沉浸式數(shù)字虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)研究

◇張馨月 王千喜

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，在很大程度上提升了虛擬場(chǎng)景的展示效果。隨著文化的發(fā)展和人們審美意識(shí)的提升，科技手段需要不斷更新，沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)也更需要精雕細(xì)琢。

一、沉浸式虛擬場(chǎng)景概述

良好的交互體驗(yàn)可以給予觀者身臨其境般的感受，當(dāng)人們置身于電影院、游樂場(chǎng)、博物館等虛擬場(chǎng)景中時(shí)，空間布局、光照及音效等因素能夠使其與現(xiàn)實(shí)世界短暫分離，排除一切雜念。要想達(dá)到這個(gè)效果，虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，如何打造沉浸式的虛擬場(chǎng)景成為每個(gè)創(chuàng)作者的研究重心。目前，有不少戲劇社為觀者提供戲曲風(fēng)格的面具，這種極富特色的體驗(yàn)活動(dòng)既可以激發(fā)人們的好奇心，也可以全面提升參與感，有利于加強(qiáng)與觀眾之間的互動(dòng)。此外，不少博物館、科技館打造不同風(fēng)格的線上虛擬展廳，使人們結(jié)合自己的需求欣賞展品，同時(shí)能在線上探訪展廳的各個(gè)角落。

沉浸式體驗(yàn)就是利用人的感官體驗(yàn)和認(rèn)知體驗(yàn)，營(yíng)造氛圍，讓參與者享受某種狀態(tài)，若在某一場(chǎng)景中觀者的注意力能夠長(zhǎng)時(shí)間被吸引，那么其便可被稱為比較成功的沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)。觀者在虛擬場(chǎng)景中的交互行為有即時(shí)反饋，每一個(gè)操作都會(huì)有一個(gè)視覺、聽覺或觸覺的反饋，能給予觀者充分的掌控感。如今，數(shù)字技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如藝術(shù)學(xué)、心理學(xué)、傳播學(xué)等，創(chuàng)作者利用靈活的思維，結(jié)合文化、藝術(shù)、科技等內(nèi)容，構(gòu)建具有逼真體驗(yàn)的場(chǎng)景，讓觀眾充分沉浸其中，獲得愉悅感受。

二、沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的影響因素

要想成功設(shè)計(jì)一個(gè)出色的虛擬場(chǎng)景，為觀者帶來沉浸感，就要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)細(xì)節(jié)的處理，如材質(zhì)的挑選、聲音的配合、光與影的交融等。

（一）材質(zhì)對(duì)沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的影響

在虛擬場(chǎng)景的氛圍表達(dá)中，細(xì)膩的材質(zhì)能更真實(shí)地填充場(chǎng)景，能有效增強(qiáng)場(chǎng)景沉浸感。材質(zhì)的真實(shí)還原度是有效突出虛擬場(chǎng)景空間關(guān)系和視覺美學(xué)效果的關(guān)鍵，高品質(zhì)的材質(zhì)渲染可以為人們提供良好的視覺感受。在虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)過程中，材質(zhì)處理不是對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)單的再現(xiàn)還原，而是要根據(jù)光線和實(shí)景特點(diǎn)，對(duì)材質(zhì)貼圖進(jìn)行處理、分解與組合。這一過程需要?jiǎng)?chuàng)作者在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行主觀判斷，并進(jìn)行二次處理。材質(zhì)還原性與建模設(shè)計(jì)、場(chǎng)景組合、色彩搭配是統(tǒng)一的整體，例如，房屋的質(zhì)感體現(xiàn)需要借助多方面數(shù)據(jù)的設(shè)定，光澤度、粗糙度、凹凸、影子、光影法線、金屬光澤度、不透明度等，都能影響場(chǎng)景建模和色彩設(shè)計(jì)效果。

