基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

叢林

（黑龍江大學(xué)新聞傳播學(xué)院，哈爾濱 150080）

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、文旅、教育、游戲、娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，作用和效果也越來越顯著。從教育上來看，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺中實(shí)驗(yàn)課程已經(jīng)遍及教育領(lǐng)域的各個(gè)專業(yè)類別，從其中的數(shù)據(jù)看，平臺中總共有3 511 門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，涵蓋62 個(gè)專業(yè)大類，其中專業(yè)基礎(chǔ)課程1 438門，工學(xué)課程占絕大部分，醫(yī)學(xué)和理學(xué)相對較多，大部分為工藝類、流程類的技能訓(xùn)練虛擬仿真課程。文科、藝術(shù)的虛擬仿真課程也大部分集中于技能的培養(yǎng)[1]。色彩相關(guān)課程共4 門，其中三門為環(huán)境色彩與燈光等方面的實(shí)驗(yàn)，主要針對室內(nèi)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等專業(yè)開發(fā)色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。色彩感知方面的訓(xùn)練對藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)和其他專業(yè)的同學(xué)來說都是非常重要的色彩教學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容。作為以視覺和心理學(xué)為主的內(nèi)容，色彩感知與心理學(xué)之間存在著緊密的關(guān)系。色彩感知涵蓋了情感、認(rèn)知、注意、記憶、文化和社會因素等多個(gè)方面[2]。系統(tǒng)針對色彩感知提供跨專業(yè)的沉浸式學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)基本的色彩理論、互動實(shí)驗(yàn)和色彩心理學(xué)的相關(guān)趣味游戲進(jìn)行色彩能力的培養(yǎng)，滿足不同專業(yè)和基礎(chǔ)色彩教學(xué)的需要，對基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念

虛擬仿真技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能等。它主要通過使用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)環(huán)境或系統(tǒng)的行為。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前的主流方式是通過第三方軟件進(jìn)行開發(fā)，例如使用Unity 或者UE 進(jìn)行開發(fā)，通過移動端、PC 端、頭顯設(shè)備等方式互動。不過受技術(shù)和開發(fā)成本的限制，移動端相對較少，主要是本地PC 端應(yīng)用或者WebGL 技術(shù)。WebGL 的優(yōu)勢是輕量、便捷，用戶不用單獨(dú)下載較大的應(yīng)用程序，可以直接通過網(wǎng)址打開，但是渲染效果、交互方式的支持并不理想，對于高質(zhì)量視覺效果的支持有限，尤其是對于移動端、性能、橫豎屏兼容等很多方面非常受限。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

針對PC 端的開發(fā)，是目前從效果、便捷性和兼容性相對較好的方式。主要是通過屏幕或者頭顯設(shè)備顯示，沉浸感較好的是頭顯設(shè)備。沉浸式的體驗(yàn)對于色彩實(shí)驗(yàn)來講更有意義，學(xué)生在虛擬環(huán)境中能夠排除外界環(huán)境的干擾，更加身臨其境。理論上，這種體驗(yàn)可以通過刺激用戶的多種感官、提供真實(shí)感的交互及與現(xiàn)實(shí)世界的融合來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)使用Unity 進(jìn)行開發(fā)，擁有頭顯設(shè)備和屏幕端兩個(gè)版本，需要學(xué)生下載應(yīng)用文件，然后在本地打開后，登錄系統(tǒng)進(jìn)行使用。硬件設(shè)備支持Intel Core i5 同等或更高配置的CPU、NVIDIA GeForce GTX 1060 同等或更高配置的GPU 和Windows 10 及以上的系統(tǒng)，頭顯硬件兼容HTC Vive Cosmos 或同品牌更高級別的設(shè)備。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)是一個(gè)迭代過程，需要不斷地與需求方溝通、調(diào)研，以確保系統(tǒng)能夠滿足他們的需求和期望。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)沉浸性、交互性和想象性三大優(yōu)勢[3]。因此，在整個(gè)開發(fā)過程中，針對色彩內(nèi)容的準(zhǔn)確性、專業(yè)性、趣味性、互動性和程序性能優(yōu)化等都非常重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分別從功能模塊、用戶交互及系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行思考，并且和國家平臺對接，開放使用權(quán)限，形成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用過程性的評價(jià)體系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)庫，根據(jù)學(xué)生的操作過程和成果質(zhì)量，從系統(tǒng)評價(jià)、學(xué)生互評及提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告對學(xué)生操作過程進(jìn)行客觀綜合評價(jià)。同時(shí)，也能幫助學(xué)生建立科學(xué)的色彩設(shè)計(jì)評價(jià)體系，強(qiáng)化色彩認(rèn)知的科學(xué)性。

