基于VR技術的環境設計專業課程教學資源的研究與開發

劉銳　蘇高峰

【摘 要】隨著當下虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）的迅猛發展與普及，人類的教育方式和學習方式也隨之發生了深刻的變化。目前在國際工程設計教育領域中，已經出現了基于VR技術的虛擬設計、虛擬試驗、虛擬訓練等形式。但在設計學環境設計專業教學中的應用還處在初級階段，利用VR技術不僅能夠增強設計教學的互動性，還能夠突破以往案例教學認知模式的局限性，改變了以往空間環境設計的思維定式，具有較好的發展前景。本文描述了以《住宅空間設計》為例，開展基于VR技術的空間設計課程教學資源的開發過程，并對開發過程進行了總結。

【關鍵詞】虛擬現實;空間設計;教學資源

中圖分類號： TU238.2文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）18-0124-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.059

隨著當下虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）的迅猛發展與普及，人類的教育方式和學習方式也隨之發生了深刻的變化。目前在國際工程設計教育領域中，已經出現了基于VR技術的虛擬設計、虛擬試驗、虛擬訓練等形式。借助VR技術的沉浸性和交互性特征，使學生在虛擬環境中扮演一個角色，并能全身心地投入其中，這非常有利于學生的思維與技能訓練。

1 研究背景與意義

空間與環境設計需要設計者有很強的空間想象能力，需要不同設計領域的高度綜合。它既包括視覺環境和工程技術方面的問題，也包括聲、光、電等物理環境以及氛圍、意境等心理環境和文化內涵等內容。因此，知識結構和自身體驗成為學好這個專業的基礎。然而當前的空間設計教育仍然是以傳統的教育模式為主，在信息傳遞和體驗實踐上都存在著不足，主要有以下三方面：

第一，當前主要教學方式仍然是以教師講授為主，借助板書及多媒體的輔助，將教學內容傳遞給學生。在這樣的模式下，教師雖然已經盡可能形象地解釋某些知識點，但由于學生的認知程度不同，而造成不同程度的“理解盲點”。而學生往往忽視答疑緩解，而導致盲點的不斷累積。

第二，環境設計專業課程中的部分教學環節需要相關教學模型或真實場景的配合，提高教學效果。但現實中由于受到時間、場地、資金的限制，始終無法達到預期的效果。

第三，學生學習的熱情雖然較高，但對于一些通識性的知識點（例如裝飾材料與結構）需要通過重復性地溫習，才能達到掌握的標準。而傳統工具書的示意圖例由于繪制的局限性，無法直觀地體現出來。

以《住宅空間設計》為例，開發基于VR技術的教學課件。圍繞住宅空間規劃、陳設、照明等相關方面的知識點，發揮VR技術的交互性、多樣性、開放性的特點，改變學生與各種信息發生交互的方式，加速傳授知識的過程、鞏固對知識點的記憶深度。

2 住宅空間設計VR體驗系統的開發

虛擬現實（VR）沉浸式的視覺體驗效果以及優秀的交互式操作方式，能夠較好地讓受眾能夠快速的帶入到虛擬世界中。整套系統的設計分為：{1}空間環境的內容素材制作。{2}交互內容的邏輯實現。

2.1 空間環境的內容素材制作。

利用三維軟件（MAYA、3DMAX）等軟件在設計圖的基礎上進行模型的制作，在此階段模型的制作是其中的一個重點內容，首先要考慮的是比例尺寸，因為在VR實現的過程中一般會按照正常1.7米人的身高比例進行設計框架，這樣可以較好地與引擎實現比例相互匹配。其次需要嚴格控制模型的面數，盡可能為引擎的素材較少資源，為后期打包運行流暢度做前期的準備。

模型制作過程中區別與普通三維靜態模型的制作方法，在UV的設定中必須分布兩套UV，一套是貼圖材質UV，一套是光照UV，如不這樣生成，在后期引擎渲染中會造成模型表面發黑或光照渲染錯誤的情況，進而影響最終的運行和體驗效果。如圖（1、2）所示

