虛擬現實技術應用于光環境可視化研究的前沿動態

陳堯東，支錦亦，向澤銳，李 然，杜 軍，吳永萌

(1.西南交通大學 建筑與設計學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 人機環境系統設計研究所，四川 成都 610031)

引言

在人因光環境研究中，為了厘清光照刺激對人視覺、生理及情緒的影響作用及機理，需要大量迭代的實驗研究。應用虛擬技術對光環境進行可視化模擬，以替代真實光環境進行相關實驗被認為是一種經濟、可行的方法。Moscoso等[1]通過主觀評價實驗，比較了立體圖像所再現的自然光環境與真實自然光環境之間的一致性，結果顯示，被試對這種虛擬場景及真實光環境的評價具有較高的一致性，說明立體圖像對自然光環境可視化精度能滿足主觀評價實驗的需求。Schielke[2]比較了照片、視頻所呈現的虛擬光環境與真實光環境，結果也顯示，在亮度及其對比度感知方面，兩種虛擬媒介與真實光環境表現出一致性。可見，以真實世界光環境參數為依據的虛擬可視化媒介能夠在一定程度上保持與真實光環境的一致性，能滿足主觀評價甚至光學測量等研究手段的要求[3]。因此，在以往的研究中，非沉浸式的虛擬媒介被大量應用于對空間和光環境的主觀評價研究[4-7]。盡管如此，由于使用者無法真正沉浸在此類媒介所呈現的光環境中，它被認為存在因信息缺失引起的感知偏差，因此學界對其可靠度及應用邊界依然持保守態度。

近年來，VR技術不斷發展，沉浸感和交互性越來越高,VR向IVR(沉浸式虛擬現實，immersive virtual reality)方向的發展不斷深化。這種沉浸式的交互體驗彌補了傳統圖像展示技術的感知偏差問題，營造出更接近真實世界的虛擬環境。

VR是在虛擬環境中進行的沉浸式交互體驗，除了視覺，還可以整合聽覺、觸覺甚至嗅覺等多維度的知覺交互；這種沉浸式環境可以類似于真實世界，也可以超越現實，創造出在現實世界中不可能體驗到的情景，因此，VR在醫療、教育、工程等領域都有大量的應用，也被認為是能代替真實空間進行光環境研究的最佳虛擬媒介。

VR技術的優勢在于多維度的交互所營造的高沉浸感、臨場感及真實感。而VR技術的本質是圖像技術與人機交互技術整合形成的沉浸式體驗，因此，其基礎是光環境的可視化和視覺交互。其中，光環境可視化精度決定了VR場景對真實世界的還原程度；視覺交互是VR多維度交互的基礎，它不僅僅讓使用者能看見虛擬世界，更重要的是它允許體驗者從第一人視角動態的體驗空間，感受環境，并且提供與現實世界視看行為一致的視野及視看對象。因此，它對于光環境可視化模擬的精確度一定程度上也決定了VR技術的應用邊界及深度。探索VR技術對光環境進行精確可視化模擬對推動VR技術在更廣闊的領域進行更深層次的應用具有較大的經濟價值及學術價值。

本文系統梳理了VR技術在光環境可視化領域研究的發展進程及前沿熱點：介紹了當下IVLE的構建原理、常用方法、軟件及設備；剖析了國內外應用IVLE替代真實空間光環境探索人因光環境研究的評價方法及評價因子；最后，對既有研究進行了分類分析，梳理出VR技術在光環境可視化研究領域的發展方向及科研、應用價值；為國內外關于VR技術用于光環境領域的工程及科研工作提供一個較系統的認識，為相關研究提供理論及經驗支持。

