人工智能時代空間計算技術在數字交互動畫創作中的應用

摘? 要：空間計算技術的工作原理和發展方向對數字交互動畫的創作產生了重大影響，對現實的復制需要更深入的參與和學習。文章通過概括空間計算的定義，介紹空間計算技術在數字交互動畫中的應用，展示技術對動畫藝術的影響，研究在空間計算技術的影響之下，藝術理念、創造性思維和設計方法所發生的改變。

關鍵詞：空間計算;虛擬現實;增強現實;混合現實;數字交互動畫

在數字時代之前，人類在藝術領域中表達的情感和社會模式總是會受到物理約束，后來隨著科學技術的發展，計算機更具移動性，我們可以以一種真實和自然的方式與我們的計算機交互。人工智能通過計算機程序來呈現人類的思考模式和行為，為藝術開辟了新的可能性，帶來了豐富而深刻的互動體驗?？臻g計算是人與機器的交互，其中機器保留并操縱對真實對象和空間的引用。它可以使我們的機器在工作和娛樂中成為更充實的合作伙伴[1]。空間計算通過各類基于位置的服務、空間數據庫、空間統計以及空間數據挖掘的理論與方法，推進了計算機科學的發展[2]。這是一個定義我們與數字世界互動的術語。

數字技術的介入使動畫從傳統敘事性表現發展到空間的觀念性呈現，再到交互式場域的營造，最后發展到數字化的沉浸式體驗[3]?？臻g計算技術和數字動畫的融合，將實現虛擬世界對現實世界的復制，不受時間和空間的限制，將現實世界和數字世界融合在一起，人類也正在從過去與靜態計算機的交互方式轉變為與當今沉浸式、引人入勝的技術的互動。

一、空間計算的出現改變數字動畫的交互方式

人工智能（AI）賦予計算機執行智能任務的能力，空間計算技術通過人工智能技術，使計算機和系統能夠從數字圖像、視頻和其他視覺輸入中獲取有意義的信息，并基于這些輸入與人類進行交互。數字動畫通過與空間計算的融合，使數字動畫的創作方式發生改變，數字動畫的交互范圍也從單一的屏幕擴大至虛擬的數字世界。

跨學科藝術家正在探索新的人機交互界面，它為交互提供了一個虛擬框架，設計出讓人類以新穎的方式與計算機交互的技術。這種人機交互界面是由設計者和用戶之間進行溝通，通過視覺設計的文本、圖形元素和數字動畫形成的。隨著普適計算、人工智能、環境智能和物聯網設備的興起，硬件需要融入背景，成為環境的一部分，只留下軟件供用戶交互，并增強用戶的感官以使交互更加隱含和自然。隨著空間計算技術的進步，創作者可以直接使用手機或平板電腦的攝像頭，通過智能掃描系統捕捉全身的運動軌跡，這為各種規模的動畫項目創作角色提供了更大的靈活性，這種由人工智能驅動的運動捕捉技術還消除了對成本高昂的動作捕捉服的需求，這也意味著生成的演員動作更加真實自然，融合單相機拍攝，減去不舒適的裝束套裝，讓創作者可以省去組建昂貴的多相機工作室的預算與成本，拍攝或使用不受設置限制的鏡頭?？臻g計算技術幫助人類與機器合作，保留和操縱周圍的真實物體和空間，使用3D空間有助于用戶采用未充分利用的感官能力來理解世界上的復雜信息?？臻g計算將使計算機用戶界面與人類生活、工作和娛樂的現實世界無縫銜接，它們將改變我們所知的整個動畫產業的創作方式。

在空間計算技術快速發展的時代，設計師將不得不適應諸如虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）等技術，它們將使用戶進行更深層次的交互。交互動畫依賴于物理世界中的行為符號和動畫隱喻，以需要手勢和動作進行輸入的圖形用戶界面的形式移植到數字平臺上，使動畫成為人機交互不可或缺的一部分[4]。沉浸感將成為新媒體的核心，虛擬現實系統通過圖像、動畫、聲音或其他整體環境來擴大并刺激用戶的感知。交互式、身臨其境的環境需要智能響應，感知智能是當下人工智能發展所處的階段。感知即通過聽覺、視覺、觸覺等感知系統，對外界環境進行認知的過程，其研究范疇主要包括語音識別、語音合成、圖像識別、人臉識別、手勢識別、自然語言理解等技術[5]。交互式、沉浸式和智能的數字動畫內容會模仿生命的形式，以接近生命的功能將虛構的故事與我們的日常生活相融合。