模型的制作修改和調整依靠物體本身的坐標來調節，現在的VR引擎市面運用范圍較廣輸出效果較好的兩種引擎有Unitd3D、Unreal Engine4兩種引擎，不同的公司會根據自己的不同需求運用更多的引擎。這兩款引擎軟件對三維模型的識別度較好，但是引擎對三維模型制作有分廠嚴格的標準，如模型坐標本身與引擎的坐標識別方式不同，因此在三維軟件制作中制作完成一個模型后中心點必須歸零，調節至網格中心點，反之引擎是會記錄模型本身和中心點的數據差值，容易造成無法調節或不方便調節的問題，進而在實現中不明確是世界空間坐標還是物體本身所在的坐標如圖（3、4）所示。

2.2 交互內容的邏輯實現

虛擬現實沉浸式的表現方式中畫面仿真度起著至關重要的作用，需要將三維模型素材進行材質燈光的二次構建，因為在引擎開發的過程中所有的事件是在靠藍圖和C++程序編輯來實現的，其優點是能夠實時觀看場景中細微的變化，周圍環境，無需借助渲染插件，所見即所得，能夠更好地整體把控效果，通過藍圖的實現，也可以在手柄觸發SDK的開發中方便地控制模型的不同材質表現。如圖（5、6）所示。

交互內容事件的實現載體是三維模型，將三維軟件進行設計的模型素材導入Unreal Engine4中轉化成藍圖和可執行腳本文件，便于更好的適配不同的端口。

VR系統的設定中的交互方式一般有三種，一種是觸碰式交互，第二種是手柄按鍵式交互，第三種是聲音頻譜交互。在本文中主要闡述手柄按鍵交互和觸碰式交互，手柄操作的完整入口如圖7。

受眾體驗的過程中手柄的簡單化操作才會符合人體的使用習慣，才能接近人們日常行為操作習慣，那么在使用的過程中用手柄替代手，不能夠像手那樣靈活，所以在系統開發的過程中要用最簡單的程序實現最有效的交互體驗，如體驗觸碰物體（開關），拾取物體，控制燈光等等，做到一次觸發便可以完成任務，不能使用TICK事件占用某一部分功能性的操作。如拾取物體的效果入口事例如下所示：

所有的體驗都應該圍繞良好體現效果來實現的，在視覺體驗中如果畫面出現很多的UI標簽，會破壞整體的效果，感覺所有都是凌亂的，也與教學的目的性的體驗不符合，因此在系統開發時運用了隱形UI和顯性UI（既觸碰顯性形UI設計和TIGE觸發式隱性UI），解決方案如圖（8-11）。

3 結語

虛擬現實技術的發展已經預示了現代教育手段和方式變革的到來，這也為空間設計教育找到了很好的切入點：它能使學生主動參與到學習的過程中，能帶給學生形象直觀的交互式學習環境，能提供動態形象，能使學生完全感受到新的三維體驗，對學生認知結構的形成和發展是十分有利的，也是其他學習環境所無法比擬的。結合“住宅空間設計VR體驗系統的開發”的實踐，總結出以下三點：

第一，通過對數字化課件的開發，有利于整理和重新審視課程的教學進度組織與安排是否得當，各種教學手段應用的比重是否合理，教學效率是否得到有效提高。

第二，運用VR技術的空間設計教育模式切合了建構主義所提倡的在教師指導下的“以學習者為中心”的學習，既強調學習者的認識主體作用，又發揮了教師的主導作用。

第三，為設計類專業其他課程的課件開發提供了參考范式，隨著5G時代的到來，借助云平臺可以研發出反饋速度更快的教學體驗系統。

【參考文獻】

[1]胡靚.多維虛擬與實體空間構建在環境藝術設計教學中的應用研究[J].美術教育研究，2016（5）：115.

[2]鐵鐘，朱翔.文化遺產保護的混合現實設計和實現[J].實驗室研究與探索，2018（1）：256-259.