1 VR技術用于光環境可視化研究的發展

VR是用虛擬媒介去模擬、呈現客觀環境的技術，在其發展過程中，技術不斷更迭：從早期的二維圖像到三維立體圖像(視頻)；從單項屏幕展示到多維沉浸式交互展示，對真實世界的模擬及還原程度也越來也高。近些年,VR技術沉浸感和交互性方面取得突破，沉浸式虛擬現實(immersive virtual reality, IVR)被認為是真正愿意上的VR技術，傳統的單項展示技術已漸漸脫離VR概念的核心。但，VR技術不管怎么演變，圖像技術始終是最重要的核心之一。早在20世紀七八十年代，就有大量應用照片(或圖像)作為虛擬媒介來模擬客觀環境的研究案例；1990年，Stamps[8]對這些研究進行了薈萃分析，并開始關注對真實環境模擬(呈現)的精確度問題。圖1所示為虛擬媒介用于光環境可視化領域的發展進程。

圖1 虛擬媒介應用與光環境可視化研究的發展進程

1.1 二維圖像(視頻)

1997年起，以照片[9]或渲染圖[4]作為虛擬媒介的研究開始零星應用于光環境模擬中。2005年前后，大量類似研究開始出現，Newsham等[5]、Naoyuki[10]、Matusiak等[11]、Park[12]等人使用靜態圖像替代真實空間光環境，探討人對不同光照參數(光分布、亮度、色溫等)的視覺偏好及反映。但這些研究案例大多從光環境參數的定性探討角度肯定了靜態圖像對真實空間光環境模擬的可靠度，同時又提出了其在定量研究方面的不足，以及其二維的展示方式導致的大量感知信息缺失。

1.2 三維立體圖像(視頻)

1996年，Loomis等[13]的研究發現,在投影中的“雙目視差”能夠對真實世界的“景深信息”進行更精確的還原。Lambooij等[14]的研究進一步強調了“雙目視差”還原景深信息之外，還對于人的其他視覺感知因子產生影響。因此，根據“雙目視差”原理，制作的3D立體圖像能使沉浸感大大提高，能營造出類似于真實世界的立體虛擬環境。“虛擬現實(virtual reality)”概念在這段時期開始被提出，3D立體圖像技術也被大量應用于對光環境的可視化模擬研究中。1998年，Wienold等[15]第一次使用3D立體圖像模擬光環境，預測使用者對自然采光系統的接受程度。Fontoynont等[16]使用立體圖像，通過語義差異法探討光環境品質與使用者主觀感受的關系。2015年，Moscoso等[1]通過主觀評價實驗，比較了3D立體圖像所呈現的自然光環境與真實自然光環境之間的一致性及差異，結果顯示，被試對這種虛擬場景及真實光環境的評價具有較高的一致性，說明立體圖像對自然光環境可視化精度能滿足主觀評價實驗的需求。同年，Murdoch等[7]的研究也詳細驗證了3D立體圖像在光環境可視化方面的優勢，并闡述了其制作流程及各流程中影響光環境模擬精確的因素。

1.3 沉浸式虛擬現實技術

3D立體圖像雖然能一定程度上彌補景深信息，但它始終是單項的投影展示，視野與視覺交互與真實世界仍有較大差異。球幕投影、CAVE沉浸式投影等技術應運而生，但因其需要與真實空間結合，占地大、施工復雜，性價比低，在光環境研究領域并沒與的得到廣泛應用。

