沉浸式數(shù)字虛擬場景設(shè)計研究

◇張馨月 王千喜

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為沉浸式虛擬場景設(shè)計提供了技術(shù)支持，在很大程度上提升了虛擬場景的展示效果。隨著文化的發(fā)展和人們審美意識的提升，科技手段需要不斷更新，沉浸式虛擬場景設(shè)計也更需要精雕細琢。

一、沉浸式虛擬場景概述

良好的交互體驗可以給予觀者身臨其境般的感受，當人們置身于電影院、游樂場、博物館等虛擬場景中時，空間布局、光照及音效等因素能夠使其與現(xiàn)實世界短暫分離，排除一切雜念。要想達到這個效果，虛擬場景的設(shè)計就顯得尤為重要，如何打造沉浸式的虛擬場景成為每個創(chuàng)作者的研究重心。目前，有不少戲劇社為觀者提供戲曲風(fēng)格的面具，這種極富特色的體驗活動既可以激發(fā)人們的好奇心，也可以全面提升參與感，有利于加強與觀眾之間的互動。此外，不少博物館、科技館打造不同風(fēng)格的線上虛擬展廳，使人們結(jié)合自己的需求欣賞展品，同時能在線上探訪展廳的各個角落。

沉浸式體驗就是利用人的感官體驗和認知體驗，營造氛圍，讓參與者享受某種狀態(tài)，若在某一場景中觀者的注意力能夠長時間被吸引，那么其便可被稱為比較成功的沉浸式虛擬場景設(shè)計。觀者在虛擬場景中的交互行為有即時反饋，每一個操作都會有一個視覺、聽覺或觸覺的反饋，能給予觀者充分的掌控感。如今，數(shù)字技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如藝術(shù)學(xué)、心理學(xué)、傳播學(xué)等，創(chuàng)作者利用靈活的思維，結(jié)合文化、藝術(shù)、科技等內(nèi)容，構(gòu)建具有逼真體驗的場景，讓觀眾充分沉浸其中，獲得愉悅感受。

二、沉浸式虛擬場景設(shè)計的影響因素

要想成功設(shè)計一個出色的虛擬場景，為觀者帶來沉浸感，就要重點關(guān)注對細節(jié)的處理，如材質(zhì)的挑選、聲音的配合、光與影的交融等。

（一）材質(zhì)對沉浸式虛擬場景設(shè)計的影響

在虛擬場景的氛圍表達中，細膩的材質(zhì)能更真實地填充場景，能有效增強場景沉浸感。材質(zhì)的真實還原度是有效突出虛擬場景空間關(guān)系和視覺美學(xué)效果的關(guān)鍵，高品質(zhì)的材質(zhì)渲染可以為人們提供良好的視覺感受。在虛擬場景設(shè)計過程中，材質(zhì)處理不是對現(xiàn)實場景進行簡單的再現(xiàn)還原，而是要根據(jù)光線和實景特點，對材質(zhì)貼圖進行處理、分解與組合。這一過程需要創(chuàng)作者在現(xiàn)實的基礎(chǔ)上進行主觀判斷，并進行二次處理。材質(zhì)還原性與建模設(shè)計、場景組合、色彩搭配是統(tǒng)一的整體，例如，房屋的質(zhì)感體現(xiàn)需要借助多方面數(shù)據(jù)的設(shè)定，光澤度、粗糙度、凹凸、影子、光影法線、金屬光澤度、不透明度等，都能影響場景建模和色彩設(shè)計效果。

（二）聲音對沉浸式虛擬場景設(shè)計的影響

聲音是受作用的空氣發(fā)生振動，當震動頻率在20-20000Hz 時，作用于人的耳鼓膜而產(chǎn)生的感覺。聲音是所有虛擬場景設(shè)計元素中對人類心理感受影響較深的一種元素，是人類知覺、心理、情感的催化劑。當人聽到一種聲音時，必然會自動對它產(chǎn)生的環(huán)境、場景、情感色彩等方面產(chǎn)生聯(lián)想。每個人對聲音的感受都來自自身的認知和經(jīng)歷，因此聲音對人情感的影響是沉浸式虛擬場景設(shè)計的重中之重。

聲音在虛擬場景的展示中擁有信息傳遞、情感傳達、氛圍烘托等重要作用。平日里，有很多細微的聲音不易引起人們注意，但實際上，這些聲音本身具有十分重要的信息傳遞作用。例如，行走于石板路上的腳步聲是干脆清爽的，行走于草坪上的腳步聲是輕柔的，不同場景中聲音之間的區(qū)別顯而易見。對此，創(chuàng)作者必須對不同場景的環(huán)境音效有深刻的理解，并充分發(fā)揮聲音的特色，提升觀者的沉浸體驗。不同音效組合對場景的視效沉浸感會產(chǎn)生不同的影響，觀者的情感映射和心理反應(yīng)也必然隨之產(chǎn)生不同變化。沉浸式虛擬場景設(shè)計的關(guān)鍵是通過五感給予觀者極富代入感的體驗。人類的大腦中存儲了個體長期的生活經(jīng)驗所形成的聽覺慣性，所以在潛意識里就會賦予聲音固定的場景，這些場景往往有共通性，會對沉浸式虛擬場景設(shè)計起到至關(guān)重要的作用。

