淺析環境藝術設計實踐教學中的VR 技術與應用

胡書靈（魯迅美術學院 ，遼寧 沈陽 110004）

虛擬現實，簡稱VR（Virtual Reality），它通過硬件顯示設備模擬展示虛擬的三維世界，并通過交互達到完全沉浸的體驗效果。VR 集中體現了計算機技術、人工智能、電子傳感、多媒體等多個領域的最新成果，讓人類以親身體驗的角度實現與虛擬實境的實時互動。

一、VR 技術在藝術設計領域中的應用優勢

對于藝術設計領域來說，超強的沉浸感與即時交互性是VR 技術在藝術設計教育應用中的最大優勢。產品設計、環境設計、傳媒設計等多學科都可以通過虛擬技術最大限度地展現成果信息。真實空間的體驗能夠滿足多種設計行業對設計成果的想象、完成設計實踐的效果展示。相對藝術邊界的變幻莫測而言，美術學院的學術邊界也正在悄然被突破，身份被重新審視，而這也是美術院校需要面對的新境遇，美術學院的藝術教育如何與當代藝術的發展亦步亦趨已經成為一個日益備受關注的話題。

二、我國藝術設計教育領域中的VR 應用

國家發展和改革委員會在2017 年發布了《國家教育事業發展 “十三五” 規劃》支持各級各類學校建設智慧校園，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式。新時代下高校的設計教育正在紛紛革新，其中與VR 有關的教學手段可以為其提供更有力的拓展，它可以提高學生的參與度和積極性，達到提升教學效率和效果的目的。就目前現有的技術發展水準來說，高校課堂實踐中常用的VR 模式有以下幾種。

1. 桌面式虛擬現實

桌面式虛擬現實技術可以突破課堂時間、教學場所和教學材料的局限。該系統主要包括VR 圖形顯示、效果觀察和人機交互這幾個部分，目前在各大科學研究機構它已經成為虛擬現實應用的重要手段。設計教育中也有應用在課堂上可以讓教師和學生根據特定模塊將知識任意轉換為特定的教學內容，進行實操訓練。

2. 沉浸式頭顯設備

VR 教學中，最初使用的是 “沉浸式頭顯設備”，用戶佩戴頭戴式VR 眼鏡，通過交互性設備（手柄或手套）操作，與系統互動，將感官的體驗暫時轉移到虛擬世界中。因為早期的VR 技術以VR 眼鏡的配套應用為特征，所以這種獨立而封閉的交互體驗在影視、娛樂、消費、軍事、教育中都一直是重點研究和投入的對象。在設備的選擇上，HTC 的設備陣容最為強大，HTC Vivo、Vive Focus 一體機等，性能都比較優質。

3. 場景搭建式沉浸技術的應用

目前場景搭建式沉浸技術在多種教育教學領域得到了廣泛發展，它由初級的LED 顯示屏和顯示幕墻發展而來，特點是——由單人體驗、操控，多人同時接收虛擬實境信息。這種場景搭建式沉浸技術可以解決VR 眼鏡使用過程中信息不可共享的弊端，其效果受到場景面積、空間大小以及搭建技術的限制，目前廣泛應用的實現方法有兩種：第一，搭建LED “弧幕” 虛擬現實展示系統，結合光學位置追蹤系統，對教學內容進行可視化互動。例如桂林電子科技大學的 “虛擬仿真實驗室”，采用3D LED “弧幕” 虛擬展示系統，搭載DVS3D 虛擬現實軟件工具，應用于藝術學院等課堂的教學實踐。第二，搭建3D LED “三折幕”，結合光學位置追蹤系統，對教學內容進行可視化互動。例如吉林建筑大學的 “建筑信息化管理實驗室”，使用3D LED “三折幕” 沉浸式虛擬展示系統，在數據手套、虛擬手、3D 眼鏡等交互工具的配合下，實現對建筑及環境設計的實訓教學及設計驗證，可以在建筑建造開始前就對整個建筑物結構及其環境進行全方面、多方位的了解。

4.CAVE 式洞穴沉浸教學模式的應用

這種教學模式需要搭建專用空間并使用大型沉浸式虛擬仿真CAVE 系統，結合光學位置追蹤系統等硬件設備，最大程度的實現沉浸式教學。北京建筑大學建筑與環藝專業的虛擬現實交互實驗室創建國內首個 “五面墻沉浸式虛擬現實系統”，結合DVS3D 虛擬現實協同設計平臺，在歷史建筑與文物的復原保護研究、輔助設計師進行建筑設計與表現及環境藝術設計教學等方面發揮了重要作用。

三、VR 技術在環境藝術設計教學中的應用體會及實踐意義

在環境藝術設計教學針對Oculus 頭顯設備開發的教學型應用中，教師或學生先對室內外的空間環境進行設計，方案確定后使用3d max 或sketch up 建模軟件建立基礎模型并進行貼圖，之后進入引擎渲染階段將建好的基礎模型導入Unreal 或Unity 中進行打光、調色、材質修改，并渲染整合，最后使用VR 頭顯設備來觀察成型的設計作品。這時，學生可以綜合室內家具擺放、室外建筑道路等多個因素，以人的視角對室內外空間進行感知，在自己親手創造的室內外環境里暢游，這種教學方式的作用和意義是十分突出的。

