基于虛擬現實技術的不規則低像素媒體立面的圖像轉譯設計研究
——國家游泳中心景觀照明設計探索

林 怡，曾憲憲，賈 磊，管 敏，陳神飛，郭 菲，杜 明

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092；2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

國家游泳中心一直以“水立方”為公眾所熟知，因其建筑設計概念源于水分子結構，又是2008年奧運會游泳、跳水和花樣游泳的比賽場地。2022年于北京舉行的冬奧會和冬季殘奧會又選擇將其作為冰壺、輪椅冰壺比賽場地，“水立方”華麗轉身成為“冰立方”。北京冬奧會大量利用原有場館舉辦賽事，響應了國際奧委會《奧林匹克2020+5議程》提出的“把長期的可持續性，包括經濟視角的可持續性作為首要基礎”的倡議。但對于國家游泳中心而言，從奧運會游泳比賽到冬奧會冰壺比賽的場景轉換，則需要精密的技術體系支撐，建立建筑空間、體育場地、室內環境、智慧運行等系統性的核心要素關聯和轉換策略，才能保障各項功能的順利實現，并成為可持續典范[1]。其中，國家游泳中心的夜間形象更新亦是這一轉換過程中具有公眾顯示度的重要一環。

2008年奧運會期間，為體現科技奧運的特色，國家游泳中心的外觀照明率先采用了方興未艾的半導體照明技術，并通過結合立面結構特征與ETFE膜結構透明/半透明的材料特性，采用內部投光的照明模式，在夜間展現出“水立方”波光粼粼的獨特視覺效果，給世界人民留下極其深刻的視覺印記。十多年后，在整個科學技術飛速迭代發展的今天，內部已經過更新、改造、提升的冰立方又以何種夜間形象展現給世界，冰立方的夜間形象能否通過技術創新，成為展示中國文化的平臺，并實現面向未來智慧運行的重要界面，顯然亦是不可忽視的現實命題。

為此，科技部設立國家重點研發計劃“國家游泳中心冬—夏運動場景轉換技術研究及應用示范”項目，并在課題“雙奧場館智能化可持續運營模式與應用研究”中針對國家游泳中心的室外交互照明系統性智控技術進行專項研究?？鐚I的研究團隊針對冰立方特有的不規則、低像素媒體立面照明方式，從視覺圖像轉譯的角度出發，依托虛擬現實技術，對其夜間形象內容設計與形式進行了設計探索研究。

1 冰立方媒體立面照明原則

國家游泳中心形態上的幾何構成來自理論物理學中肥皂泡堆積形成的最有效率的Weaire-Phelan多面體[2]。金屬框架的類水分子結構形式，結合ETFE膜形成建筑外皮的覆蓋，進一步強化了形式的結構美感。故最初的照明設計為“空腔內透光照明方式”，在每個外側ETFE氣枕的下部框架內側安裝RGB型的LED投光燈，向外上側投射的照明方式。通過控制系統，每組單色LED芯片的亮度可實現256灰度級連續平滑調制，變化速度不小于24 幀/秒。因此，可形成色彩豐富、富有動態變化的媒體立面效果，顛覆了建筑的傳統“凝固”形象，獲得了廣泛的關注。

然而，雖然每個投光燈均可獨立地控制光色和亮度，但外側呈現出來的光色效果，則是多個燈具出光混色的結果。加之每一個氣枕的尺寸、形狀都不一樣，位置關系也不規則，因此，在實際運行時，仍多是以一個ETFE氣枕作為一個表現單元(像素點)來進行視覺表現，整體多以色彩漸變或跑動變化為主。這種表現形式在當下顯得過于相對簡單直白，藝術性也有所欠缺。由于時間和經濟的原因，原有照明系統還需保留使用，因此對于冰立方的媒體立面在當下應以何種形成呈現，研究團隊提出了以下原則和策略。