與傳統的計算機動畫作為計算機圖形學的一部分不同，人工智能時代下的動畫是一門延展至圖像處理、數字信號處理、機器視覺等領域的跨學科藝術。藝術家們突破了界限，將數字動畫與其他學科相結合，開創了用科技看待世界的新方式，我們需要從藝術學的語境中跳脫出來，以跨學科的方式來重新看待藝術與設計在創作價值、創作場域、創作方式到創作輸出等維度的變化[6]。涉及多學科的空間計算使數字動畫的跨界與共融利用我們的聲音、手勢和環境本身來創建整個三維環境，而不用局限于屏幕這樣單一的物理空間。我們的身體將成為未來空間計算世界的鼠標，而我們周圍的世界將是可點擊、可編輯、可重新設計的。鍵盤、鼠標和觸摸屏等傳統輸入方式使軟件在本質上變得復雜，而人體對軟件進行空間控制將改變人類表達創造力的方式[7]。用戶可以生成自己的虛擬化身，聚集在數字世界里一起分享體驗。

二、空間計算背景下數字動畫的交互方式

谷歌虛擬現實（VR）的副總裁克萊·巴沃爾（Clay Bavor）在2017年谷歌的主題演講中指出，未來的技術創造者和消費者將想象在新世界里，在人類體驗技術的過程中，任何人都可以在手勢或語音命令的控制下，通過眼睛看到任何地方或者任何東西。在機器可以深度學習，人工智能具有超強的大數據分析、計算和存儲能力的時代下，空間計算發生了深遠的變化，并指出了若干新機遇，如虛擬現實、增強現實、混合現實等技術，為數字交互動畫構建了新的人機交互界面，產生了獨特的交互方式。

（一）運用虛擬現實構建數字交互世界

虛擬現實從伊凡·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）的《達摩克利斯之劍》（Sword of Damocles）誕生之初到今天，一直在不斷推動我們感知的界限，這是一項融合動畫和編程創建，可以在數字世界中提供身臨其境的體驗技術，通過空間和生物識別等技術，在人工智能中輸入語音，將技術發展為與人類相關的形式。

在充滿空間計算的未來世界中，動畫的感官設計將不再受限于物理資源或2D屏幕，它開辟了無限的可能性，遠遠超出了目前存在的任何設計媒介。許多作品除了影像本身，在放映空間中會利用光線、聲音、空間場景等綜合方式來打造能襯托作品內容主題的動畫延展，讓觀者身臨其境充分感受作品由影像空間到實際空間的交互關系[8]。夏爾·戴維斯（Char Davies）是加拿大當代藝術家，以創作沉浸式虛擬現實藝術品而聞名，她在《Osmose》（如圖1）中創造了一個沉浸式的虛擬環境，將三維視覺元素、空間定位的聲音與基于呼吸和平衡的互動結合在一起，沉浸者可以在大自然的隱喻性方面穿越并訪問不同的空間世界，挑戰“沉浸式”的空間概念，探索生活體驗和虛擬體驗之間的多孔邊界。1998年的《Eph é m è re》是一個交互沉浸式的視聽虛擬藝術品，它進一步推進了始于1995年的《Osmose》的工作，擴展了虛擬世界作為藝術的概念，并添加了晝夜循環的時間元素。戴維斯的沉浸式技術的獨特之處在于她利用沉浸式的呼吸和身體運動在沉浸式的虛擬空間中導航，這在沉浸和計算機之間創造了一個界面[9]。

空間計算服務在過去是為少數地理信息系統（GIS）專業的人員設定的，隨著空間計算技術用戶社區的增長，用戶界面必須使用大眾理解的空間認知語言，對空間認知心理的理解非常有必要?？臻g認知是研究公眾對世界上地點和事件的位置、大小、距離、方向和其他空間特性的認識和信仰[10]。運用動畫輔助空間設計將會使用戶認知更加清晰，動畫可以更清晰直觀反映公眾所處的位置與方向，使公眾通過學習空間布局、閱讀地圖等方式，提高公眾的空間認知能力。加拿大藝術家喬恩·拉夫曼（Jon Rafman）探索技術對當代生活和社會的影響，通常使用敘述的方式將用戶和社會歷史聯系起來，他的《Kool-Aid Man》項目涉及到三維游戲《第二人生》中虛擬世界的建構，探索用戶如何利用社交行為來喚起理想化的自我。以人為中心的空間計算是指導空間技術的設計、實現和使用的一套基本原則，拉夫曼運用這套原則為提高全人類的生活質量提供了新的互動環境。空間計算已經實現了基于位置的社交媒體的新型互動，它通過精心設計的技術來增強人類的認知能力，以提高人類的空間能力。