（三）光對沉浸式虛擬場景設(shè)計的影響

在運用技術(shù)手段制作虛擬場景時，光是模型材質(zhì)得以展現(xiàn)的基礎(chǔ)，任何材質(zhì)的真實性都離不開光照，同時，光線的變化會直接影響觀者的心理感受。因此，如何利用光使人們在虛擬場景中獲得較強的沉浸感，是沉浸式虛擬場景設(shè)計過程中需要思考的重要問題。在創(chuàng)作過程中，要想運用光增強人們的沉浸式體驗，應(yīng)將關(guān)注點聚集在燈光的形狀和類型選擇上。通?？梢詫F(xiàn)實中的天空通過高清攝像機拍攝下來并制成材質(zhì)貼圖，并配合區(qū)域光、點狀光、聚光等，在虛擬場景中營造十分真實的光影效果。一天當中，太陽的角度及其光線的軟硬感受是不同的，例如清晨的陽光往往是低角度的軟光，中午則變成接近頂光的硬光，傍晚和清晨的光線接近，但色溫上更偏向于暖光。為了將生活中的景象最大化還原到虛擬場景中，創(chuàng)作者需要經(jīng)常觀察生活中物體的明暗關(guān)系變化，從而在計算機制作過程中更好地設(shè)置各類光源的位置，準確把握光影關(guān)系，只有這樣，人們才能在虛擬場景中獲得更多的沉浸式體驗。

三、沉浸式虛擬場景設(shè)計實踐——以《中世紀小鎮(zhèn)漫游》為例

VR 技術(shù)自誕生至今不斷發(fā)展，受到了不少好評與認可，它融合了藝術(shù)與科學(xué)技術(shù)，成為一種可實現(xiàn)“內(nèi)外溝通”的獨特方式。然而，如此備受喜愛的項目仍被不少觀者反映體驗感差。由此，結(jié)合實際制作VR 動畫《中世紀小鎮(zhèn)漫游》，探究虛擬場景設(shè)計中的關(guān)鍵因素——材質(zhì)、聲音和光對場景沉浸式體驗感的具體影響。鏡頭的多方位移動可帶領(lǐng)觀者的視線隨之變化，光線則給予觀者游覽時間的信息提示，材質(zhì)細節(jié)的刻畫及音效的強弱變化能為觀者帶來視覺、聽覺、觸覺等多方位的感受，給觀者帶來獨特的沉浸式代入感。

《中世紀小鎮(zhèn)漫游》是一個有較高還原度與較強參與感的虛擬VR 動畫，展示了歐洲中世紀時期的小鎮(zhèn)景象（圖1）。動畫中的角色設(shè)計以歐洲中世紀人民的形象為基礎(chǔ)，包括商人、居民和士兵等類型。動畫場景中的建筑被圍繞在圍墻中，以農(nóng)場、集市、貴族住宅為主。動畫通過制定好的路線，引導(dǎo)觀者體驗小鎮(zhèn)風(fēng)土人情，更真實地感受中世紀的小鎮(zhèn)生活和歷史文化。

圖1 《中世紀小鎮(zhèn)漫游》全局圖

（一）利用材質(zhì)增強場景真實感

材質(zhì)是可以刺激人體視覺感官的重要元素，是打造逼真建模場景的重要手段。人們對現(xiàn)實生活中的事物的分辨在很大程度上都是通過材質(zhì)進行的。小到衣食住行領(lǐng)域中的一切，大到大海天際、河流山川，都擁有材質(zhì)。材質(zhì)是最具吸引力的視覺元素之一，觀者與沉浸式虛擬場景產(chǎn)生交互的第一印象就是場景的材質(zhì)表現(xiàn)。出色的建模固然是沉浸式虛擬場景設(shè)計必不可少的，但是細膩的材質(zhì)刻畫能夠讓沉浸式虛擬場景在觀者的腦海中更加“有血有肉”。當觀者進入虛擬場景還未看清場景中模型的細節(jié)時，材質(zhì)帶來的真實感就已經(jīng)能感染觀者。

在《中世紀小鎮(zhèn)漫游》的制作過程中，場景中每一種材質(zhì)的展示效果都需要單獨進行控制調(diào)試：使用紋理貼圖賦予動畫模型基礎(chǔ)顏色后，模型由灰白變成彩色，這時的模型與二維動畫相似；將凹凸屬性賦予模型，模型的表面會呈現(xiàn)出起伏感，材質(zhì)的質(zhì)感初步顯現(xiàn)；賦予模型透明度，此時即可在有透明屬性的部位顯現(xiàn)其下一層的場景；賦予模型金屬光澤后，盔甲與武器類物品就不再是石灰質(zhì)感，呈現(xiàn)的光澤將展露出鐵的鋒芒與戰(zhàn)爭痕跡（圖2、圖3）。