(1)建筑表現的一體性。

相較于日間的自然光對于建筑形象的真實呈現，人工照明可通過光照形式(亮度、色彩、動態變化等)在視覺層面對建筑外觀進行二次創作，甚至完全改變其形象。

然而，國家游泳中心的設計概念源起，就將結構、功能、材料、形式等諸多設計要素融為一體，生成獨特而鮮明的建筑形象，并成為2008北京奧運會標志性建筑之一。作為建筑整體表達的有機組成部分，其夜間照明亦無法脫離建筑本體獨立存在，而是日間形象在夜晚的某種延續和演化，成為建筑設計理念在不同時空的延展。因此，在立面上設置均質的點陣以形成高精度顯示屏幕的方式，在冰立方并不合適。現有照明方式雖然像素點大、非均質、精細度極低，對于具體圖像的表現非常不利，但這種與建筑立面結構形式耦合的照明模式，在夜間進一步強化了建筑形象特征，延續了建筑典型意象，值得繼續以該照明模式為基礎，對其媒體內容進行更新提升。

(2)文化傳播的集聚性。

奧運場館建筑是國家形象的重要展示窗口。時隔14年，中國北京再次承辦奧運會，其場館建筑所傳達和表現的內涵會有所不同。2008年是國家終圓百年奧運夢的一年，場館設計都在展現國家的偉大，以及這種偉大之下朝氣蓬勃的狀態[2]。2022年冬奧會則需要表現一種更加謙遜姿態，表達對地球、全人類在生態環境保護方面的一種共識，以及對中國文化文明的自信表現。冰立方的媒體立面不應僅僅追求純粹的視覺刺激，而應更加注重與凸顯在新時代背景下中國文化的傳達。這亦是時代賦予冰立方的使命，其建筑外界面應真正轉變為“供建筑內部空間、人、城市三者密切交流的介質[2]”。故研究團隊梳理中國文化視覺要素，建立視覺圖像基因庫，作為冰立方媒體立面的內容呈現素材。

(3)圖像轉譯的藝術性。

媒體立面內容表達的方式是區別它與廣告大屏幕或者燈箱的關鍵特征[3]。媒體立面應該是一種具有藝術表現和媒介傳達雙重特性的建筑照明手段，且在大多數情況下，應以藝術表現性為主。而冰立方則具有天然的藝術化要求，因為其異形氣枕陣列的像素形式決定了其不可能追求圖像信息的分辨率，亦無法呈現過于具象的圖形，其視覺傳達因而非直白表述、非清晰可讀，而需要疊加觀者的自身經驗，進而獲得更高層面的視覺感知或情緒共鳴。

冰立方的媒體立面照明對于文化視覺元素的表現，應是基于建筑立面結構特征的，特定模式下的要素提取和藝術化轉譯。作為廣受關注的奧運賽事場館更是一種觀念性的公眾藝術作品。

(4)數據處理的智慧性。

基于前三個原則的要求，冰立方媒體立面照明設計的關鍵任務是將具體、具象的文化圖像，通過藝術加工投射到冰立方特有的立面構成系統中。考慮到“文化視覺元素”可能涵蓋的海量圖片，以及場館在奧運及后續長期運營期間的大量內容需求，由設計師對每一個文化圖像進行專門的藝術化設計是很難具有操作性的。因此，研究團隊試圖利用計算機的數據處理分析方法，對在冰立方特定載體上的圖像轉譯方式進行探索研究。并通過研究藝術化預設規則，用計算機視覺等AI技術，實現圖片的分類識別和預處理以及冰立方媒體立面藝術化轉譯的全過程，以便于運營團隊進行決策和判斷。本文聚焦于藝術化轉譯這一環節，旨在利用虛擬現實平臺技術，探索適宜冰立方真實建筑立面和虛擬三維模型的著色映射方法，為“水立方”的重煥新顏提供技術支撐。

冰立方的媒體立面照明將是在新技術支持下，對中國(傳統)文化的藝術化表達，體現了當下中國在精神與文化層面的追求，對傳統與文化的反思與回歸，對建筑與城市、與人、與社會關聯性的重視。

