沉浸式数字虚拟场景设计研究

◇张馨月 王千喜

科学技术的发展为沉浸式虚拟场景设计提供了技术支持，在很大程度上提升了虚拟场景的展示效果。随着文化的发展和人们审美意识的提升，科技手段需要不断更新，沉浸式虚拟场景设计也更需要精雕细琢。

一、沉浸式虚拟场景概述

良好的交互体验可以给予观者身临其境般的感受，当人们置身于电影院、游乐场、博物馆等虚拟场景中时，空间布局、光照及音效等因素能够使其与现实世界短暂分离，排除一切杂念。要想达到这个效果，虚拟场景的设计就显得尤为重要，如何打造沉浸式的虚拟场景成为每个创作者的研究重心。目前，有不少戏剧社为观者提供戏曲风格的面具，这种极富特色的体验活动既可以激发人们的好奇心，也可以全面提升参与感，有利于加强与观众之间的互动。此外，不少博物馆、科技馆打造不同风格的线上虚拟展厅，使人们结合自己的需求欣赏展品，同时能在线上探访展厅的各个角落。

沉浸式体验就是利用人的感官体验和认知体验，营造氛围，让参与者享受某种状态，若在某一场景中观者的注意力能够长时间被吸引，那么其便可被称为比较成功的沉浸式虚拟场景设计。观者在虚拟场景中的交互行为有即时反馈，每一个操作都会有一个视觉、听觉或触觉的反馈，能给予观者充分的掌控感。如今，数字技术被广泛应用于多个领域，如艺术学、心理学、传播学等，创作者利用灵活的思维，结合文化、艺术、科技等内容，构建具有逼真体验的场景，让观众充分沉浸其中，获得愉悦感受。

二、沉浸式虚拟场景设计的影响因素

要想成功设计一个出色的虚拟场景，为观者带来沉浸感，就要重点关注对细节的处理，如材质的挑选、声音的配合、光与影的交融等。

（一）材质对沉浸式虚拟场景设计的影响

在虚拟场景的氛围表达中，细腻的材质能更真实地填充场景，能有效增强场景沉浸感。材质的真实还原度是有效突出虚拟场景空间关系和视觉美学效果的关键，高品质的材质渲染可以为人们提供良好的视觉感受。在虚拟场景设计过程中，材质处理不是对现实场景进行简单的再现还原，而是要根据光线和实景特点，对材质贴图进行处理、分解与组合。这一过程需要创作者在现实的基础上进行主观判断，并进行二次处理。材质还原性与建模设计、场景组合、色彩搭配是统一的整体，例如，房屋的质感体现需要借助多方面数据的设定，光泽度、粗糙度、凹凸、影子、光影法线、金属光泽度、不透明度等，都能影响场景建模和色彩设计效果。

（二）声音对沉浸式虚拟场景设计的影响

声音是受作用的空气发生振动，当震动频率在20-20000Hz 时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉。声音是所有虚拟场景设计元素中对人类心理感受影响较深的一种元素，是人类知觉、心理、情感的催化剂。当人听到一种声音时，必然会自动对它产生的环境、场景、情感色彩等方面产生联想。每个人对声音的感受都来自自身的认知和经历，因此声音对人情感的影响是沉浸式虚拟场景设计的重中之重。

声音在虚拟场景的展示中拥有信息传递、情感传达、氛围烘托等重要作用。平日里，有很多细微的声音不易引起人们注意，但实际上，这些声音本身具有十分重要的信息传递作用。例如，行走于石板路上的脚步声是干脆清爽的，行走于草坪上的脚步声是轻柔的，不同场景中声音之间的区别显而易见。对此，创作者必须对不同场景的环境音效有深刻的理解，并充分发挥声音的特色，提升观者的沉浸体验。不同音效组合对场景的视效沉浸感会产生不同的影响，观者的情感映射和心理反应也必然随之产生不同变化。沉浸式虚拟场景设计的关键是通过五感给予观者极富代入感的体验。人类的大脑中存储了个体长期的生活经验所形成的听觉惯性，所以在潜意识里就会赋予声音固定的场景，这些场景往往有共通性，会对沉浸式虚拟场景设计起到至关重要的作用。