與之相比，頭戴式VR設備具有更大的優勢，2015年前后，這種沉浸式VR技術開始應用于光環境的研究中，Heydarian等[17-19]第一次將這種VR技術應用于建筑自然采光研究，并在這種沉浸式虛擬環境(immersive virtual environment,IVE)中進行了一系列實驗; 比較了IVE和真實自然光環境在臨場感及沉浸感方面的差異，結果顯示出高度的一致性；并在此基礎上，應用VR場景來探討人對辦公空間中自然采光環境的心理感受，分析了被試對手動遮陽及半手動遮陽的偏好，總結出人在辦公空間中的行為特點。2018年，Chamilothori等[3]通過對比試驗，比較了IVE場景對真實世界自然光環境模擬的可靠度，并證明了現有技術下構建的IVE場景能很好的還原自然采光環境，在此基礎上，Chamilothori團隊[20]又進一步研究了格柵化的窗戶所產生的光影圖案對人心理、生理的影響。2019年，陳堯東等[21]通過實驗研究，對比了沉浸式VR、照片及視頻3種虛擬媒介對真實空間光環境的還原能力及其所再現的光環境給被試的主觀感受(視覺因子、情感因子及整體滿意度)差異；量化3種虛擬媒介所再現的光環境與其原型光環境的接近程度；得出了VR對光環境的還原程度顯著優于傳統的、平面化的二維虛擬媒介，對真實光環境的還原程度更好。此研究，通過實驗量化了虛擬媒介從早期的二維圖片，到現在的IVR技術，虛擬媒介在光環境可視化精確模擬方面取得的進步。

2 IVR的優勢及評價因子

IVR整合了傳統的圖像技術、交互技術以及沉浸式的展示，其優勢在于多維度的交互功能及沉浸式的展示所營造的高沉浸感、臨場感，并在空間塑造(景深信息、立體感)、視覺信息傳達等方面表現出優越性。

1)交互性與沉浸感。IVR的“交互性”與“沉浸感”被學界公認為是營造與真實世界一致的虛擬環境最重要的兩個影響因素[5,21,22]。其中，視覺交互是所有交互行為的基礎，而IVE在視覺交互上，不僅能提供與真實世界一致的視野，還允許使用者視點移動、轉向等多種交互行為。

2)交互性與臨場感。IVR的交互性還能賦予使用者較強的“臨場感”，臨場感對于評價虛擬媒介對客觀世界模擬的精確度是一個非常重要的評價因子[22，25]。1997年，Slater等[26]將臨場感定義為用戶在體驗虛擬環境時“身臨其境”的感受，2001年，Schubert等[27]將臨場感分解成3個維度：空間臨場感、參與感以及真實感。這3種感知決定了使用者是否能暫時忘掉真實世界，沉浸在虛擬環境中；也影響著用戶對此虛擬環境真實感的感知。

3)景深感與立體感。除此之外，空間信息，如“景深感”、“立體感”也是評價虛擬媒介對真實環境模擬精確度的另一個重要的因素。IVE所提供的360°全景圖像信息能增強虛擬環境的空間感及立體感，同時，IVE也可以結合“雙目視差”原理，生成3D立體場景。因此，IVE對空間的景深感和物體的立體感的表現上，較傳統圖像技術有較大的優勢。

2019年，團隊通過實驗研究[21]，也證明了IVE在臨場感、真實感、景深感、立體感等方面表現優越。圖2所示雷達圖是被試對真實空間光環境及各虛擬場景中6個影響因子(臨場感、真實感、景深感、立體感、舒適度、清晰度)的打分情況，6個級點所圍成的面積表征著虛擬媒介對真實光環境的還原能力，面積越大，則對真實照明環境的還原能力越好。從圖中可以看出VR場景對光環境的呈現能力與傳統虛擬媒介相比，被認為具有更高的臨場感、真實感、景深感、立體感及舒適度(實驗設計、實驗場景等信息見文獻[21])。

圖2 VR、照片、視頻對光環境還原能力雷達圖

從既有研究看來，虛擬環境對真實世界的模擬精確度的主要評價因子有：交互性、沉浸感、臨場感、立體感、真實感，還有“視野”、“景深信息”等。這些評價因子存在一定的層級及權重關系，相互之間也存在著較強的關聯性和交互性。只有虛擬環境從各個維度去準確還原真實世界給人的感知信息，才能保證虛擬環境對真實世界的精確模擬。