2 冰立方媒體立面藝術化轉譯

冰立方立面構成結構復雜，其媒體立面成像主要依托于形狀大小不規則的氣枕模塊，因此藝術化的難點在于文化圖像如何提取關鍵要素，并在不規則立面，保持必要信息呈現，實現文化元素的有效傳達。由于國家游泳中心尺度大，具有多角度、多尺度視看需求，基于傳統的二維圖像難以有效判斷文化信息傳達的有效性。故研究團隊提出基于VR平臺進行藝術化轉譯實驗的研究方案，即在虛擬數字空間內還原現實場景，并從多個典型觀察點進行轉譯效果分析與判定，而在后續運營過程中亦可用于各類文化圖像轉譯效果的確認。

該技術方案的關鍵點在于確定文化圖像在虛擬三維模型上的著色映射轉譯方式。研究團隊針對冰立方立面的不規則、低精度的特點，探索多種映射路徑和轉譯方法，比較分析了不同類型文化圖像的轉譯效果，為后續具體設計提供技術路線探索。

2.1 虛擬現實操作平臺

虛擬現實(Virtual Reality，以下簡稱VR)技術是指借助計算機及網絡等綜合技術構建的人工三維虛擬環境，可實現用戶在虛擬環境中進行操作的實時反饋。隨著VR技術發展的日益成熟，它能全面地給用戶展示更為逼真的場景感受[4]，被愈來愈多地應用于城市及建筑設計[5，6]、環境心理學[7，8]等領域。

VR對于真實場景的模擬優勢在于其空間塑造的高真實性(景深感、立體感)以及沉浸式展示營造的“身臨其境”之感(沉浸感、臨場感)，并擁有多維度的交互功能。多項研究顯示VR能有效彌補傳統二維照片和視頻等虛擬媒介的不足[9]，使用戶產生更高的臨場感、真實感、景深感、立體感及舒適度[10，11]。Chamilothori等[12]將人員在真實室內日光環境與虛擬環境中的感受差異進行對比，結果發現在兩種環境下，被試的主觀感知與身體狀態評估沒有顯著差異。Abd-Alhamid等[13]則對比了被試在真實室內人工光環境與虛擬環境中下的光環境感知、情緒感知以及視覺任務績效，結果發現兩種環境下未現顯著差異。綜上所述，應用VR平臺研究媒體立面藝術化轉譯具備技術優勢及理論合理性。

2.2 技術流程

本研究采用3DsMax建模、Houdini程序化模型處理、Unreal Engine 4渲染的開發VR軟件工作流，以冰立方東立面為例，分別比較研究了基于模型的映射關系和基于UV坐標的映射關系這兩種路徑的五種解決方案。

(1)路線一：以模型建立映射關系。

以模型建立映射關系是指將模型作為二維圖像色彩信息連接VR模型著色的橋梁，即用模型自身的信息獲取對應的圖像色彩信息。

方法一：網格體基元數據(Primitive Data)著色。該方法的原理是根據帶有冰立方立面氣枕編號信息的CAD圖，獲取每個氣枕的索引并保存在模型的基元數據(Primitive Data)中，而后提取序號信息，依照順序讀取對應序號的著色信息進行網格體基元數據著色。在程序開發階段首先以一維浮點數(float)形式將氣枕編號存入單個氣枕模型的基元數據屬性，接著將所有氣枕的顯色信息保存為一張程序化紋理并編寫對應的材質算法。在程序運行時，GPU讀取各氣枕的模型屬性編號，利用材質算法將程序化紋理圖像對應的顏色信息作為氣枕自身的顏色，以實現對氣枕的顯色。方法一步驟如圖1所示。

圖1 方法一步驟Fig.1 The workflow of method 1

此方法的優點在于可以實現對某一個氣枕的精確著色與實時修改，而缺點在于映射關系建立復雜。該方法不能實現直接讀取圖片信息，而需先將展示的圖片通過算法轉化為程序化紋理才能完成氣枕顯色。但氣枕形狀不規則、分布隨機、順序性差，因此指定符合實際的基元數據需要花費大量時間。