（二）聲音對(duì)沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的影響

聲音是受作用的空氣發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)震動(dòng)頻率在20-20000Hz 時(shí)，作用于人的耳鼓膜而產(chǎn)生的感覺。聲音是所有虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)元素中對(duì)人類心理感受影響較深的一種元素，是人類知覺、心理、情感的催化劑。當(dāng)人聽到一種聲音時(shí)，必然會(huì)自動(dòng)對(duì)它產(chǎn)生的環(huán)境、場(chǎng)景、情感色彩等方面產(chǎn)生聯(lián)想。每個(gè)人對(duì)聲音的感受都來自自身的認(rèn)知和經(jīng)歷，因此聲音對(duì)人情感的影響是沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的重中之重。

聲音在虛擬場(chǎng)景的展示中擁有信息傳遞、情感傳達(dá)、氛圍烘托等重要作用。平日里，有很多細(xì)微的聲音不易引起人們注意，但實(shí)際上，這些聲音本身具有十分重要的信息傳遞作用。例如，行走于石板路上的腳步聲是干脆清爽的，行走于草坪上的腳步聲是輕柔的，不同場(chǎng)景中聲音之間的區(qū)別顯而易見。對(duì)此，創(chuàng)作者必須對(duì)不同場(chǎng)景的環(huán)境音效有深刻的理解，并充分發(fā)揮聲音的特色，提升觀者的沉浸體驗(yàn)。不同音效組合對(duì)場(chǎng)景的視效沉浸感會(huì)產(chǎn)生不同的影響，觀者的情感映射和心理反應(yīng)也必然隨之產(chǎn)生不同變化。沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過五感給予觀者極富代入感的體驗(yàn)。人類的大腦中存儲(chǔ)了個(gè)體長(zhǎng)期的生活經(jīng)驗(yàn)所形成的聽覺慣性，所以在潛意識(shí)里就會(huì)賦予聲音固定的場(chǎng)景，這些場(chǎng)景往往有共通性，會(huì)對(duì)沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。

（三）光對(duì)沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的影響

在運(yùn)用技術(shù)手段制作虛擬場(chǎng)景時(shí)，光是模型材質(zhì)得以展現(xiàn)的基礎(chǔ)，任何材質(zhì)的真實(shí)性都離不開光照，同時(shí)，光線的變化會(huì)直接影響觀者的心理感受。因此，如何利用光使人們?cè)谔摂M場(chǎng)景中獲得較強(qiáng)的沉浸感，是沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)過程中需要思考的重要問題。在創(chuàng)作過程中，要想運(yùn)用光增強(qiáng)人們的沉浸式體驗(yàn)，應(yīng)將關(guān)注點(diǎn)聚集在燈光的形狀和類型選擇上。通常可以將現(xiàn)實(shí)中的天空通過高清攝像機(jī)拍攝下來并制成材質(zhì)貼圖，并配合區(qū)域光、點(diǎn)狀光、聚光等，在虛擬場(chǎng)景中營(yíng)造十分真實(shí)的光影效果。一天當(dāng)中，太陽的角度及其光線的軟硬感受是不同的，例如清晨的陽光往往是低角度的軟光，中午則變成接近頂光的硬光，傍晚和清晨的光線接近，但色溫上更偏向于暖光。為了將生活中的景象最大化還原到虛擬場(chǎng)景中，創(chuàng)作者需要經(jīng)常觀察生活中物體的明暗關(guān)系變化，從而在計(jì)算機(jī)制作過程中更好地設(shè)置各類光源的位置，準(zhǔn)確把握光影關(guān)系，只有這樣，人們才能在虛擬場(chǎng)景中獲得更多的沉浸式體驗(yàn)。

三、沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)實(shí)踐——以《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》為例

VR 技術(shù)自誕生至今不斷發(fā)展，受到了不少好評(píng)與認(rèn)可，它融合了藝術(shù)與科學(xué)技術(shù)，成為一種可實(shí)現(xiàn)“內(nèi)外溝通”的獨(dú)特方式。然而，如此備受喜愛的項(xiàng)目仍被不少觀者反映體驗(yàn)感差。由此，結(jié)合實(shí)際制作VR 動(dòng)畫《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》，探究虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素——材質(zhì)、聲音和光對(duì)場(chǎng)景沉浸式體驗(yàn)感的具體影響。鏡頭的多方位移動(dòng)可帶領(lǐng)觀者的視線隨之變化，光線則給予觀者游覽時(shí)間的信息提示，材質(zhì)細(xì)節(jié)的刻畫及音效的強(qiáng)弱變化能為觀者帶來視覺、聽覺、觸覺等多方位的感受，給觀者帶來獨(dú)特的沉浸式代入感。