3 沉浸式虛擬光環境(IVLE)的構建路徑及方法

IVLE的構建路徑及方法的標準化對于國內外相關研究形成合力是十分必要的。Murdoch等[7]的研究闡述了虛擬場景制作的關鍵流程，包括：空間構建(modeling)、光環境模擬(light simulation)、色調映射(tonemapping)、呈現(display)，表1展示了各個步驟可以應用到的軟件和設備。空間構建，通過構建各類圍合結構形成空間，常用的建模軟件有Sketchup、3Dmax、犀牛等。光環境模擬是對空間中材質的光學性質進行賦值，如材料的反射率、透明度等，以及確定光源位置、光分布、照明數量及質量等信息，并將這些光度數據轉換成可視化的圖像。色調映射要解決的問題是場景亮度變換到可以顯示的范圍，使得處理后的圖像人眼看起來能更好的表達所呈現的客觀世界的信息與特征。圖像色調映射算法可以分為全局算法(常用算法:直方圖均衡化、Gamma、對數校正、直方圖規定化、分段灰度變換等)和局部算法(常用算法:分塊中值直方圖等)；局部方法的性能一般優于全局算法。由于色調映射是IVE場景圖像處理的最后一步，因此對最終的呈現效果十分重要。虛擬光環境呈現方式從2D圖像呈現，到3D立體呈現，再到IVE沉浸式展示，其對圖像信息中所要傳達到相應真實世界的信息越精確。其中，IVE場景的呈現一般是頭戴式VR設備，如HTC vive等，也可以是球幕式投影。

表1 IVLE的構建路徑及方法

IVE場景制作的每個流程都會對最后呈現的可視化效果產生影響，均決定著其對真實世界的還原程度。沉浸式VR實質是傳統圖像技術結合新的呈現方式。其基礎是圖像。IVE的圖像制作部分，可以通過多種方式完成，如，照片、渲染圖等。2015年，Chamilothori等[3]，應用radiance對辦公空間自然光進行精確模擬，以人站立其中的視角(如圖3所示)，生成與真實自然光環境保持高度一致的6個方向的渲染圖，在unity中建立相應空間模型，并將6張渲染圖投影到相應的室內界面上，生成一個IVE場景，使用頭戴式虛擬設備進行呈現。這種提前渲染生成的VR光環境可以提供視點固定時對光環境的精確模擬及交互，但視點一旦偏離預設位置，眼睛所接觸的光度數據就存在偏差，因此無法精確反映人移動時進入人眼的光感知的變化情況。最新VR的技術已能實時渲染，但要實現隨著人眼位置的移動，實時模擬進入人眼光照數據的變化還需要大量基礎研究工作。

4 VR在光環境可視化領域的研究發展方向

由于VR技術幾乎繼承了傳統圖像技術的所有優勢，并提供沉浸式的呈現及多維度的交互，因此，在眾多領域有大量的應用，且其應用價值和前景仍然有廣闊的發展空間。為推動VR技術在光環境可視化領域的發展，學界在持續而廣泛的做應用及科研探索，其中，熱點的研究方向有以下幾方面。

1)與BIM結合，探索VR光環境可視化在工程領域的應用。BIM能夠提供可視化的思路，實現從線條式的構件到三維的立體圖形展示；但這種簡單的可視化缺少與環境之間的互動性和反饋性。而VR的優勢正是在于多維度的交互，其中，光環境方面的視覺交換尤為重要，因此，VR與BIM與結合，實現的可視化是一種能夠同環境(光環境)之間產生關聯的可視化，其結果不僅可以用效果圖展示及報表生成，更重要的是在工程項目的設計、建造、運營過程中的溝通、討論、決策都可以在交互性的可視化狀態下進行。因此，VR整合進入BIM是一個非常總要的研究方向及熱點。