人工智能通過深度學習，促進了實時圖像和語音識別，有助于與虛擬現實結合起來，開發新的應用程序。空間計算技術的發展使現實和虛擬環境之間的界限變得模糊，三維空間形態特征影響人們的空間認知以及人們如何構建思維圖，生成空間記憶并在探索三維環境時做出反應。雖然虛擬現實取代了人們所體驗到的東西，但增強現實卻在其中起到了補充作用。虛擬現實通過頭戴式顯示器使用戶的視野完全被覆蓋，并使觀眾獲得一種完全沉浸式的體驗，但它卻將物理世界拒之門外，而增強現實則將圖像投射到用戶面前的一個固定區域，通過智能手機上的攝像頭將物理世界與計算機生成的虛擬數字動畫元素相結合，構建了虛實交互的場景。

（二）通過增強現實擴大虛實交互場景

增強現實將AR攝像頭集成到智能手機應用程序和對象識別中，透過攝影機影像的位置及角度精算并加上圖像分析技術，讓屏幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與交互。藝術家運用AR技術打破了真實的可見與虛擬的不可見之間的脆弱界限。美國新媒體藝術家扎克·利伯曼（Zach Lieberman）摩爾·郭（Molmol Kuo）提議將AR面部跟蹤技術作為機器的輸入，眼睛的眨動可以觸發動畫，嘴巴的動作可以產生音樂，他們合作制作了AR應用程序《Weird Type》，可以讓用戶在3D空間中的任何位置編寫和制作動畫，人們通過給文字賦予動畫效果，讓字母像雪花一樣隨意地飛向空間，該程序通過向觀眾提供創造性的媒介，從而產生了新的交流形式。由多媒體藝術家克萊爾·巴爾丹（Claire Bardainne）和阿德里安·蒙多特（Adrien Mondot）構思的藝術展“Mirages & Miracles”將現實生活中的裝置（如雕塑和素描）與AR技術結合在一起，巧妙地處理了詩歌、技術、人體和藝術之間的關系，將無生命的物體融入生活和空間中，讓觀眾體驗每件作品的展示空間和視覺魔術，當用戶透過手持移動設備的鏡頭觀看時，靜止的平面圖將開始動起來，這種新形式創造出了一種虛構的數字世界緊緊地建立在現實世界之上的感覺。倫敦設計師松田圭一（Keiichi Matsuda）的《Hyper-Reality》（如圖2）將實景鏡頭與運動跟蹤的視覺元素結合在一起，創造了一個萬花筒般的“超現實”電影，影片中充滿了游戲、谷歌之類的互聯網服務和其他各種功能，商店標志和交通信號再次呈現在真實的建筑和道路之上，信息和互動指示器也出現在行人身上，探索了對未來概念的理解，這個概念將增強現實帶到了一個極端，通過交互式的虛擬界面滲透到城市環境中，通過數字平臺控制和表達身份。增強現實將改變動畫講故事的表達模式，通過引入新的、不同的視角改變動畫講述、分享甚至記住故事的方式。

增強現實不再僅僅是技術，它將影響我們在這個充滿新技術的現實世界中的生活，以及我們如何設計有意義的體驗，并豐富人類的生活。更小、更快、更準確的人工智能模型已經能更出色地構建沉浸式增強現實體驗，深度神經網絡可以檢測垂直和水平平面，估計深度并分割圖像以獲得真實的遮擋關系，甚至可以實時推斷對象所處的位置?；谶@些能力，人工智能模型正在取代一些支持增強現實體驗的更傳統的計算機視覺方法，用戶可以通過隨身攜帶的移動設備與數字動畫模型進行交互。然而，虛擬現實（VR）和增強現實（AR）與混合現實（MR）相比，還是有其自身的局限性，虛擬現實技術可以用模擬環境完全取代用戶所在的現實世界的環境，卻只能讓用戶在虛擬世界中與數字構成的動畫對象進行交互，增強現實技術可以讓虛擬信息覆蓋在真實環境中，改變用戶對現實世界環境的感知，然而用戶卻受到手持設備必須放在他們面前的物理限制，無法以更自然的方式與虛擬對象互動，它們雖然都被認為是沉浸式的空間計算技術，但混合現實是虛擬現實和增強現實的延伸，而在混合現實環境中，用戶可以像在現實世界中那樣與虛擬的數字動畫元素交互。

