淺析環(huán)境藝術(shù)設(shè)計實踐教學(xué)中的VR 技術(shù)與應(yīng)用

胡書靈（魯迅美術(shù)學(xué)院 ，遼寧 沈陽 110004）

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

一、VR 技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢

對于藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域來說，超強(qiáng)的沉浸感與即時交互性是VR 技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計教育應(yīng)用中的最大優(yōu)勢。產(chǎn)品設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、傳媒設(shè)計等多學(xué)科都可以通過虛擬技術(shù)最大限度地展現(xiàn)成果信息。真實空間的體驗?zāi)軌驖M足多種設(shè)計行業(yè)對設(shè)計成果的想象、完成設(shè)計實踐的效果展示。相對藝術(shù)邊界的變幻莫測而言，美術(shù)學(xué)院的學(xué)術(shù)邊界也正在悄然被突破，身份被重新審視，而這也是美術(shù)院校需要面對的新境遇，美術(shù)學(xué)院的藝術(shù)教育如何與當(dāng)代藝術(shù)的發(fā)展亦步亦趨已經(jīng)成為一個日益?zhèn)涫荜P(guān)注的話題。

二、我國藝術(shù)設(shè)計教育領(lǐng)域中的VR 應(yīng)用

國家發(fā)展和改革委員會在2017 年發(fā)布了《國家教育事業(yè)發(fā)展 “十三五” 規(guī)劃》支持各級各類學(xué)校建設(shè)智慧校園，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式。新時代下高校的設(shè)計教育正在紛紛革新，其中與VR 有關(guān)的教學(xué)手段可以為其提供更有力的拓展，它可以提高學(xué)生的參與度和積極性，達(dá)到提升教學(xué)效率和效果的目的。就目前現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水準(zhǔn)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(xiàn)實

桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以突破課堂時間、教學(xué)場所和教學(xué)材料的局限。該系統(tǒng)主要包括VR 圖形顯示、效果觀察和人機(jī)交互這幾個部分，目前在各大科學(xué)研究機(jī)構(gòu)它已經(jīng)成為虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的重要手段。設(shè)計教育中也有應(yīng)用在課堂上可以讓教師和學(xué)生根據(jù)特定模塊將知識任意轉(zhuǎn)換為特定的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行實操訓(xùn)練。

2. 沉浸式頭顯設(shè)備

VR 教學(xué)中，最初使用的是 “沉浸式頭顯設(shè)備”，用戶佩戴頭戴式VR 眼鏡，通過交互性設(shè)備（手柄或手套）操作，與系統(tǒng)互動，將感官的體驗暫時轉(zhuǎn)移到虛擬世界中。因為早期的VR 技術(shù)以VR 眼鏡的配套應(yīng)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(shè)備的選擇上，HTC 的設(shè)備陣容最為強(qiáng)大，HTC Vivo、Vive Focus 一體機(jī)等，性能都比較優(yōu)質(zhì)。

3. 場景搭建式沉浸技術(shù)的應(yīng)用

目前場景搭建式沉浸技術(shù)在多種教育教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展，它由初級的LED 顯示屏和顯示幕墻發(fā)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(shù)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(shù)的限制，目前廣泛應(yīng)用的實現(xiàn)方法有兩種：第一，搭建LED “弧幕” 虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行可視化互動。例如桂林電子科技大學(xué)的 “虛擬仿真實驗室”，采用3D LED “弧幕” 虛擬展示系統(tǒng)，搭載DVS3D 虛擬現(xiàn)實軟件工具，應(yīng)用于藝術(shù)學(xué)院等課堂的教學(xué)實踐。第二，搭建3D LED “三折幕”，結(jié)合光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行可視化互動。例如吉林建筑大學(xué)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(tǒng)，在數(shù)據(jù)手套、虛擬手、3D 眼鏡等交互工具的配合下，實現(xiàn)對建筑及環(huán)境設(shè)計的實訓(xùn)教學(xué)及設(shè)計驗證，可以在建筑建造開始前就對整個建筑物結(jié)構(gòu)及其環(huán)境進(jìn)行全方面、多方位的了解。

4.CAVE 式洞穴沉浸教學(xué)模式的應(yīng)用

這種教學(xué)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(tǒng)，結(jié)合光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)等硬件設(shè)備，最大程度的實現(xiàn)沉浸式教學(xué)。北京建筑大學(xué)建筑與環(huán)藝專業(yè)的虛擬現(xiàn)實交互實驗室創(chuàng)建國內(nèi)首個 “五面墻沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)”，結(jié)合DVS3D 虛擬現(xiàn)實協(xié)同設(shè)計平臺，在歷史建筑與文物的復(fù)原保護(hù)研究、輔助設(shè)計師進(jìn)行建筑設(shè)計與表現(xiàn)及環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)等方面發(fā)揮了重要作用。

三、VR 技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用體會及實踐意義

在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)針對Oculus 頭顯設(shè)備開發(fā)的教學(xué)型應(yīng)用中，教師或?qū)W生先對室內(nèi)外的空間環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，方案確定后使用3d max 或sketch up 建模軟件建立基礎(chǔ)模型并進(jìn)行貼圖，之后進(jìn)入引擎渲染階段將建好的基礎(chǔ)模型導(dǎo)入Unreal 或Unity 中進(jìn)行打光、調(diào)色、材質(zhì)修改，并渲染整合，最后使用VR 頭顯設(shè)備來觀察成型的設(shè)計作品。這時，學(xué)生可以綜合室內(nèi)家具擺放、室外建筑道路等多個因素，以人的視角對室內(nèi)外空間進(jìn)行感知，在自己親手創(chuàng)造的室內(nèi)外環(huán)境里暢游，這種教學(xué)方式的作用和意義是十分突出的。

