4D电影技术及其在大学教学中的应用前景

时间：2024-05-20

周春樵，朱思征

大学的教学方式通过几百年发展变迁，经历了不断的改革和进步，从单一的个别教学模式到班级授课模式的转变，并在此发展主线上呈现出多样化的轨迹。传统的课堂教学主要包括教师讲台授课、室外讲解、计算机辅助教学(网络远程在线教学、慕课等)，但受到资源、地域等方面的限制，都存在一定的缺陷。随着现代化数字技术的进步，大学的教育形式将向个性化、网络化、数字化方向发展。4D电影技术的出现是视觉影像技术的革命性变化，除了具备3D电影模拟出真实场景外，4D电影还能让人在观影过程中产生强烈的“身临其境”的感觉。在未来信息化的时代，引进4D电影技术将会给传统的大学教学方式带来颠覆性的变革，让学生能在虚拟的现实环境里全方位的感知教学内容，具有一定创新性的发展趋势。

一、关于4D电影技术

(一)什么是4D电影

4D电影是立体电影和特技影院结合的产物。随着三维软件在国内越来越广泛的应用，4D电影也得到了飞速的发展。4D电影也叫四维电影，它由三维立体电影和周围的环境模拟组成的四维空间，但不是几何意义上的四维空间。在3D立体电影的基础上加环境特效、模拟仿真而组成的新型电影产品，通过给观众以电影内容联动的物理刺激，来增强临场感的效果。

(二)4D电影技术与传统电影技术的比较

4D电影在制作方式、制作工艺方面与2D以及3D电影都有一定的区别，具备更多的优越性。

2D电影即为传统的平面电影，在观影空间里表现为2维(只有长和高，没有宽)，电影播放载体一般为胶片，制作工艺复杂，复制过程有一定的衰减。声音呈现方面，采用的是模拟单声道。画面上有时有划痕、晃动、接片干扰等。

3D电影在观影空间里表现为3维空间(长、宽、高)，国际上以3D电影来表示立体电影。它将两影像重合，产生三维立体效果，当观众戴上立体眼镜观看时，有身临其境的感觉。电影制作流程包括剧本讨论、概念设计、分镜故事板、粗模、贴图材质、骨骼蒙皮、分镜动画、灯光、3D特效、分层渲染、后期剪辑等。3D电影的载体有磁带、磁盘和光盘。电影资源可以完美克隆。画面无抖动、平滑、色彩鲜明饱满。3D电影技术现主要应用于科幻电影、珍宝欣赏、远距医学等方面。

4D电影技术是在3D基础上发展起来的数字电影技术。它依靠三维立体电影和周围环境来模拟四维空间，从而给观众更加逼真的电影观感。从架构层面上来说，4D电影技术是在3D电影与特技影院相结合的条件下来完成的。在画质和视觉方面，4D电影除了具备立体的视觉画面外，还能通过影院的特殊装备来营造出一种与影片相匹配的环境，让观众能从视觉、听觉、嗅觉、触觉等多重身体感官体验电影的放映效果。在技术层面上，4D电影应用到了传感、机电控制、同步控制、仿真、气动装置、多计算机通讯、偏振立体显示、数码影视以及图像拼接等高新技术。4D影院的发展非常迅猛，表现形式也根据人们不断提高的娱乐需求有了很大的发展，平面银幕方式的4D影院正受到环幕方式的冲击，而新型特技座椅配合动感平台，又使4D影院进入了一个崭新的阶段。因此，相对于传统电影，4D电影无论在电影制作层面，还是观众观影感受方面，都具有划时代的意义。

(三)4D电影技术原理

4D电影是随着自动化、智能控制技术的发展而新兴的一种新的电影技术，该技术充分利用自动智能控制，通过主控系统实现对放映、座椅和闪光灯、声音、供水、供气等设备的联动协同工作，并同步模拟出与电影画面中一致的场景，使观众虽身在座位上，但真切感觉如同走入立体电影中的情节和实景。

4D影院一般由立体放映系统、特效座椅与特效设备、计算机控制系统三个基本要素组成。

1.立体放映系统包括立体影片和立体放映设备，4D影院所播放的具有立体效果的影片，通常采用数字电影特技技术制作。目前主要有电影机放映与投影仪放映两种系统。观看4D立体电影时，观众要佩戴偏光立体眼镜。这是由于影片的图像在计算机生成时利用立体成像技术，分别输出制作了存在着左右眼视差的两套电影胶片，放映时，两台放映机同步放映，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90度的偏振镜，看到的就是立体影像。

2.特效座椅与特效设备是4D影院与一般影院相区别的标志性特征。通过4D特效座椅和特效设备的共同作用，才能够实现在立体视觉基础上的“身临其境”。4D特效座椅以两个座位为一个单元。4D特效座椅可在计算机控制下配合影片镜头的运动进行同步的动作。特效座椅及其它特效设备与影片精确的配合，制作出特殊的效果，例如自然界中的风、水等效果及生活中比较常见的振动、坠落等。