方法二：頂點色(Vertex Color)烘焙與提取。區別于方法一中將氣枕編號進行手動輸入，該方法的核心是使用程序化手段將圖像的色彩信息寫入模型，即在模型構建過程中直接將色彩信息寫入模型的頂點色屬性(Vertex Color)，并使用材質算法讀取模型的頂點色屬性作為各氣枕的著色信息。首先在Houdini中讀取給定圖片覆蓋在該氣枕上的像素顏色信息，通過計算獲得平均顏色，而后將平均顏色寫入模型頂點。軟件運行時在材質中讀取模型記錄的頂點顏色信息，實現對氣枕的顯色。方法二步驟如圖2所示。

圖2 方法二步驟Fig.2 The workflow of method 2

此方法的優點是可以對任意符合條件的圖片進行烘焙(Bake，即把色彩信息固定在模型或紋理上)，形成自帶顏色信息的模型。缺點是模型信息烘焙后完全固定，無法實現隨時更改。

方法三：虛擬紋理(Virtual Texture)采樣。該方法的核心是直接使用模型位置作為采樣映射，即建立不依賴氣枕順序的映射方法，使用虛擬紋理采樣。首先烘焙虛擬紋理采樣底圖，而后設置給定方向投影采樣，最后為采樣圖塊設置虛擬紋理材質。方法三流程如圖3所示。

圖3 方法三步驟Fig.3 The workflow of method 3

其優點是對應關系建立簡單，可隨圖塊移動而呈現實時對應的圖像。缺點是底圖不能更換，虛擬紋理在遠距離時由于采樣清晰度降低，會有雜色干擾。

(2)路線二：以UV坐標的映射關系。

UV坐標中的U、V軸分別代指二維空間中的水平軸和垂直軸。三維模型根據一定的映射規律，將網格體的每個頂點映射到二維空間中形成三維至二維的對應關系，以此實現準確的貼圖采樣。

方法四：立方體投影(Cube Projection UV)紋理采樣。該方法的核心是使用模型的UV映射關系，設置特殊的UV以采樣紋理。它的位置關系借鑒了方法一中以模型位置作為映射關系，采樣圖像則是采納方法二中對頂點色(Vertex Color)進行提取。它將單個立面以平行投影方式投射在UV空間，而后根據UV對應關系采樣烘焙頂點色產生的顏色信息。方法四步驟如圖4所示。

圖4 方法四步驟Fig.4 The workflow of method 4

其優點是規避了氣枕的順序問題，圖片與模型可直觀對應；缺點是需要預先烘焙高精度的網格化紋理，可能導致氣枕邊緣著色不準確、從而單氣枕顯示多種顏色的問題，與設計要求相悖。

方法五：UV點坐標(Point UV)紋理像素采樣。該方法沿用了方法四中的映射原理，但對其UV采樣方法進行了特化。以單個氣枕為例，將其對應的平行投影UV頂點全部坍縮至中心點，利用UV采樣原理，所有頂點均采樣中心點顏色信息，形成該氣枕網格的顏色呈現(圖5)。在繼承方法四對應關系直觀的優點外，該方法不需要對圖像進行額外網格化預處理，更換圖像即可立即實現網格化，同時兼容方法四中的烘焙紋理；缺點是需要矯正圖像的偏移量。

圖5 UV坍縮處理步驟Fig.5 The workflow of UV collapse

本研究共探索五種圖像呈現方法，各方法優缺點如表1所示。通過對比分析發現，方法五即“UV點坐標紋理像素采樣法”具有靈活性強、效率度高的優勢，與研究目標更為契合。一方面其所選貼圖與冰立方模型表面的對應關系直觀，事先僅需對貼圖進行細微偏移矯正即可顯示出對應渲染效果，適用于數量較大的視覺圖像基因庫效果測試；另一方面相對于其他使用單氣泡著色的方法，它以整個面為模型進行渲染，渲染效率高。因此，研究最終選擇第五種方法作為本研究的基礎技術方案。