《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》是一個(gè)有較高還原度與較強(qiáng)參與感的虛擬VR 動(dòng)畫，展示了歐洲中世紀(jì)時(shí)期的小鎮(zhèn)景象（圖1）。動(dòng)畫中的角色設(shè)計(jì)以歐洲中世紀(jì)人民的形象為基礎(chǔ)，包括商人、居民和士兵等類型。動(dòng)畫場(chǎng)景中的建筑被圍繞在圍墻中，以農(nóng)場(chǎng)、集市、貴族住宅為主。動(dòng)畫通過制定好的路線，引導(dǎo)觀者體驗(yàn)小鎮(zhèn)風(fēng)土人情，更真實(shí)地感受中世紀(jì)的小鎮(zhèn)生活和歷史文化。

圖1 《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》全局圖

（一）利用材質(zhì)增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)感

材質(zhì)是可以刺激人體視覺感官的重要元素，是打造逼真建模場(chǎng)景的重要手段。人們對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的事物的分辨在很大程度上都是通過材質(zhì)進(jìn)行的。小到衣食住行領(lǐng)域中的一切，大到大海天際、河流山川，都擁有材質(zhì)。材質(zhì)是最具吸引力的視覺元素之一，觀者與沉浸式虛擬場(chǎng)景產(chǎn)生交互的第一印象就是場(chǎng)景的材質(zhì)表現(xiàn)。出色的建模固然是沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)必不可少的，但是細(xì)膩的材質(zhì)刻畫能夠讓沉浸式虛擬場(chǎng)景在觀者的腦海中更加“有血有肉”。當(dāng)觀者進(jìn)入虛擬場(chǎng)景還未看清場(chǎng)景中模型的細(xì)節(jié)時(shí)，材質(zhì)帶來的真實(shí)感就已經(jīng)能感染觀者。

在《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》的制作過程中，場(chǎng)景中每一種材質(zhì)的展示效果都需要單獨(dú)進(jìn)行控制調(diào)試：使用紋理貼圖賦予動(dòng)畫模型基礎(chǔ)顏色后，模型由灰白變成彩色，這時(shí)的模型與二維動(dòng)畫相似；將凹凸屬性賦予模型，模型的表面會(huì)呈現(xiàn)出起伏感，材質(zhì)的質(zhì)感初步顯現(xiàn)；賦予模型透明度，此時(shí)即可在有透明屬性的部位顯現(xiàn)其下一層的場(chǎng)景；賦予模型金屬光澤后，盔甲與武器類物品就不再是石灰質(zhì)感，呈現(xiàn)的光澤將展露出鐵的鋒芒與戰(zhàn)爭(zhēng)痕跡（圖2、圖3）。

圖2 賦予材質(zhì)前效果

圖3 賦予材質(zhì)后效果

（二）模型搭建提升還原度

建模在沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位，是營(yíng)造場(chǎng)景沉浸感的基石。在《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》中，每個(gè)模型的塑造靈感都來源于其歷史背景，并根據(jù)考古史實(shí)確定氛圍基調(diào)。為了更加真實(shí)地彰顯時(shí)代感，動(dòng)畫中設(shè)計(jì)了不少小型模型，如樹木、地板、房屋、小攤販、手推車等，這些小物件可以為歷史氛圍感的營(yíng)造增色不少。

在《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》中，居民區(qū)建筑多為單層平房，斜面屋頂，貴族區(qū)為三層城堡，莊嚴(yán)宏偉。城內(nèi)屋舍排列有序，集市模型多樣逼真，城外農(nóng)場(chǎng)、樹林自成一體，護(hù)城河碼頭船只絡(luò)繹不絕。人物建模細(xì)致，士兵、農(nóng)婦、商人各不相同。整體建模場(chǎng)景龐大，具有明顯的中世紀(jì)特色。在材質(zhì)方面，《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》采用了上百種材質(zhì)紋理，不同部分的粗糙度、法線、金屬光澤度等屬性各不相同。為了節(jié)約內(nèi)存，提升渲染效率，故使用Adobe Photoshop 制作了大量UV 貼圖，為場(chǎng)景材質(zhì)后續(xù)渲染奠定了基礎(chǔ)。

