基于3D投影的虛擬現(xiàn)實擴張性研究

郭楓楠 常州工學(xué)院

混合現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實和物理現(xiàn)實相融合的概念，它的優(yōu)點是通過與現(xiàn)實世界的結(jié)合，克服目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的局限性，提供更好的現(xiàn)實感。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，正在研究組成這種混合現(xiàn)實的多種方法。最近隨著智能設(shè)備的發(fā)展，通過攝像機將虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)實融合在一起的增強現(xiàn)實概念不斷的發(fā)生改變。藝術(shù)與科技的融合，擴張了藝術(shù)表達的邊界。

由于20世紀50年代投影機的出現(xiàn)，使得投影以技術(shù)為導(dǎo)向細分為平面投影、3D投影和全息投影，被運用到各領(lǐng)域。投影是數(shù)字藝術(shù)展示的重要方式之一，經(jīng)常被應(yīng)用于展示空間。在城市形象推廣領(lǐng)域，通過虛擬影像內(nèi)容結(jié)合實際場景的跨媒介表現(xiàn)，述說著城市的故事。投影映射是利用投影儀向特定空間或物體、人物發(fā)射影像的技法，是數(shù)字媒體藝術(shù)中常用的技法。這種投影映射技法隨著3D動畫制作、交互和顯示等技術(shù)的發(fā)展，從而受到更多的關(guān)注。3D投影映射是利用投影在現(xiàn)實世界的三維空間和物體上覆蓋一層影像，從而創(chuàng)造出一種新的混合現(xiàn)實。本研究重點關(guān)注3D投影映射所具有的混合現(xiàn)實特點，為了使數(shù)字媒體作品達到更加有效的真實感，利用數(shù)字媒體敘事時強調(diào)的“沉浸”要素來進行案例分析。為增強數(shù)字媒體作品創(chuàng)作的實效性有著重要的意義。

一、投影映射

投影映射可以解釋為，通過光線照射現(xiàn)實中的物理對象和空間，展現(xiàn)新的面貌、質(zhì)感、形態(tài)。與虛擬空間中形成的映射不同，將現(xiàn)實中存在的實物表面投射出來的形象作為銀幕上的各種對象。這是具有實際反映適合建筑物或?qū)嵨锏膬?nèi)容影像的實感型接口媒體技法之一，也是制作適合實物實際大小的2D或3D影像，通過投影儀機器投影到相應(yīng)對象的原理。這是具有能夠投射建筑物或?qū)嵨锏奈幕瘍?nèi)容影像的真實感型界面的媒體技法之一，是制作出適合實物實際大小的2D或3D影像，通過投影儀投影到相應(yīng)的對象物上的原理。

投影映射中使用的投影是指由三維坐標系組成的模型或場面用二維坐標系表現(xiàn)的過程。投影主要是適用遠近法的透視投影（Perspective projection）和沒有遠近感的平行投影——正射投影（Orthographic projection）。

把虛擬空間中的數(shù)字信息與實際對象連接起來，利用這些實際對象來控制數(shù)字信息。在非普通平面顯示裝置的立體對象上，用激光投影儀投影，形成新的圖像造型物或新的空間。這是在銀幕上重新生產(chǎn)膠卷或錄像帶的過程，是為了在電腦動畫中真實地表現(xiàn)模型，將二維的形象轉(zhuǎn)移到有三維透視的表面上進行表現(xiàn)。這是將平面上制作的花紋和質(zhì)感轉(zhuǎn)換成立體的工作，通過這一工作，模型獲得了真實性。

在投影映射中，“映射（Mapping）”的名稱起到了給實物帶來虛擬皮膚的作用。這是指具有利用錯覺的特性，在物理形態(tài)上給人一種在不同的空間里看到的感覺，來制造新空間的認知行為。這是錯覺現(xiàn)象的特點，當自己記住的建筑物和實物表現(xiàn)出不同的面貌時，記憶中的建筑物和實物只是在眼前出現(xiàn)的空間位置相同，而被誤認為是完全不同的媒體。這時的經(jīng)驗是現(xiàn)實生活中的直接經(jīng)驗，具有興趣吸引的特性，并且它具有現(xiàn)實世界中的真實性，這是投影映射的最大優(yōu)點也是它的特點。

另外，在投影映射中，應(yīng)用與事物形狀相同的形態(tài)或樣貌，展現(xiàn)不同的視覺效果，打破現(xiàn)實和虛擬的固定觀念，擺脫通過學(xué)習(xí)和經(jīng)驗獲得的成果時，觀眾的興趣會提高。

