基于3D投影的虛擬現實擴張性研究

郭楓楠 常州工學院

混合現實是虛擬現實和物理現實相融合的概念，它的優點是通過與現實世界的結合，克服目前虛擬現實系統的局限性，提供更好的現實感。隨著數字技術的發展，正在研究組成這種混合現實的多種方法。最近隨著智能設備的發展，通過攝像機將虛擬現實和現實融合在一起的增強現實概念不斷的發生改變。藝術與科技的融合，擴張了藝術表達的邊界。

由于20世紀50年代投影機的出現，使得投影以技術為導向細分為平面投影、3D投影和全息投影，被運用到各領域。投影是數字藝術展示的重要方式之一，經常被應用于展示空間。在城市形象推廣領域，通過虛擬影像內容結合實際場景的跨媒介表現，述說著城市的故事。投影映射是利用投影儀向特定空間或物體、人物發射影像的技法，是數字媒體藝術中常用的技法。這種投影映射技法隨著3D動畫制作、交互和顯示等技術的發展，從而受到更多的關注。3D投影映射是利用投影在現實世界的三維空間和物體上覆蓋一層影像，從而創造出一種新的混合現實。本研究重點關注3D投影映射所具有的混合現實特點，為了使數字媒體作品達到更加有效的真實感，利用數字媒體敘事時強調的“沉浸”要素來進行案例分析。為增強數字媒體作品創作的實效性有著重要的意義。

一、投影映射

投影映射可以解釋為，通過光線照射現實中的物理對象和空間，展現新的面貌、質感、形態。與虛擬空間中形成的映射不同，將現實中存在的實物表面投射出來的形象作為銀幕上的各種對象。這是具有實際反映適合建筑物或實物的內容影像的實感型接口媒體技法之一，也是制作適合實物實際大小的2D或3D影像，通過投影儀機器投影到相應對象的原理。這是具有能夠投射建筑物或實物的文化內容影像的真實感型界面的媒體技法之一，是制作出適合實物實際大小的2D或3D影像，通過投影儀投影到相應的對象物上的原理。

投影映射中使用的投影是指由三維坐標系組成的模型或場面用二維坐標系表現的過程。投影主要是適用遠近法的透視投影（Perspective projection）和沒有遠近感的平行投影——正射投影（Orthographic projection）。

把虛擬空間中的數字信息與實際對象連接起來，利用這些實際對象來控制數字信息。在非普通平面顯示裝置的立體對象上，用激光投影儀投影，形成新的圖像造型物或新的空間。這是在銀幕上重新生產膠卷或錄像帶的過程，是為了在電腦動畫中真實地表現模型，將二維的形象轉移到有三維透視的表面上進行表現。這是將平面上制作的花紋和質感轉換成立體的工作，通過這一工作，模型獲得了真實性。

在投影映射中，“映射（Mapping）”的名稱起到了給實物帶來虛擬皮膚的作用。這是指具有利用錯覺的特性，在物理形態上給人一種在不同的空間里看到的感覺，來制造新空間的認知行為。這是錯覺現象的特點，當自己記住的建筑物和實物表現出不同的面貌時，記憶中的建筑物和實物只是在眼前出現的空間位置相同，而被誤認為是完全不同的媒體。這時的經驗是現實生活中的直接經驗，具有興趣吸引的特性，并且它具有現實世界中的真實性，這是投影映射的最大優點也是它的特點。

另外，在投影映射中，應用與事物形狀相同的形態或樣貌，展現不同的視覺效果，打破現實和虛擬的固定觀念，擺脫通過學習和經驗獲得的成果時，觀眾的興趣會提高。

目前，從國內外的大型室內空間、數碼體驗館、零售商店的數字裝修，到展示會、博覽會、服裝秀等商業活動、主題公園、演出等娛樂活動，還有大規模的室外廣告活動，正在受到廣泛的應用。另外，它還被用于商業廣告、宣傳、活動、媒體藝術、互動藝術等多個領域。最初的投影映射作品主要是以利用視覺效果為中心的作品形態，逐漸被制作成包含故事情節的敘事方式。

在建筑，構筑物平面上投影的做法可以說是最大眾化，且行之有效的投影映射形態，是最常用的表現手法之一。如適用于建筑物的背投造型，建筑物本身就起到投影三維影像的屏幕作用。觀眾們對現有建筑物的外形有所認知，將通過投影影像的重疊來認知擴張的虛擬空間。實際建筑的物理表面與非物理形態構成的影像是有密切關系的。這與建筑投影映射的空間擴張概念不同，投影映射是指增強現實的物理空間的概念。

另外，可以通過透射光線的方式獲得實物大小的結果，并利用具有直射光的性質，通過建筑物凹凸不平的外墻來投射影像。在建筑投影這一點上，與立面有很多共同點，但是在使用的影像內容上，可以提供拍攝的視頻或照片等多樣的影像媒體展示，也可以利用圖形的顏色變化或動態變化來進行展示，以及使用以提供信息為目的的文字進行展示。在這一點上，與投影映射有所不同。

二、基于沉浸的虛擬現實擴張

虛擬空間突出了虛擬區別于實際的最具特征的性質，是沒有實物卻能視而不見和感覺到的虛構世界。虛擬現實雖然與現實有很多相似之處，但可以理解為并非現實的另一種現實，是一種現實的再現。但是，媒體技術的發展使虛擬現實變得更加真實。因此，現實和虛擬現實是現實和虛擬物體混合的現實。也就是說，出現了比虛擬現實展現的世界還要逼真的“超現實”（hyper-reality）。

