基于環境設計教學的虛擬環境漫游系統開發與應用研究

摘 要：虛擬漫游技術作為當下的設點數字技術之一，它實質上是一種交互式高級人機界面，利用虛擬漫游技術可以模擬實時交互的三維虛擬環境，使用戶獲得沉浸式體驗。環境設計屬應用型學科，基于虛擬漫游技術開發的虛擬環境漫游系統應用于環境設計專業教學，可以達到豐富教學手段、提高學習成效、提升專業影響力的目標，具有較高的創新與應用推廣價值。

關鍵詞：環境設計;教學;虛擬漫游技術

虛擬漫游技術是虛擬現實技術的重要分支，其實質上是一種交互式高級人機界面，通過計算機圖形學、人機接口和多傳感技術等，構建一個可實時交互更迭的三維虛擬空間環境;通過視點與空間的關聯變化，形成用戶與虛擬場景的交互動態關系，從而使用戶在環境漫游中獲得沉浸式體驗。20世紀90年代起，漫游技術初步應用于建筑行業，并在相關領域得到迅速推廣和發展。我國一些重點高校如浙大、清華、北京航空航天大學對該技術進行了積極投入和研發，并在視景技術、三維圖形算法、建模方法等方面取得了一系列重要突破。1996年，天津大學在SGI硬件平臺上開發了基于VRML標準的虛擬校園系統;其后國內高校相繼推廣，我國多所高校制作發布了校園實景漫游系統。上述研究成果不斷推進虛擬現實核心技術和應用領域的拓展。近年來，該技術主要應用在工業設計、建筑設計和城市規劃領域，相關研究也以此為主。相對于上述領域，環境設計專業中對虛擬現實技術的研究較少，研究力度遠遠滯后于快速增長的市場需求。本文立足于高校環境設計教學，將數字漫游技術應用于專業教學，通過虛擬環境漫游系統的開發和應用，達到豐富教學手段、提升教學水平的目的。

1 虛擬漫游技術在環境設計教學中的應用優勢

1.1 符合國家信息化戰略，對接專業市場需求

隨著國家對信息技術的高度重視和有效推進，虛擬漫游作為當下的熱點數字技術之一，其借高沉浸感、多感知性和實時交互性的優勢，迅速應用于建筑、工業設計等環境展示領域。環境設計屬于應用型學科，應以市場驅動為導向，對接行業市場需求。數字虛擬漫游和交互性技術在教學資源開發中的應用，符合專業發展需要，有利于教學研究與行業需求的有機銜接。

1.2 拓展和豐富教學手段，有利于提高學習成效

環境設計專業傳統教學手段以CAD制圖結合MAX制作效果圖進行方案設計與評價，教學過程中學生對空間環境的觀察囿于角度、方位、時段等諸多因素，缺乏與空間的互動，限制了概念深化和創新思維的延展，教學對新媒體技術的需求迫在眉睫。數字漫游技術的介入，突破了教學瓶頸，將學生對靜幀圖像的理解轉變為具有開放性、實時性特征的多感官交互空間，有助于環境的臨場性體驗和對環境數據的采集分析，為深化思路、細節提供了有力支持，也為教學方式開拓了新的途徑。

2 基于環境設計教學的虛擬環境漫游系統開發與應用

2.1 基于虛擬現實技術，開發服務于教學的虛擬環境交互漫游系統

環境設計專業在課程教學中面臨的主要問題是，現有教學資源和技術難以滿足教學內容對空間環境的實時交互性需求。研究開發一套服務于體驗式教學的桌面式環境交互漫游系統，不僅可以增強學生對設計方案的實時感受和理解能力，提高方案精準度，而且也支持學生上傳優秀設計方案，滿足資源庫雙向建設、同步更新的要求。建成后的系統應具備以下功能：第一，可實現在三維虛擬環境下對教師建設的場景資源進行自主漫游和運動控制，或沿指定路徑對整個場景進行自動漫游，支持用戶在虛擬環境中以動態和交互方式對空間環境進行身臨其境的全方位審視。第二，支持通過硬件傳感設備進行交互操作，通過頭盔顯示器等硬件設備，實現用戶對虛擬環境真實自然的沉浸式交互體驗。第三，該系統服務于課堂教學，支持教師結合授課內容進行環境實時交互演示和方案評價;允許學生上傳發布教師審核通過的交互模型，整合教學成果，逐步充實和完善系統資源。