1. 極大地提高教學(xué)效率

相關(guān)實驗研究證明：單一圖片和文字形式的教學(xué)傳播，知識獲取的效率大約為10%；多媒體教學(xué)模式下，知識獲取的效率為30%；沉浸式教學(xué)模式下，知識獲取的效率可以達(dá)到70%。由此可見，VR 技術(shù)的沉浸模式在信息的傳播效率方面是有很大優(yōu)勢的。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)中，VR 的介入可以讓學(xué)生對自己設(shè)計的空間作品進(jìn)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(jìn)一步提高效率，訓(xùn)練其分析模型和創(chuàng)造空間的能力。

2. 提升學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣

美國教育心理學(xué)家布魯納提出 “認(rèn)知- 發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論”，他指出學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動的認(rèn)知過程，而不是被動且機(jī)械式的接受學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實教學(xué)形式所帶來的沉浸感與新鮮感，可以大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣。虛擬現(xiàn)實中的實時互動能夠提升學(xué)生的主觀能動性，邊 “操控” 邊學(xué)習(xí)。在自己設(shè)計的環(huán)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?zāi)軌蛱嵘h(huán)境藝術(shù)設(shè)計類學(xué)生對項目的實際操作能力，在教學(xué)的同時可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行測試和訓(xùn)練，將例如 “人體工程學(xué)”、“質(zhì)感”、“搭配”、“比例” 這樣眾多實際應(yīng)用的知識即時的反映到訓(xùn)練中，這一點在傳統(tǒng)教學(xué)中是無法直接做到的。

4. 激發(fā)創(chuàng)意思維

藝術(shù)需要創(chuàng)新，設(shè)計需要創(chuàng)意思維。數(shù)字藝術(shù)家頭戴VR 眼鏡在Tilt Brush 上進(jìn)行三維的藝術(shù)創(chuàng)作，這從根本上改變了藝術(shù)發(fā)生的途徑，更改變了藝術(shù)的思路。那么在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教育領(lǐng)域，VR 技術(shù)的介入必將改變我們在藝術(shù)設(shè)計教育中的思路，這種創(chuàng)新，也將更好的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意思維。

四、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中有關(guān)VR 虛擬實境的實現(xiàn)原則

1. 虛擬實境的構(gòu)圖視角

虛擬實境的構(gòu)圖與傳統(tǒng)渲染的方形框構(gòu)圖感覺不同，它的特點是世界圍著觀察者打轉(zhuǎn)，因此虛擬實境構(gòu)圖應(yīng)以攝像機(jī)作為基點，一切空間調(diào)度都圍繞攝像機(jī)進(jìn)行，形成所謂的“360 度第一視角”。此外在虛擬實境構(gòu)圖中還需考慮與交互性設(shè)備的結(jié)合，避免后期出現(xiàn)虛擬實境效果與理想效果發(fā)生偏差。但虛擬實境的出現(xiàn)并不代表推翻傳統(tǒng)的美學(xué)構(gòu)成原理，而是應(yīng)該在繼承傳統(tǒng)美學(xué)構(gòu)成原理的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)輸出設(shè)備做出調(diào)整。

2. 虛擬實境中的材質(zhì)與燈光

設(shè)計中非常重要的物體材質(zhì)與燈光效果在虛擬現(xiàn)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(zhì)庫中有PBR 材質(zhì)理念，PBR 材質(zhì)理念的應(yīng)用可使材質(zhì)編輯變的簡單易懂，不需要像3D max 那樣堆砌參數(shù)，簡化了編程者和設(shè)計師的溝通過程，提高設(shè)計效率。其中，UE4 的燈光系統(tǒng)較為強(qiáng)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(zhǔn)確的光環(huán)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(huán)境藝術(shù)設(shè)計中，虛擬實境的場景搭建是至關(guān)重要的，它是構(gòu)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(xù)先前在3d max 等建模軟件中所做的空間設(shè)計比例，然后使用引擎渲染，將建好的基礎(chǔ)模型放在Unity 等中進(jìn)行材質(zhì)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(jù)室內(nèi)外不同環(huán)境參照物比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整來營造最佳的體驗。

4. 針對環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)虛擬實境的交互設(shè)計規(guī)則

教學(xué)中的VR 交互設(shè)計既應(yīng)有其他設(shè)備共通的設(shè)計原則，又需針對它獨特的性質(zhì)來設(shè)計?？偨Y(jié)交互設(shè)計中的通性以及教育教學(xué)中的交互個性，教學(xué)中的VR 交互設(shè)計應(yīng)符合：簡單易操控、邏輯性強(qiáng)、操作方式統(tǒng)一、信息傳遞效率高、隱藏性與可見性適度以及反饋性強(qiáng)六大原則。

結(jié)語

VR 融入環(huán)境藝術(shù)設(shè)計教學(xué)的方法極大的提高了學(xué)生的參與樂趣，在這個教學(xué)過程中，有效的提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，對于培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才有很大成效。其在教學(xué)應(yīng)用中的探索面臨著軟件與硬件的配合提升以及如何創(chuàng)新更優(yōu)秀的交互平臺等問題。從VR/AR1.0 時代到VR/AR2.0 時代，設(shè)計教育應(yīng)著重配合智能硬件產(chǎn)品的開發(fā)，繼續(xù)完善VR 軟件與應(yīng)用系統(tǒng)、多樣化VR 設(shè)備、建設(shè)相匹配的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫，努力實現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)虛擬現(xiàn)實的教育平臺開放化和資源共享化，最終建設(shè)一個完整的設(shè)計教育VR 生態(tài)鏈。