隨著數字媒體的發展，從現有媒體敘事擴張為數字敘事新概念。在數字敘事中，最重要的是用戶能夠體驗到的“沉浸感”。用戶也可以從小說、電影、電視等傳統媒體中獲得沉浸感，但是數字媒體具有的媒體特性是，比現有媒體更直接、更強的投入度，能夠最大限度地調動用戶的滿足感。為提高數字媒體的沉浸感，需要以下幾點要素：

第一是通過空間或環境的變化，可以提高用戶的投入度。通過構建虛擬空間，自然而然地讓使用者知道自己已經進入了這個空間內，來加大使用者的投入度，可以舉出游戲中的虛擬空間等例子。

第二是可以通過用戶的參與進行投入。導演通過用戶的直接參與，或者利用角色或者表演者的間接參與，使自己更加投入到內容中。

第三是通過內容的敘事結構來提高投入度，隨著事件的展開而發生的敘事的變化，對用戶產生共鳴、集中、沉浸。

傳統的敘述方式中沉浸感是在敘事過程中以虛擬空間引導觀眾的最有效的方法。在數字技術領域中沉浸的基本原則可以成為實現混合現實追求的目標——虛擬世界擴張的基礎。

根據上文所提及到的敘事的沉浸要素為基礎，在3D實物投影上可以對作品沉浸的要素進行分類。沉浸要素大體可分為根據展示環境和作品的演出方式等外部因素和作品中影像的內容等內在因素。本研究希望通過外在因素實際展示空間和影像的融合方式、表演者和觀眾之間的作用結構和作為內在因素的作品中影像內容的敘事結構這三個方案，來分析3D實物投影的現實性擴張方式。

三、投影映射的虛擬現實表現特點

（一）現實空間與虛擬空間的跨界融合

數字媒體在展示設計中的可能性還遠遠沒有釋放出來。數字交互內容往往是在顯示設備的界限之內實現的。[1]3D投影在現實空間的立面上投射影像，從而擴張了真實感。早期的3D投影如在建筑物的一側表面進行影像投射，但存在限制觀眾視野的局限性。現如今為了讓立體感的效果最大化，空間中通過多臺投影設備可以實現多面立體投影，且能夠實現關聯影像投射，使視野角度限制的最小化。建筑表皮互動投影藝術的出現實質上就是建筑表皮的媒介化進程。建筑表皮借助新媒體藝術，在建筑、環境藝術與受眾之間搭建了一種無形媒介載體，去實現信息表達。

（二）作者（表演者）與受眾的交互作用

隨著計算機運算能力的飛速提高，交互性特征將從交流對話提升到以交互體驗為主的方式，互聯網與虛擬現實技術增加了交互體驗的感知能力，藝術作品與受眾之間可以共享解讀作品的愉悅感。[2]3D投影作品的初期，表演者和觀眾的關系大部分是處于單向的信息傳輸。隨著技術與審美的嬗變，這種關系近來正在發生改變。如表演者登場讓觀眾們間接的得到體驗，或通過增加相互交流的要素讓觀眾與作品之間產生相互作用。數字技術登場之后的虛擬空間完美地再現了在藝術中不斷追求的虛擬概念。如今藝術中的虛擬空間改變了傳統作品中空間的概念。傳統作品中的空間是藝術家和受眾進行溝通和相互作用的空間。通過數字技術擴張的藝術作品空間里，交互作用是作品與觀眾溝通的新方式。在欣賞作品時，通過對受眾嗅覺或觸覺的刺激，能夠增強受眾的感官體驗。表演者會根據受眾的行為和感覺做出相應的反應。

（三）影像內容的敘事構造

與傳統的城市亮化景觀相比，投影映射的動態影像內容表達更直觀且具象，能夠更有效的對受眾進行信息傳播。從傳播學角度看，這種具有獨特敘事手法的影像故事內容無疑是文化內涵傳播的創新方式，讓受眾能夠更有效的接受。3D投影作品初期的影像內容集中體現技術本身，以圖形要素單純的動畫效果為主，但最近作品具備了簡單的敘述結構。在敘事過程中，不同于傳統的線性敘述方式，觀眾可以拒絕單方面的接受，并把作者主觀的故事分析成觀眾可以進行加工、變形、體驗的環境。在媒體藝術中，作者的故事傳達形式將為觀眾帶來多樣的感覺。

四、結語

藝術因數字媒體的應用而改變了材料的性質與樣式。數字媒體的出現在包容傳統媒體的同時，也試圖對藝術作品的表現方式進行改變。藝術的表現不僅以空間形式結束，還重新規定了與容納藝術的觀眾之間的溝通和關系。特別是，藝術審美的接受方式的變化追求藝術領域和觀眾對作品的感知的變化，并且提供與傳統藝術方式完全不同的藝術體驗機會。3D投影映射作為利用新媒體進行全新展示的手段，或者作為新的宣傳手段備受關注。多樣化的作品層出不窮，為了完成更強烈的視覺效果，作品在各個方面都有強化的趨勢。為了擺脫局限的視點，不斷出現在多樣的視點也可以欣賞或實時對觀眾做出反應的交互式要素，影像內容也不是簡單的圖形效果，而是重視敘事。為了擺脫對技法的新穎感關注的一時的流行趨勢，成為為體現虛擬世界的混合現實的新方案，尤其是加強此前一直被相對疏忽的影像內容本身的敘事結構，最大限度地提升沉浸感的方法將是非常有效的。希望在數字媒體藝術賦予新藝術空間不斷擴張與持續發展過程中，本研究能夠起到促進作用。