（三）光对沉浸式虚拟场景设计的影响

在运用技术手段制作虚拟场景时，光是模型材质得以展现的基础，任何材质的真实性都离不开光照，同时，光线的变化会直接影响观者的心理感受。因此，如何利用光使人们在虚拟场景中获得较强的沉浸感，是沉浸式虚拟场景设计过程中需要思考的重要问题。在创作过程中，要想运用光增强人们的沉浸式体验，应将关注点聚集在灯光的形状和类型选择上。通常可以将现实中的天空通过高清摄像机拍摄下来并制成材质贴图，并配合区域光、点状光、聚光等，在虚拟场景中营造十分真实的光影效果。一天当中，太阳的角度及其光线的软硬感受是不同的，例如清晨的阳光往往是低角度的软光，中午则变成接近顶光的硬光，傍晚和清晨的光线接近，但色温上更偏向于暖光。为了将生活中的景象最大化还原到虚拟场景中，创作者需要经常观察生活中物体的明暗关系变化，从而在计算机制作过程中更好地设置各类光源的位置，准确把握光影关系，只有这样，人们才能在虚拟场景中获得更多的沉浸式体验。

三、沉浸式虚拟场景设计实践——以《中世纪小镇漫游》为例

VR 技术自诞生至今不断发展，受到了不少好评与认可，它融合了艺术与科学技术，成为一种可实现“内外沟通”的独特方式。然而，如此备受喜爱的项目仍被不少观者反映体验感差。由此，结合实际制作VR 动画《中世纪小镇漫游》，探究虚拟场景设计中的关键因素——材质、声音和光对场景沉浸式体验感的具体影响。镜头的多方位移动可带领观者的视线随之变化，光线则给予观者游览时间的信息提示，材质细节的刻画及音效的强弱变化能为观者带来视觉、听觉、触觉等多方位的感受，给观者带来独特的沉浸式代入感。

《中世纪小镇漫游》是一个有较高还原度与较强参与感的虚拟VR 动画，展示了欧洲中世纪时期的小镇景象（图1）。动画中的角色设计以欧洲中世纪人民的形象为基础，包括商人、居民和士兵等类型。动画场景中的建筑被围绕在围墙中，以农场、集市、贵族住宅为主。动画通过制定好的路线，引导观者体验小镇风土人情，更真实地感受中世纪的小镇生活和历史文化。

图1 《中世纪小镇漫游》全局图

（一）利用材质增强场景真实感

材质是可以刺激人体视觉感官的重要元素，是打造逼真建模场景的重要手段。人们对现实生活中的事物的分辨在很大程度上都是通过材质进行的。小到衣食住行领域中的一切，大到大海天际、河流山川，都拥有材质。材质是最具吸引力的视觉元素之一，观者与沉浸式虚拟场景产生交互的第一印象就是场景的材质表现。出色的建模固然是沉浸式虚拟场景设计必不可少的，但是细腻的材质刻画能够让沉浸式虚拟场景在观者的脑海中更加“有血有肉”。当观者进入虚拟场景还未看清场景中模型的细节时，材质带来的真实感就已经能感染观者。

在《中世纪小镇漫游》的制作过程中，场景中每一种材质的展示效果都需要单独进行控制调试：使用纹理贴图赋予动画模型基础颜色后，模型由灰白变成彩色，这时的模型与二维动画相似；将凹凸属性赋予模型，模型的表面会呈现出起伏感，材质的质感初步显现；赋予模型透明度，此时即可在有透明属性的部位显现其下一层的场景；赋予模型金属光泽后，盔甲与武器类物品就不再是石灰质感，呈现的光泽将展露出铁的锋芒与战争痕迹（图2、图3）。