1. 極大地提高教學效率

相關實驗研究證明：單一圖片和文字形式的教學傳播，知識獲取的效率大約為10%；多媒體教學模式下，知識獲取的效率為30%；沉浸式教學模式下，知識獲取的效率可以達到70%。由此可見，VR 技術的沉浸模式在信息的傳播效率方面是有很大優勢的。環境藝術設計教學中，VR 的介入可以讓學生對自己設計的空間作品進行360 度全方位觀察，除了可以有效的建立空間思維外，還能進一步提高效率，訓練其分析模型和創造空間的能力。

2. 提升學生主動學習的興趣

美國教育心理學家布魯納提出 “認知- 發現學習理論”，他指出學習是學習者主動的認知過程，而不是被動且機械式的接受學習。虛擬現實教學形式所帶來的沉浸感與新鮮感，可以大大提升學生學習的樂趣。虛擬現實中的實時互動能夠提升學生的主觀能動性，邊 “操控” 邊學習。在自己設計的環境空間中暢游，使很多枯燥乏味的知識變得如同游戲一樣有趣。

3. 提升實踐能力

沉浸式體驗能夠提升環境藝術設計類學生對項目的實際操作能力，在教學的同時可以對學生的學習結果進行測試和訓練，將例如 “人體工程學”、“質感”、“搭配”、“比例” 這樣眾多實際應用的知識即時的反映到訓練中，這一點在傳統教學中是無法直接做到的。

4. 激發創意思維

藝術需要創新，設計需要創意思維。數字藝術家頭戴VR 眼鏡在Tilt Brush 上進行三維的藝術創作，這從根本上改變了藝術發生的途徑，更改變了藝術的思路。那么在環境藝術設計教育領域，VR 技術的介入必將改變我們在藝術設計教育中的思路，這種創新，也將更好的激發學生的創意思維。

四、環境藝術設計中有關VR 虛擬實境的實現原則

1. 虛擬實境的構圖視角

虛擬實境的構圖與傳統渲染的方形框構圖感覺不同，它的特點是世界圍著觀察者打轉，因此虛擬實境構圖應以攝像機作為基點，一切空間調度都圍繞攝像機進行，形成所謂的“360 度第一視角”。此外在虛擬實境構圖中還需考慮與交互性設備的結合，避免后期出現虛擬實境效果與理想效果發生偏差。但虛擬實境的出現并不代表推翻傳統的美學構成原理，而是應該在繼承傳統美學構成原理的基礎上結合虛擬現實技術輸出設備做出調整。

2. 虛擬實境中的材質與燈光

設計中非常重要的物體材質與燈光效果在虛擬現實引擎場景的搭建和物體展示中同樣非常重要。在虛擬引擎UE4 材質庫中有PBR 材質理念，PBR 材質理念的應用可使材質編輯變的簡單易懂，不需要像3D max 那樣堆砌參數，簡化了編程者和設計師的溝通過程，提高設計效率。其中，UE4 的燈光系統較為強大，可以分為定向光源、點光源、聚光源和天空光源四類。上述四類燈光可以充分營造準確的光環境，做出與3D max 渲染相差無幾的效果。

3. 虛擬實境的沉浸感與比例尺度

環境藝術設計中，虛擬實境的場景搭建是至關重要的，它是構成虛擬世界沉浸感的重要基石。在虛擬實境中搭建參照物，要延續先前在3d max 等建模軟件中所做的空間設計比例，然后使用引擎渲染，將建好的基礎模型放在Unity 等中進行材質修改、打光渲染，營造沉浸感。這個過程中需注意體驗者自身的物理信息，如雙眼位置、角色身高……都需要根據室內外不同環境參照物比例進行適當調整來營造最佳的體驗。

4. 針對環境藝術設計教學虛擬實境的交互設計規則

教學中的VR 交互設計既應有其他設備共通的設計原則，又需針對它獨特的性質來設計。總結交互設計中的通性以及教育教學中的交互個性，教學中的VR 交互設計應符合：簡單易操控、邏輯性強、操作方式統一、信息傳遞效率高、隱藏性與可見性適度以及反饋性強六大原則。

結語

VR 融入環境藝術設計教學的方法極大的提高了學生的參與樂趣，在這個教學過程中，有效的提升了學生發現問題、解決問題的能力，對于培養綜合創新型人才有很大成效。其在教學應用中的探索面臨著軟件與硬件的配合提升以及如何創新更優秀的交互平臺等問題。從VR/AR1.0 時代到VR/AR2.0 時代，設計教育應著重配合智能硬件產品的開發，繼續完善VR 軟件與應用系統、多樣化VR 設備、建設相匹配的優質教學資源庫，努力實現環境藝術虛擬現實的教育平臺開放化和資源共享化，最終建設一個完整的設計教育VR 生態鏈。