目前，從國內(nèi)外的大型室內(nèi)空間、數(shù)碼體驗館、零售商店的數(shù)字裝修，到展示會、博覽會、服裝秀等商業(yè)活動、主題公園、演出等娛樂活動，還有大規(guī)模的室外廣告活動，正在受到廣泛的應(yīng)用。另外，它還被用于商業(yè)廣告、宣傳、活動、媒體藝術(shù)、互動藝術(shù)等多個領(lǐng)域。最初的投影映射作品主要是以利用視覺效果為中心的作品形態(tài)，逐漸被制作成包含故事情節(jié)的敘事方式。

在建筑，構(gòu)筑物平面上投影的做法可以說是最大眾化，且行之有效的投影映射形態(tài)，是最常用的表現(xiàn)手法之一。如適用于建筑物的背投造型，建筑物本身就起到投影三維影像的屏幕作用。觀眾們對現(xiàn)有建筑物的外形有所認知，將通過投影影像的重疊來認知擴張的虛擬空間。實際建筑的物理表面與非物理形態(tài)構(gòu)成的影像是有密切關(guān)系的。這與建筑投影映射的空間擴張概念不同，投影映射是指增強現(xiàn)實的物理空間的概念。

另外，可以通過透射光線的方式獲得實物大小的結(jié)果，并利用具有直射光的性質(zhì)，通過建筑物凹凸不平的外墻來投射影像。在建筑投影這一點上，與立面有很多共同點，但是在使用的影像內(nèi)容上，可以提供拍攝的視頻或照片等多樣的影像媒體展示，也可以利用圖形的顏色變化或動態(tài)變化來進行展示，以及使用以提供信息為目的的文字進行展示。在這一點上，與投影映射有所不同。

二、基于沉浸的虛擬現(xiàn)實擴張

虛擬空間突出了虛擬區(qū)別于實際的最具特征的性質(zhì)，是沒有實物卻能視而不見和感覺到的虛構(gòu)世界。虛擬現(xiàn)實雖然與現(xiàn)實有很多相似之處，但可以理解為并非現(xiàn)實的另一種現(xiàn)實，是一種現(xiàn)實的再現(xiàn)。但是，媒體技術(shù)的發(fā)展使虛擬現(xiàn)實變得更加真實。因此，現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實是現(xiàn)實和虛擬物體混合的現(xiàn)實。也就是說，出現(xiàn)了比虛擬現(xiàn)實展現(xiàn)的世界還要逼真的“超現(xiàn)實”（hyper-reality）。

隨著數(shù)字媒體的發(fā)展，從現(xiàn)有媒體敘事擴張為數(shù)字敘事新概念。在數(shù)字敘事中，最重要的是用戶能夠體驗到的“沉浸感”。用戶也可以從小說、電影、電視等傳統(tǒng)媒體中獲得沉浸感，但是數(shù)字媒體具有的媒體特性是，比現(xiàn)有媒體更直接、更強的投入度，能夠最大限度地調(diào)動用戶的滿足感。為提高數(shù)字媒體的沉浸感，需要以下幾點要素：

第一是通過空間或環(huán)境的變化，可以提高用戶的投入度。通過構(gòu)建虛擬空間，自然而然地讓使用者知道自己已經(jīng)進入了這個空間內(nèi)，來加大使用者的投入度，可以舉出游戲中的虛擬空間等例子。

第二是可以通過用戶的參與進行投入。導(dǎo)演通過用戶的直接參與，或者利用角色或者表演者的間接參與，使自己更加投入到內(nèi)容中。

第三是通過內(nèi)容的敘事結(jié)構(gòu)來提高投入度，隨著事件的展開而發(fā)生的敘事的變化，對用戶產(chǎn)生共鳴、集中、沉浸。

傳統(tǒng)的敘述方式中沉浸感是在敘事過程中以虛擬空間引導(dǎo)觀眾的最有效的方法。在數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域中沉浸的基本原則可以成為實現(xiàn)混合現(xiàn)實追求的目標——虛擬世界擴張的基礎(chǔ)。

根據(jù)上文所提及到的敘事的沉浸要素為基礎(chǔ)，在3D實物投影上可以對作品沉浸的要素進行分類。沉浸要素大體可分為根據(jù)展示環(huán)境和作品的演出方式等外部因素和作品中影像的內(nèi)容等內(nèi)在因素。本研究希望通過外在因素實際展示空間和影像的融合方式、表演者和觀眾之間的作用結(jié)構(gòu)和作為內(nèi)在因素的作品中影像內(nèi)容的敘事結(jié)構(gòu)這三個方案，來分析3D實物投影的現(xiàn)實性擴張方式。