3.计算机控制系统包括影院中央控制系统、特效控制系统、音响系统、供气供水系统。影院中央控制系统主要完成的功能是:负责电影放映、特效控制、电影音效系统的同步运行，它主要是由一台工业控制计算机和计算机内的控制软件构成，是4D影院的大脑。特效控制系统用来实现特效座椅与特效设备的动作，在总控系统的协调下，与电影剧情进行同步运行。音响系统多采用数字立体环绕音效，与电影画面同步。供气供水系统由空压机、储气罐、压力泵、水箱组成，管道和阀门与特效设备连接，使得座椅可以升降、振动等。压力泵和水箱主要完成喷水效果。

二、4D电影技术在大学教学中的应用

(一)传统的大学教学形式

中国传统的大学教学形式主要有讲授法、讨论法、直观演示法、练习法、读书指导法、任务驱动法、参观教学法、现场教学法、自主学习法等。不同的教学方法衍生出形式各样的教学传授媒介，如传统课堂里的黑板、粉笔、标本，现代的多媒体教学的幻灯片、数字投影、录音、远程视频等。科学、合理地选择和有效地运用教学方法，要求教师能够在现代教学理论的指导下，熟练地把握各类教学方法的特性，能够综合地考虑各种教学方法的各种要素，合理地选择适宜的教学方法并能进行优化组合。

现代多媒体教学技术的不断发展打破了传统的教学模式。多媒体教学将语音处理、图像处理、视听处理技术集成化，通过计算机软硬件的存储、加工、传输等过程来进行教学，让教师传授知识的途径从“一个人+一支粉笔+一块黑板”转向数字化教学。多媒体教学系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分有主机、视频、音频、输入输出设备、高级多媒体设备;软件部分分为系统和应用软件，如多媒体操作系统、媒体制作开发软件以及多媒体外设驱动软件和驱动接口程序等。相对于传统的教学模式，多媒体教学更具有优势:

1.直观性。能够多角度的观察对象，突出教学重点;2.交互性。让更多的学生主动参与教学，有助于提高学生的认知结构;3.针对性。使针对不同层次学生的教学成为可能;4.智能性。图文并茂的教学形式能更智能的进行教学工作，激发学生学习热情;5.可重复性。可复制式的教学模式能更好的突破教学难点，帮助学生更好的记忆课本知识点。

相反，多媒体教学也存在一定的缺点:

1.多媒体课件的质量好坏不一。劣质的多媒体教学课件可能难以发挥教学优势，其可能存在表现形式单一，使学生产生厌学情绪;

2.教师教学能力弱化，缺失课堂互动性。语音传教的教学形式很大程度上会让教师偏重语音的强化，弱化现场教学的控制力，有些教师有可能产生一旦离开多媒体课件就无法教学的结果。过度的依赖多媒体教学也会导致教师教学引导力和学生主体作用消失的情况。

3.学生主观思维丧失，教学效果不理想。多媒体教学使得教学信息不断增大，教学节奏加快，重点知识点难以突出，学生只能被动的接受授课内容，缺失思维过程，削弱学生分析和解决问题的能力。

(二)4D电影技术的教学引进

电影技术本身是大学教育教学的重要资源和方法，4D电影技术把最先进的数字技术运用于电影的制作、存储和传输之中。4D电影技术是集数字技术和电影技术为一体的现今最先进的影像感受展示技术，更应该在大学教育教学中得到应用。

4D电影技术与大学课程整合，是运用该其技术特征，在课程教学过程中把信息技术、信息资源、信息方法、人力资源和课程结构、课程内容、课程资源以及课程实施等融合为一体，从根本上改变传统教和学的观念以及相应的学习目标、方法和评价手段，共同完成课程教学任务的一种新型的教学方法。

4D电影技术可以将大学课堂更加科技化和形象化，将一些晦涩难懂的物理和化学定理更加鲜明化，通过模拟天体运动、温度变化、光亮调节，并配合烟雾、喷水、扫腿和特技座椅，可以让学生们身临其境的去体会这些自然定律，更好的将这些定理去记忆和运用于实践。此外，4D电影技术可以将大学教学课件制作成教学电影的形式，让学生在上课的时候能在汲取课本知识的同时也能享受教学电影的魅力，提升大学生对大学课堂的兴趣，完善自身的发展。在一些具有个性特征的科学学科的课件制作方面，如医学、生物学等，可以采用4D电影技术将高分辨率、技术实现难度较大的课件画面以立体动感的方式呈现在学生面前，它通过像素重构技术，将画面按“帧”进行插入、移动、修改、删除等编辑，能营造出一种宏观的教学立体画面。

此外，由于4D电影技术具备数字式线痕去除、数字缺陷消除等功能，可以利用数字电影技术来修复大学教学中的历史资料影片、科教片以及资料片，长期保存这些电影资源，实现教学资源的高效可持续利用。