2.1 功能模塊設(shè)計(jì)

基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)理論知識、抽象色彩實(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)色彩實(shí)驗(yàn)、色彩心理趣味實(shí)驗(yàn)等模塊[4]。主要從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)到經(jīng)典的色彩構(gòu)成實(shí)驗(yàn)和色彩心理學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)進(jìn)行循序漸進(jìn)的練習(xí)。并且預(yù)留端口，根據(jù)專業(yè)特性，增加適合環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)和廣告設(shè)計(jì)專業(yè)等不同設(shè)計(jì)學(xué)專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如圖1 所示。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

色彩感知訓(xùn)練旨在提升用戶對顏色的感知、理解和應(yīng)用能力。通過實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生可以增強(qiáng)辨別不同顏色、記憶顏色、感知顏色對比和相似性的能力。實(shí)驗(yàn)過程通過了解色彩原理和配色規(guī)律，使學(xué)生在二、三維空間體驗(yàn)中，了解色彩體系和掌握色彩配色依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，從簡單到復(fù)雜、從單色到多色、從記憶到趣味等[5]。

學(xué)生運(yùn)用不同的模塊組學(xué)習(xí)色彩配置模型、通過驗(yàn)證色彩的協(xié)調(diào)和對比關(guān)系等，大范圍覆蓋知識點(diǎn)，強(qiáng)化培養(yǎng)色彩感知經(jīng)驗(yàn)與審美能力，同時(shí)通過在沉浸式空間場景中進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.1.1 基礎(chǔ)理論知識模塊

基礎(chǔ)理論部分是系統(tǒng)開始實(shí)驗(yàn)前對于相關(guān)知識掌握的過程。要求學(xué)生對色彩的基礎(chǔ)概念、色彩體系和色彩心理學(xué)等內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)了解。該環(huán)節(jié)通過彈出UI 層或沉浸式空間中展墻的方式呈現(xiàn)多媒體內(nèi)容。例如，針對色彩視錯(cuò)覺的圖、文和視頻介紹。同時(shí)，可以對孟塞爾色立體等經(jīng)典色彩體系進(jìn)行沉浸式的互動。在沉浸式空間中，加深對經(jīng)典色彩體系的理解，把理論知識和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合。

孟塞爾體系是一種球體空間模型,中間軸從白色到黑色形成無彩色系的明度等級分布[6]。頂部為白色，底端為黑色，這個(gè)被稱為孟塞爾的明度值。色彩體系中圍繞中心軸的色相環(huán)由10 個(gè)基本顏色按照順時(shí)針方向排列組成，其中包含了5 種原色和5 種間色。系統(tǒng)通過制作三維模型，并且通過HSV 顏色數(shù)值，還原孟塞爾色立體。讓學(xué)生不僅可以在虛擬空間中進(jìn)行互動，還可以展開或分層查看。

該部分以理論學(xué)習(xí)為主，互動實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要是針對經(jīng)典的色彩理論和色彩心理學(xué)相關(guān)的知識，進(jìn)行基礎(chǔ)層面的認(rèn)知，為之后的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。

2.1.2 抽象色彩實(shí)驗(yàn)?zāi)K

系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以通過多樣化的場景來提供豐富的互動體驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)一些與色彩互動的小游戲或者專業(yè)性實(shí)驗(yàn)來增加色彩學(xué)習(xí)的趣味性和專業(yè)性，主要包含以下三個(gè)互動模塊。

第一，顏色迷宮。在實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候會出現(xiàn)10種顏色，學(xué)生需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)記住色彩的樣子和排列順序，作為后續(xù)迷宮通過的依據(jù)。開始實(shí)驗(yàn)后，在一個(gè)虛擬的房間中，會出現(xiàn)四個(gè)不同顏色的門，學(xué)生需要在規(guī)定時(shí)間根據(jù)之前提示的顏色順序，進(jìn)入相對應(yīng)的房間，順序正確則完成實(shí)驗(yàn)，如果錯(cuò)誤會扣除一部分分?jǐn)?shù)。最終，系統(tǒng)根據(jù)所用時(shí)間和完成情況記錄分?jǐn)?shù)。

第二，對比度魔方。系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)白色的魔方，然后學(xué)生根據(jù)孟塞爾色立體系統(tǒng)的中心軸進(jìn)行配色訓(xùn)練，使用不同明度的灰色進(jìn)行填充，其中每個(gè)面設(shè)計(jì)不同要求的明度對比訓(xùn)練。例如，高明度對比、中明度對比、低明度對比等[7]。通過選擇不同顏色，讓學(xué)生調(diào)整魔方上每個(gè)立方體的灰度，并評估不同對比度的特點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 色立體中心軸對比度實(shí)驗(yàn)示例