三、投影映射的虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)特點

（一）現(xiàn)實空間與虛擬空間的跨界融合

數(shù)字媒體在展示設(shè)計中的可能性還遠遠沒有釋放出來。數(shù)字交互內(nèi)容往往是在顯示設(shè)備的界限之內(nèi)實現(xiàn)的。[1]3D投影在現(xiàn)實空間的立面上投射影像，從而擴張了真實感。早期的3D投影如在建筑物的一側(cè)表面進行影像投射，但存在限制觀眾視野的局限性?，F(xiàn)如今為了讓立體感的效果最大化，空間中通過多臺投影設(shè)備可以實現(xiàn)多面立體投影，且能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)聯(lián)影像投射，使視野角度限制的最小化。建筑表皮互動投影藝術(shù)的出現(xiàn)實質(zhì)上就是建筑表皮的媒介化進程。建筑表皮借助新媒體藝術(shù)，在建筑、環(huán)境藝術(shù)與受眾之間搭建了一種無形媒介載體，去實現(xiàn)信息表達。

（二）作者（表演者）與受眾的交互作用

隨著計算機運算能力的飛速提高，交互性特征將從交流對話提升到以交互體驗為主的方式，互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)增加了交互體驗的感知能力，藝術(shù)作品與受眾之間可以共享解讀作品的愉悅感。[2]3D投影作品的初期，表演者和觀眾的關(guān)系大部分是處于單向的信息傳輸。隨著技術(shù)與審美的嬗變，這種關(guān)系近來正在發(fā)生改變。如表演者登場讓觀眾們間接的得到體驗，或通過增加相互交流的要素讓觀眾與作品之間產(chǎn)生相互作用。數(shù)字技術(shù)登場之后的虛擬空間完美地再現(xiàn)了在藝術(shù)中不斷追求的虛擬概念。如今藝術(shù)中的虛擬空間改變了傳統(tǒng)作品中空間的概念。傳統(tǒng)作品中的空間是藝術(shù)家和受眾進行溝通和相互作用的空間。通過數(shù)字技術(shù)擴張的藝術(shù)作品空間里，交互作用是作品與觀眾溝通的新方式。在欣賞作品時，通過對受眾嗅覺或觸覺的刺激，能夠增強受眾的感官體驗。表演者會根據(jù)受眾的行為和感覺做出相應(yīng)的反應(yīng)。

（三）影像內(nèi)容的敘事構(gòu)造

與傳統(tǒng)的城市亮化景觀相比，投影映射的動態(tài)影像內(nèi)容表達更直觀且具象，能夠更有效的對受眾進行信息傳播。從傳播學(xué)角度看，這種具有獨特敘事手法的影像故事內(nèi)容無疑是文化內(nèi)涵傳播的創(chuàng)新方式，讓受眾能夠更有效的接受。3D投影作品初期的影像內(nèi)容集中體現(xiàn)技術(shù)本身，以圖形要素單純的動畫效果為主，但最近作品具備了簡單的敘述結(jié)構(gòu)。在敘事過程中，不同于傳統(tǒng)的線性敘述方式，觀眾可以拒絕單方面的接受，并把作者主觀的故事分析成觀眾可以進行加工、變形、體驗的環(huán)境。在媒體藝術(shù)中，作者的故事傳達形式將為觀眾帶來多樣的感覺。

四、結(jié)語

藝術(shù)因數(shù)字媒體的應(yīng)用而改變了材料的性質(zhì)與樣式。數(shù)字媒體的出現(xiàn)在包容傳統(tǒng)媒體的同時，也試圖對藝術(shù)作品的表現(xiàn)方式進行改變。藝術(shù)的表現(xiàn)不僅以空間形式結(jié)束，還重新規(guī)定了與容納藝術(shù)的觀眾之間的溝通和關(guān)系。特別是，藝術(shù)審美的接受方式的變化追求藝術(shù)領(lǐng)域和觀眾對作品的感知的變化，并且提供與傳統(tǒng)藝術(shù)方式完全不同的藝術(shù)體驗機會。3D投影映射作為利用新媒體進行全新展示的手段，或者作為新的宣傳手段備受關(guān)注。多樣化的作品層出不窮，為了完成更強烈的視覺效果，作品在各個方面都有強化的趨勢。為了擺脫局限的視點，不斷出現(xiàn)在多樣的視點也可以欣賞或?qū)崟r對觀眾做出反應(yīng)的交互式要素，影像內(nèi)容也不是簡單的圖形效果，而是重視敘事。為了擺脫對技法的新穎感關(guān)注的一時的流行趨勢，成為為體現(xiàn)虛擬世界的混合現(xiàn)實的新方案，尤其是加強此前一直被相對疏忽的影像內(nèi)容本身的敘事結(jié)構(gòu)，最大限度地提升沉浸感的方法將是非常有效的。希望在數(shù)字媒體藝術(shù)賦予新藝術(shù)空間不斷擴張與持續(xù)發(fā)展過程中，本研究能夠起到促進作用。