2.2 拓寬系統服務觸及面，搭建本專業與地方、社會間的交互平臺

為進一步拓寬漫游系統服務的范圍，增強系統利用率，開發建成后的系統資源不僅服務于課程教學，也可作為本專業面向社會的教學信息推送平臺，面向公眾展示優秀教學成果，以構建高校與用人單位之間直觀、有效的溝通橋梁，達到提升專業社會影響力、促進招生和就業的目的。出于資源的優越性和開發的可行性考慮，項目資源建設可面向本專業創作周期最長、藝術和技術水平都相對成熟的畢業設計方向滲透，與畢業創作過程結合，甄選優秀設計方案制作和開發虛擬場景資源，配合畢業設計展覽同步面向社會推送教學成果。同時，系統的服務面也將進一步延展到社會大眾和相關用人單位，在更大范圍內實現資源交互。

3 虛擬漫游系統開發中的關鍵性技術問題

3.1 虛擬環境的建模和優化技術

場景建模技術是環境漫游系統開發的首要環節，在處理三維模型創建、調整、優化面數等方面具有重要意義。良好的模型資源計算方法可以大大提高場景繪制的精度和效率，減少后期制作的成本和周期。建模軟件的評價指標主要包括精度、面數優化及其與后期軟件的兼容性。綜合考慮上述因素，可采用3DSMax和GeogleSketchup建模，其優勢是業內普及面廣、模型庫相對豐富。但無論采用哪種建模方式，對模型的技術規范都應達標，一個精簡、規范的模型文件對后期程序的控制管理至關重要。

3.2 虛擬場景的材質、光效處理技術

真實自然的材質和光影效果是影響場景表現力與感染力的關鍵要素。對虛擬漫游場景進行高真度還原有3個技術指標。第一，渲染軟件的材質編輯和管理能力及對材質貼圖表面紋理、反射、折射等屬性的處理能力。第二，對場景燈光分布方式、燈光照度、光影光斑的高還原度以及渲染器對光線性能優化的計算方法和計算效率。第三，圖像分辨率和畫面刷新率。其中，畫面刷新率是指實時建模的畫面刷新速度，它決定了建模的效率;圖像分辨率是指輸出畫面的清晰和細膩程度，它決定了輸出影像資源在細節上的真實程度。Max創建的模型可配合Vray渲染引擎來完成材質調節、布光和全景輸出的流程，Sketchup模型基于Vray的功能不夠完整，可導入Lumion進行編輯和實時渲染。

3.3 交互界面的編輯和發布

交互編輯和輸出是實現漫游的決定性環節。這一環節的決定性因素是系統制作的資源調度與優化技術。一般來說，一個漫游系統通常需要多幅全景畫面才能拼接為一個豐富、完整的虛擬空間環境，實現用戶對場景的總體瀏覽。但事實上，每幅全景圖的數據量都在十幾到幾十MB，無法一次全部調入內存;即使單幅場景也往往需要分割為許多部分，每次僅僅加載一個子圖像，再根據系統設定的漫游路徑加載下一幅圖像。因此在系統編輯過程中，對編輯軟件的資源調度與優化技術的性能要求至關重要。綜合上述考慮，利用Pano2VR進行交互界面的編輯制作，可更加快速高效地設置交互熱點、添加文本，嵌入音視頻，成果最終發布為基于Flash的SWF格式文件或支持iPhone/iPad等移動終端的HTML網頁文件，以實現交互瀏覽。

4 虛擬環境漫游系統的創新與推廣價值

虛擬環境漫游系統應用和服務于環境設計教學，不僅拓寬了該技術的教學應用領域，也為教學模式開辟了新的研究思路，具有較高的借鑒和推廣價值。其創新點在于，整個系統的開發、應用和建設是一個良性循環的過程，在上述過程中，學生既是系統的使用者和受益者，也是參與資源開發的建設者。這種開發模式不僅極大地節省了教師的精力支出，提高了建設效率，而且也增強了學生對系統建設的參與度，更在實踐中鍛煉了學生的職業技術能力和自主創新能力。

參考文獻：

[1] 劉雨澤.沉浸式體驗要素在藝術創作視域中的表達分析[J].藝術科技，2019.

[2] 吳南妮.沉浸式虛擬現實交互藝術設計研究[D].中央美術學院，2019.

[3] 張小夫，張朝霞，劉言韜.中國新媒體藝術研究中的三個重要范疇[J].中國人民大學學報，2013.

[4] 丁蕾.數字媒體語境下的視覺藝術創新[D].南京藝術學院，2013.

[5] 耿陽.海德格爾現象學視域下虛擬實在的審美分析[D].大連理工大學，2014.

作者簡介：王慧卿（1978—），女，山東濱州人，碩士，從事環境藝術設計與理論研究。