第三，色立體橫斷面的配色設(shè)計(jì)。色相是顏色的基本屬性之一，代表了顏色在光譜中的位置。色相通常在一個(gè)色輪上表示，例如孟塞爾色立體中，各種色相按照一定的次序排列。它涉及了不同色相之間的相對位置和關(guān)系。在該實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中學(xué)生根據(jù)孟塞爾色立體的橫斷面，運(yùn)用色相的位置關(guān)系進(jìn)行色相對比訓(xùn)練。例如，同類色對比、相近色對比、類似色對比、中差色對比、對比色、補(bǔ)色對比等。其對比強(qiáng)弱程度取決于色相之間在色相環(huán)上的距離（角度），距離（角度）越小對比越弱，反之則對比越強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)中學(xué)生在指定的二、三維物體上進(jìn)行不少于三種色彩的填色實(shí)驗(yàn)，要求實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度對比、中度對比、弱度對比和同類色對比等相關(guān)配色實(shí)驗(yàn)[8]。

2.1.3 體驗(yàn)色彩實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該部分實(shí)驗(yàn)是針對色彩感知進(jìn)行設(shè)計(jì)專業(yè)層面的單項(xiàng)訓(xùn)練，也可以作為基礎(chǔ)色彩訓(xùn)練的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)當(dāng)前主要設(shè)計(jì)三個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，后續(xù)根據(jù)專業(yè)需要，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)K擴(kuò)展。

色彩配色實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生選擇一個(gè)優(yōu)秀的案例，然后分析、提煉、借鑒案例的色彩配色方式，并且在三維空間中對指定的物體進(jìn)行不多于5 種顏色的配色訓(xùn)練。該部分實(shí)驗(yàn)主要針對藝術(shù)設(shè)計(jì)、廣告設(shè)計(jì)等專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)的應(yīng)用配色學(xué)習(xí)[9]。

室內(nèi)空間色彩實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)家裝空間，用戶可以針對其中的墻面、家具、裝飾物等物體進(jìn)行色彩填充與修改。同時(shí)可以修改所包含的燈光色溫和照度等，根據(jù)教師指定的訓(xùn)練目標(biāo)和要求，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要針對環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行配色實(shí)驗(yàn)[10]。

戶外環(huán)境色彩實(shí)驗(yàn)。選取一個(gè)街道，學(xué)生可以對街道的鋪裝、兩側(cè)的樓體、環(huán)境中的裝飾物等進(jìn)行色彩調(diào)整，甚至天空的色彩和陽光的角度等。使用排除干擾的簡模，針對景觀專業(yè)的學(xué)生做單純的色彩感知訓(xùn)練。

2.1.4 色彩心理趣味實(shí)驗(yàn)?zāi)K

這一部分的實(shí)驗(yàn)是基于色彩心理學(xué)相關(guān)的理論和觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)，僅作為色彩感知訓(xùn)練系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊，增加學(xué)生對色彩不同維度的認(rèn)知和興趣[11]。

音樂色彩聯(lián)想。實(shí)驗(yàn)開始后，玩家會聽到一段音樂。音樂是簡短的片段，學(xué)生在聽音樂的同時(shí)，需要從顏色板中選擇與音樂相匹配的顏色?？梢詾槊總€(gè)顏色提供一個(gè)簡短的描述，以幫助學(xué)生進(jìn)行聯(lián)想。學(xué)生需要將選擇的顏色填充到指定的模型上，并作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖上傳到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，作為最終評分的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)需要考慮學(xué)生的主觀感受，不同的人可能會將相同的音樂與不同的顏色關(guān)聯(lián)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)評價(jià)僅作為整體實(shí)驗(yàn)的參考。實(shí)驗(yàn)是一種多維度的感知和認(rèn)知訓(xùn)練方式，要求學(xué)生將聽到的音樂與顏色、圖像或情感聯(lián)系起來。不僅能激發(fā)學(xué)生的想象力、認(rèn)知能力、情感智慧和創(chuàng)造力，而且對個(gè)人發(fā)展和藝術(shù)欣賞都有積極的影響[12]。