2)與循證設計結合，探索VR在光環境研究領域的創新應用。循證設計是整合了科學研究與人因設計的龐大“研創”體系，作為一種科學的、客觀的設計方法，能讓設計過程在關鍵節點有理可述、有據可循，充分建立起了空間、光環境與人之間的聯系，能有效實現以人群需求為導向(user-oriented)的個性化及定制化的光環境營造[28]。VR技術對于虛擬場景的構建及對真實世界的模擬真實感越來越強、還原度越來越高；能給使用者極強的臨場感及沉浸感。因此，VR技術在輔助完成循證設計方面具有非常大的先天優勢及潛力；對于“場景模擬”、“設計溝通”及“方案確定”等各階段起到輔助作用。文獻[12,13]中的研究均使用了VR技術對建筑設計進行輔助。在設計過程中，研究人員將前期方案制作成沉浸式VR場景，邀請決策者和終端用戶沉浸其中，對設計方案做出評估及反饋，以指導方案的修改及優化，該研究證明，VR輔助設計能直接回應用戶的需求，顯著減少決策時間，提高設計質量。2018年，陳堯東等[27]以養老空間色彩環境為研究對象，通過VR技術替代真實建筑空間及空間中的視覺要素，進行空間建構及沉浸式室內色彩模擬，并邀請老年人沉浸其中進行主觀評價，根據老年人的主觀感受數據指導色彩改造。研究充分證明了VR技術對于完成高品質的適老型室內色彩環境的營造起到的指導作用。

3)對VR技術持續開發，探索VR對光環境精確模擬的方法。VR對光環境可視化模擬，實現具有視覺吸引力，滿足人視覺偏好的虛擬場景相對較容易，但實現精確模擬難度卻非常大，需要大量的基礎實驗研究，才能建立起人知覺感知對真實和虛擬環境的一致性，這涉及到VR場景制作的各個環節及其中的眾多參數。在這龐大的構建路徑及體系里，需要確定一個VR場景搭建的最佳路徑，并以此路徑為基準，從各個環節、各個參數展開基礎研究，這樣才能將虛擬環境對客觀世界的模擬精確不斷提高。Murdoch等[7]對虛擬場景的構建路徑進行了簡單介紹，包括：空間構建，光環境模擬，色調映射，呈現方式等；并推薦了相應的軟件及設備。但并沒有確定最佳的工作路徑。Matusiak等[11]研究了空間建構過程中，空間寬度和高度等尺度信息對人視覺感知的影響；Villa等[28]通過實驗研究探討了色調映射環節的相關因素對精確模擬的影響；Siess等[29]的研究探討了VR空間中的色溫感受。可見，關于VR各流程的研究已經非常豐富，但是上述研究的出發點及研究目標存在差異，不成系統，想要實現VR環境對真實世界的精確可視化，還需要系統的研究。

4)VR代替真實光環境,進行人因光環境領域的研究。由于虛擬世界(屏幕發光)與真實物理世界(各個物體發光或反光)的發光原理存在差異，VR對光環境的可視化模擬要做到與客觀世界完全一致是幾乎不可能的，精確可視化只是一個相對的概念。因此，目前應用光環境模擬真實空進行的實驗研究都有一個前提假設：VR所呈現的光環境與其原型場景一致。所以，目前用虛擬光環境來代替真實光環境進行的實驗研究并沒有真正脫離真實環境，大多數研究都構建了一個真實的參考場景。盡管如此，在一定程度上，應用VR代替真實世界進行光環境研究仍然可行。2015年，Heydarian等[17-19]應用VR場景來探討人對辦公空間中自然采光環境的心理感受，分析了被試對手動遮陽及半手動遮陽的偏好，總結出人在辦公空間中的行為特點。2018年，Chamilothori等[3]以VR為媒介代替真實世界，通過主觀評價實驗探討了被試在不同自然采光方式下，對愉悅感、趣味性、興奮度、復雜性和滿意度5維度的評價。

5 結語

虛擬現實技術應用于光環境可視化是一個龐大的研究體系，需要從硬件、軟件、內核算法等多方面出發，從虛擬光環境構建的各個流程把控，才能使得IVLE在更廣闊的工程及科研領域實現深度的應用。