（三）采取混合現實融合虛實交互對象

混合現實是現實世界與虛擬世界的融合，是同時使用虛擬現實和增強現實術創建的環境，在其中可以同時存在物理和虛擬對象并進行實時交互，由于混合現實保持了與現實世界的聯系，所以它并不被認為是一種完全沉浸式的體驗。混合現實是虛擬現實技術的進一步發展，比增強現實技術更具沉浸感，由于計算機視覺、圖形處理能力、輸入系統和顯示技術等人工智能技術的進步，現在可以通過沉浸式技術同時包含物理世界和虛擬世界。

MR將可視化和沉浸式與交互相結合，結合音頻、觸摸、視頻和圖像元素來促進正確的信息訪問，通過移動攝像頭，智能眼鏡或耳機在顯示現實的屏幕上覆蓋圖像或視頻，以增強用戶體驗的真實感。微軟與在線藝術平臺Artsy和阿姆斯特丹工作室Drift合作，為Microsoft HoloLens創造了第一個混合現實藝術作品《Concrete Storm》，它將物理結構與全息圖結合在一起。全息圖可以根據用戶在展覽中的位置改變視角，讓參觀者以一種全新的方式體驗藝術，他們穿過水泥柱，伸手去摸一些根本不存在的東西，這證明了混合現實可以使藝術更容易接近和互動。混合現實環境需要考慮到現實世界，即它們所嵌入的居住空間的位置和社會性質[11]?！禗igital Atmosphere》是數字藝術家Perry James Sugden和Daria Jelonek的混合現實作品，這件作品通過賦予自然聲音，使清新的空氣成為現實，利用數字和傳感器技術捕捉到眼前環境中無形的空氣質量變化，將其轉化為一種用動畫形式表現的視覺模擬，通過混合現實的頭戴式頭盔，讓觀眾可以看到被數據可視化的空氣。

混合現實環境中的互動式敘事融合了數字和物理信息及其功能，通常對現實世界和基于物理的互動進行增強，互動敘事的戲劇性故事情節受到用戶動作的影響，在不直接使用計算機和交互設備的真實物理環境中發生交互[12]?！禔nti-Gone》（如圖3）是藝術家西奧·特蘭塔菲莉莉迪斯（Theo Triantafyllidis）根據康納·威廉森（Connor Willumsen）的原漫畫改編的混合現實直播表演，它將現場表演與實時模擬結合起來，探索了技術、特權以及世界的開始和結束對社會的影響?！禔nti-Gone》的演員穿著動作捕捉服和VR頭盔演出，并將他們的動作映射給虛擬世界中的化身。這部動畫電影的核心是一個表演系統，該系統試圖將當代表演與開放世界視頻游戲的機制聯系起來。在精心制作的3D環境中，通過捕捉演員即興創作的空間數據，使這部動畫作品充滿了不確定性的元素。在最新的直播版本中，藝術家引入了觀眾參與的新元素，互動是演出中重要的一部分，并可能在原故事中創造出一個新故事。3D動畫電影與實時交互相結合，使表演具有了一種不可思議的效果，混合現實環境顛覆了物理空間和身體的邊界。

人工智能和深度學習正在深刻地改變混合現實應用程序感知環境的方式，為混合現實應用程序添加智能將有助于提供身臨其境的交互體驗，在本地分析、生成數據時最大限度地減少延遲時間。隨著混合現實設備和空間計算技術的發展，混合現實技術將進一步集成到我們的生活，而動畫這門綜合性的藝術也將運用混合現實技術，隨著環境的輸入和感知不斷突破虛擬世界的界限，與現實世界互融。

三、結語

在人工智能時代下存在著各種機遇，虛擬空間與現實空間之間的張力已經通過空間計算技術進行了重新定義。虛擬空間與真實空間之間的區別正在變得更加模糊?？臻g計算的未來也取決于不斷構建的和共享的開源知識，因此，對技術的各個部分制定標準并進行創新，使空間計算蓬勃發展成為一項挑戰?？臻g計算與數字交互動畫的融合，為動畫創作注入了以人為本的交互與感官設計，更新了數字藝術的創作工具，并探索了新的人機交互界面，使過去平面屏幕上的二維圖形轉變為當今沉浸式的3D可視化的數字世界?；谖恢梅盏奶摂M現實、增強現實、混合現實技術無疑將使數字交互動畫突破時空的界限，構建一個虛實互融、可供人類生存、移動和思考的世界。技術上的進步從未停止，使用以真實空間和虛擬空間混合的沉浸式的空間計算技術，在知識、創造力和想象力之間嘗試一種不同的融合。

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作者簡介：任亦楠，湖北美術學院動畫與數字藝術學院動畫藝術研究專業碩士研究生。