色彩重量實(shí)驗(yàn)。學(xué)生將面臨一系列具有不同顏色的圖像或?qū)ο?，每個(gè)對象都有一個(gè)與其顏色相關(guān)的“權(quán)重值”。學(xué)生的任務(wù)是根據(jù)自己的知覺和感知，將這些對象按照它們的色彩排列成一個(gè)序列。此部分的色彩判斷標(biāo)準(zhǔn)基于 RGB 顏色轉(zhuǎn)為灰度值的加權(quán)平均算法（Weighted Average Method）：Gray=0.299 R +0.587 G+0.114 B，這個(gè)方法根據(jù)不同顏色通道的亮度對圖像進(jìn)行灰度化處理。通常情況下，紅色通道（R）、綠色通道（G）和藍(lán)色通道（B）的權(quán)重分別為0.299、0.587 和0.114，這個(gè)權(quán)重是根據(jù)人眼對不同顏色敏感度的經(jīng)驗(yàn)值來確定的。這個(gè)算法使用了人眼對不同顏色通道的感知差異。因此，在保留圖像主要特征的同時(shí)，能夠?qū)⒉噬珗D像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解不同顏色對于視覺感知的影響，以及色彩的權(quán)重在視覺排列中的作用。它也可以激發(fā)學(xué)生對色彩感知的好奇心，并提高他們對色彩感知的敏感度[13]。

以上虛擬實(shí)驗(yàn)通過高度擬真或優(yōu)化的圖形渲染、聲音效果和交互設(shè)計(jì)來增強(qiáng)色彩感知訓(xùn)練的體驗(yàn)。通過這些虛擬仿真訓(xùn)練方法，學(xué)生可以在一個(gè)模擬的虛擬環(huán)境中進(jìn)行多樣化的色彩感知訓(xùn)練，提升對顏色的辨別、記憶、應(yīng)用和理解能力。

2.2 用戶交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對色彩感知訓(xùn)練的交互通過多種方式來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其中頭顯版本主要通過手柄的操作進(jìn)行，因此支持學(xué)生在虛擬環(huán)境中使用手勢識別或手柄按鍵進(jìn)行導(dǎo)航和操作，如選擇、點(diǎn)擊、拖拽、抓取、涂鴉等。部分實(shí)驗(yàn)需要添加虛擬鍵盤、按鈕或控制面板，用戶可以點(diǎn)擊這些元素來進(jìn)行交互和操作。設(shè)置菜單與選項(xiàng)。同時(shí)提供用戶設(shè)置菜單，允許他們調(diào)整虛擬環(huán)境的參數(shù)，如亮度、對比度、顏色飽和度等。移動方式采用跳轉(zhuǎn)或固定位置，以減少頭顯設(shè)備對一部分用戶帶來的身體不協(xié)調(diào)和眩暈感[14]。

2.3 系統(tǒng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺聯(lián)通，可以通過平臺的賬號密碼登錄，并返回分?jǐn)?shù)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以在平臺中查看。所有實(shí)驗(yàn)過程都會根據(jù)學(xué)生的操作和表現(xiàn)，提供實(shí)時(shí)反饋或提示說明，幫助學(xué)生糾正錯(cuò)誤，掌握方法并改進(jìn)技能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容會根據(jù)一定的目標(biāo)進(jìn)行分值分配，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)項(xiàng)的結(jié)果對學(xué)生進(jìn)行形成性、總結(jié)性評價(jià)[15]。

3 結(jié)語

色彩教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)旨在探索基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行色彩感知訓(xùn)練的可行性和效果。通過在沉浸式的虛擬環(huán)境中讓學(xué)生排除干擾，集中于色彩的單項(xiàng)訓(xùn)練，通過虛擬建筑空間、自然環(huán)境、各種虛擬輔助工具等不同的內(nèi)容進(jìn)行色彩理論與實(shí)踐的互動實(shí)驗(yàn)。此外，虛擬仿真訓(xùn)練具有一定的遷移效果，參與者在實(shí)際色彩感知任務(wù)中表現(xiàn)出更快的反應(yīng)速度和更高的準(zhǔn)確率。訓(xùn)練效果在實(shí)際應(yīng)用中具有實(shí)質(zhì)性意義。參與者的滿意度調(diào)查結(jié)果顯示，虛擬仿真訓(xùn)練讓學(xué)生能有更自信地進(jìn)行色彩辨別和應(yīng)用?？傮w而言，學(xué)生通過沉浸式系統(tǒng)學(xué)習(xí)能夠提高對顏色的敏感度和辨別能力，并將這些能力遷移到現(xiàn)實(shí)世界中。此外，系統(tǒng)為個(gè)性化、專業(yè)化的色彩感知訓(xùn)練提供了充足的擴(kuò)展空間。這對于拓展沉浸式虛擬仿真技術(shù)在認(rèn)知訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。虛擬仿真技術(shù)在色彩感知訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用前景充滿了潛力和機(jī)會，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這種應(yīng)用有望在各個(gè)領(lǐng)域取得更加顯著的成就。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，色彩感知訓(xùn)練可以與真實(shí)空間產(chǎn)生更多互動，為用戶提供更真實(shí)、有趣的體驗(yàn)。從學(xué)校到專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，都可以利用虛擬仿真訓(xùn)練來幫助學(xué)生和專業(yè)人士更好地理解和應(yīng)用顏色。