块分上半部分的虚拟仿真影棚布光的操作区和下半部分的影室灯光按钮控制菜单区两个部分。上半部分的虚拟仿真影棚布光操作区可以实现影室灯光位置调节，并可以实现三维多视角查看功能。下半部分的影室灯光按钮区，主要控制不同灯位的明暗、色温等调节。所有这些功能可以通过VRP脚本编辑器中的触发函数来实现。最后在所有交互设置完成后进行发布，并将发布的文件链接到网站上。
五 小结
本文结合笔者的摄影实践教学课程现状，对建立虚拟仿真摄影实验室的必要性、可行性、优势进行了分析与论述；通过设计交互软件与互联网技术对开发系统的设计与实现进行探索性的阐述。虚拟仿真实验室是未来实验教学的一个大的趋势，在摄影实践教学中不只是起到人财物的节约作用，更重要的是能在参与互动过程中，提高同学们动手能力和发散思维，同时提高学习的积极性、树立强的自信心。
参考文献
[1]白易梅.摄影技术与项目实训[M].合肥:合肥工业大学出版社,2018:10-40.
[2][美]库伯塔(Kubota,Kevin)著.摄影用光大师手记[M].若扬其,译.北京:人民邮电出版社,2018:10-40.
[3]朱万侠.摄影技术_网络虚拟实验平台的设计与开发[D].武汉:华中师范大学,2011.
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