圖2 賦予材質(zhì)前效果

圖3 賦予材質(zhì)后效果

（二）模型搭建提升還原度

建模在沉浸式虛擬場景設(shè)計中占有極其重要的地位，是營造場景沉浸感的基石。在《中世紀小鎮(zhèn)漫游》中，每個模型的塑造靈感都來源于其歷史背景，并根據(jù)考古史實確定氛圍基調(diào)。為了更加真實地彰顯時代感，動畫中設(shè)計了不少小型模型，如樹木、地板、房屋、小攤販、手推車等，這些小物件可以為歷史氛圍感的營造增色不少。

在《中世紀小鎮(zhèn)漫游》中，居民區(qū)建筑多為單層平房，斜面屋頂，貴族區(qū)為三層城堡，莊嚴宏偉。城內(nèi)屋舍排列有序，集市模型多樣逼真，城外農(nóng)場、樹林自成一體，護城河碼頭船只絡(luò)繹不絕。人物建模細致，士兵、農(nóng)婦、商人各不相同。整體建模場景龐大，具有明顯的中世紀特色。在材質(zhì)方面，《中世紀小鎮(zhèn)漫游》采用了上百種材質(zhì)紋理，不同部分的粗糙度、法線、金屬光澤度等屬性各不相同。為了節(jié)約內(nèi)存，提升渲染效率，故使用Adobe Photoshop 制作了大量UV 貼圖，為場景材質(zhì)后續(xù)渲染奠定了基礎(chǔ)。

（三）光線模擬營造氛圍感

沉浸式虛擬場景設(shè)計與環(huán)境光影之間是密不可分的關(guān)系，材質(zhì)的真實性需要光影關(guān)系的支撐才能夠展現(xiàn)。虛擬場景中的光影關(guān)系根據(jù)觀者的游覽視角產(chǎn)生變化，如果沒有光的烘托，觀者就很難代入場景中角色的第一視角。在《中世紀小鎮(zhèn)漫游》光線設(shè)計中，環(huán)境燈光采用了自然光，頂光的使用使陰影面積較小，小鎮(zhèn)的環(huán)境得以更加清晰地呈現(xiàn)，整體自然環(huán)境模擬了陽光明媚的午后氛圍。塑造光線反射時，為了體現(xiàn)不同材質(zhì)對光的不同反射效果，特意合成法線紋理貼圖，用以形成精準的光照方向和反射強度。

（四）音效變換提升真實度

音效與畫面的搭配能夠?qū)μ摂M場景沉浸感的營造產(chǎn)生較大影響，設(shè)計契合畫面元素的音效，能達到長時間吸引觀者注意力、增強場景沉浸感的目的?！吨惺兰o小鎮(zhèn)漫游》利用在三維場景中材質(zhì)紋理細節(jié)的逼真刻畫，從多種角度多元地展現(xiàn)物體的自身材質(zhì)，形成物體的獨特視覺效果；利用光影對物體質(zhì)感呈現(xiàn)的影響，通過美學(xué)的光線軟硬、角度變換，進一步增強材質(zhì)真實性，更好地進行虛擬場景的氛圍塑造與情感表達。

《中世紀小鎮(zhèn)漫游》動畫以集市為中心，商販的叫賣聲及周邊人群的談話聲會隨著觀者與商販的距離遠近變化而產(chǎn)生音量變化，人行走時發(fā)出的腳步聲節(jié)奏會隨著觀者的速度變化而變化，音感會隨著地面材質(zhì)的變化而變化，風(fēng)聲、鳥聲等背景音效會隨著周圍環(huán)境的變化而變化。這樣，各類聲效與觀者行動相配合，能夠更好地使人產(chǎn)生第一視角體驗。觀者通過自身認知對場景環(huán)境進行發(fā)散性的聯(lián)想，與畫面的視覺刺激相結(jié)合，增加第一人稱的代入感與真實感。

四、結(jié)語

虛擬場景設(shè)計是影視、游戲、文旅等領(lǐng)域不可或缺的表達方式，被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新教學(xué)、建筑設(shè)計演示、劇本殺、游樂園、舞臺設(shè)計、博物館等領(lǐng)域，為人類的生活增加更多元的情感體驗。其通過結(jié)合三維場景設(shè)計的藝術(shù)性、美觀性和趣味性的表達方式，增加了VR 交互式表達形式，是科學(xué)與藝術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合。沉浸式虛擬場景能提供多元化的互動體驗，打破二維視覺信息表達的界限，將歷史場景、未來科幻和宇宙萬物帶入大眾的生活，全方位、多角度、立體化呈現(xiàn)震撼的視覺盛宴，給觀者帶來強烈的感官刺激，使其獲得沉浸式的審美享受。通過沉浸式虛擬場景設(shè)計，觀者可以更好地感受作品的藝術(shù)文化內(nèi)涵，提升自身藝術(shù)素養(yǎng)。