表1 方法優缺點匯總Table 1 Summary of advantages and disadvantages of each method

2.3 模擬結果分析

為實現對文化元素的視覺傳達需求，本研究基于上述圖像呈現技術，選取一定量具有中國傳統文化特征的圖像進行模擬實驗，并總結選圖標準與轉譯規律，形成專用媒體立面視覺表達推薦規則。

選取圖片給予傳統文化元素基因庫的分組序列，以傳統建筑、代表性植物花卉、標志性自然景觀、傳統風俗、經典藝術作品5類圖像為例，每類選取10～20張圖片輸入至軟件接口進行測試。測試時可精確調節原型圖片的尺寸及位置，實現對圖片特征的提取，并呈現于國家游泳中心的立面上(表2)。

表2 專用媒體立面圖像推薦規則Table 2 Recommended rules for images of specific media screen

針對轉譯后的低像素化圖像，是否還具備足夠的視覺信息表達文化內涵，采用了專家評價法[14]進行評估。專業設計師相較于公眾而言，對圖像的藝術理解力與審美力更強，能夠相對準確、高效地對圖像進行設計效果評判。因此，本次研究首先讓5名專業設計師從意象感知和藝術效果兩方面對轉譯圖像的優劣進行快速初評。以專家認可的轉譯圖像為基礎，總結利于轉譯的文化圖像特征，以指導后續視覺文化基因庫的數據整合。

基于專家評價結果，總結出4類“推薦”與2類“不推薦”的圖像特征。推薦第一類是圖像色彩特征鮮明，如敦煌壁畫系列的紅黑白配色、王希孟《千里江山圖》青綠與金黃的濃艷配色，以及故宮紅墻碧瓦的局部圖像。此類圖像倚靠風格鮮明的配色即能渲染出特定的藝術氛圍。第二類是圖像細節特征鮮明，對局部進行表現即能獲得較高色彩意象與形態特征的圖像，如熊貓和竹子。第三類是圖底關系明顯，即圖片背景與主體色彩對比明確，使得主體部分能完整凸顯，如黑夜中的燈籠及空中飛舞的彩色飄帶。第四類是圖片整體意象與中國人傳統文化意象高度契合，可通過較為簡單的圖形就可表達的意象，如“接天蓮葉無窮碧，映日荷花別樣紅”的滿池荷花，或“墻角數枝梅，凌寒獨自開”的雪中梅花，“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”的寧靜而致遠意象。

不推薦的第一類是細節特征過多的傳統建筑類圖片，此類圖像傳達，較依賴于細節形態，冰立方的不規則低像素無法對此特性進行準確表達，因此使得原有圖像意義不明，觀感不佳。第二類是已經過較高藝術提煉或加工，依賴于筆觸形式的書畫類圖像，如吳冠中的《白樺林》，二次信息處理導致原特征細節的進一步抽象化，導致圖像意象更加含混，配色雜亂。

專家評價結果分析輔助設計團隊構建了冰立方傳統文化圖像的選取初級準則。后續研究將會基于公眾感受出發，對比人員在VR照明場景與現場照明效果中的差異，進一步對轉譯圖像的意象感知及藝術效果等方面進行定量分析。此處由于篇幅限制，不再贅述。

3 結語

為配合2022年北京冬奧會的成功舉辦，國家游泳中心內部系統進行了新一輪的功能拓展。在原有外立面媒體照明硬件系統的基礎上，通過對媒體內容的重新設計，實現其夜間形象的更新與提升。研究團隊針對冰立方媒體立面特征提出了照明原則及策略，并借助于VR技術平臺，比較研究五種藝術化圖像轉譯方式，為提供更加真實感和沉浸感的視覺效果，輔助運營團隊進行快速有效的設計研判作出貢獻。

技術的內核外，對冰立方媒體立面表現內容的思考才是設計的主旨。將中國傳統文化視覺元素投映在冰立方立面這一載體上，是對傳統文化的反思與回歸，亦是建筑與城市、與人、與社會連接的象征，更是當下中國文化自信的有力體現。