（三）光線模擬營(yíng)造氛圍感

沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)與環(huán)境光影之間是密不可分的關(guān)系，材質(zhì)的真實(shí)性需要光影關(guān)系的支撐才能夠展現(xiàn)。虛擬場(chǎng)景中的光影關(guān)系根據(jù)觀者的游覽視角產(chǎn)生變化，如果沒有光的烘托，觀者就很難代入場(chǎng)景中角色的第一視角。在《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》光線設(shè)計(jì)中，環(huán)境燈光采用了自然光，頂光的使用使陰影面積較小，小鎮(zhèn)的環(huán)境得以更加清晰地呈現(xiàn)，整體自然環(huán)境模擬了陽光明媚的午后氛圍。塑造光線反射時(shí)，為了體現(xiàn)不同材質(zhì)對(duì)光的不同反射效果，特意合成法線紋理貼圖，用以形成精準(zhǔn)的光照方向和反射強(qiáng)度。

（四）音效變換提升真實(shí)度

音效與畫面的搭配能夠?qū)μ摂M場(chǎng)景沉浸感的營(yíng)造產(chǎn)生較大影響，設(shè)計(jì)契合畫面元素的音效，能達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間吸引觀者注意力、增強(qiáng)場(chǎng)景沉浸感的目的。《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》利用在三維場(chǎng)景中材質(zhì)紋理細(xì)節(jié)的逼真刻畫，從多種角度多元地展現(xiàn)物體的自身材質(zhì)，形成物體的獨(dú)特視覺效果；利用光影對(duì)物體質(zhì)感呈現(xiàn)的影響，通過美學(xué)的光線軟硬、角度變換，進(jìn)一步增強(qiáng)材質(zhì)真實(shí)性，更好地進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的氛圍塑造與情感表達(dá)。

《中世紀(jì)小鎮(zhèn)漫游》動(dòng)畫以集市為中心，商販的叫賣聲及周邊人群的談話聲會(huì)隨著觀者與商販的距離遠(yuǎn)近變化而產(chǎn)生音量變化，人行走時(shí)發(fā)出的腳步聲節(jié)奏會(huì)隨著觀者的速度變化而變化，音感會(huì)隨著地面材質(zhì)的變化而變化，風(fēng)聲、鳥聲等背景音效會(huì)隨著周圍環(huán)境的變化而變化。這樣，各類聲效與觀者行動(dòng)相配合，能夠更好地使人產(chǎn)生第一視角體驗(yàn)。觀者通過自身認(rèn)知對(duì)場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行發(fā)散性的聯(lián)想，與畫面的視覺刺激相結(jié)合，增加第一人稱的代入感與真實(shí)感。

四、結(jié)語

虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)是影視、游戲、文旅等領(lǐng)域不可或缺的表達(dá)方式，被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新教學(xué)、建筑設(shè)計(jì)演示、劇本殺、游樂園、舞臺(tái)設(shè)計(jì)、博物館等領(lǐng)域，為人類的生活增加更多元的情感體驗(yàn)。其通過結(jié)合三維場(chǎng)景設(shè)計(jì)的藝術(shù)性、美觀性和趣味性的表達(dá)方式，增加了VR 交互式表達(dá)形式，是科學(xué)與藝術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合。沉浸式虛擬場(chǎng)景能提供多元化的互動(dòng)體驗(yàn)，打破二維視覺信息表達(dá)的界限，將歷史場(chǎng)景、未來科幻和宇宙萬物帶入大眾的生活，全方位、多角度、立體化呈現(xiàn)震撼的視覺盛宴，給觀者帶來強(qiáng)烈的感官刺激，使其獲得沉浸式的審美享受。通過沉浸式虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)，觀者可以更好地感受作品的藝術(shù)文化內(nèi)涵，提升自身藝術(shù)素養(yǎng)。