图2 赋予材质前效果

图3 赋予材质后效果

（二）模型搭建提升还原度

建模在沉浸式虚拟场景设计中占有极其重要的地位，是营造场景沉浸感的基石。在《中世纪小镇漫游》中，每个模型的塑造灵感都来源于其历史背景，并根据考古史实确定氛围基调。为了更加真实地彰显时代感，动画中设计了不少小型模型，如树木、地板、房屋、小摊贩、手推车等，这些小物件可以为历史氛围感的营造增色不少。

在《中世纪小镇漫游》中，居民区建筑多为单层平房，斜面屋顶，贵族区为三层城堡，庄严宏伟。城内屋舍排列有序，集市模型多样逼真，城外农场、树林自成一体，护城河码头船只络绎不绝。人物建模细致，士兵、农妇、商人各不相同。整体建模场景庞大，具有明显的中世纪特色。在材质方面，《中世纪小镇漫游》采用了上百种材质纹理，不同部分的粗糙度、法线、金属光泽度等属性各不相同。为了节约内存，提升渲染效率，故使用Adobe Photoshop 制作了大量UV 贴图，为场景材质后续渲染奠定了基础。

（三）光线模拟营造氛围感

沉浸式虚拟场景设计与环境光影之间是密不可分的关系，材质的真实性需要光影关系的支撑才能够展现。虚拟场景中的光影关系根据观者的游览视角产生变化，如果没有光的烘托，观者就很难代入场景中角色的第一视角。在《中世纪小镇漫游》光线设计中，环境灯光采用了自然光，顶光的使用使阴影面积较小，小镇的环境得以更加清晰地呈现，整体自然环境模拟了阳光明媚的午后氛围。塑造光线反射时，为了体现不同材质对光的不同反射效果，特意合成法线纹理贴图，用以形成精准的光照方向和反射强度。

（四）音效变换提升真实度

音效与画面的搭配能够对虚拟场景沉浸感的营造产生较大影响，设计契合画面元素的音效，能达到长时间吸引观者注意力、增强场景沉浸感的目的。《中世纪小镇漫游》利用在三维场景中材质纹理细节的逼真刻画，从多种角度多元地展现物体的自身材质，形成物体的独特视觉效果；利用光影对物体质感呈现的影响，通过美学的光线软硬、角度变换，进一步增强材质真实性，更好地进行虚拟场景的氛围塑造与情感表达。

《中世纪小镇漫游》动画以集市为中心，商贩的叫卖声及周边人群的谈话声会随着观者与商贩的距离远近变化而产生音量变化，人行走时发出的脚步声节奏会随着观者的速度变化而变化，音感会随着地面材质的变化而变化，风声、鸟声等背景音效会随着周围环境的变化而变化。这样，各类声效与观者行动相配合，能够更好地使人产生第一视角体验。观者通过自身认知对场景环境进行发散性的联想，与画面的视觉刺激相结合，增加第一人称的代入感与真实感。

四、结语

虚拟场景设计是影视、游戏、文旅等领域不可或缺的表达方式，被广泛应用于创新教学、建筑设计演示、剧本杀、游乐园、舞台设计、博物馆等领域，为人类的生活增加更多元的情感体验。其通过结合三维场景设计的艺术性、美观性和趣味性的表达方式，增加了VR 交互式表达形式，是科学与艺术的创新结合。沉浸式虚拟场景能提供多元化的互动体验，打破二维视觉信息表达的界限，将历史场景、未来科幻和宇宙万物带入大众的生活，全方位、多角度、立体化呈现震撼的视觉盛宴，给观者带来强烈的感官刺激，使其获得沉浸式的审美享受。通过沉浸式虚拟场景设计，观者可以更好地感受作品的艺术文化内涵，提升自身艺术素养。