基于3D投影的虚拟现实扩张性研究

郭枫楠 常州工学院

混合现实是虚拟现实和物理现实相融合的概念，它的优点是通过与现实世界的结合，克服目前虚拟现实系统的局限性，提供更好的现实感。随着数字技术的发展，正在研究组成这种混合现实的多种方法。最近随着智能设备的发展，通过摄像机将虚拟现实和现实融合在一起的增强现实概念不断的发生改变。艺术与科技的融合，扩张了艺术表达的边界。

由于20世纪50年代投影机的出现，使得投影以技术为导向细分为平面投影、3D投影和全息投影，被运用到各领域。投影是数字艺术展示的重要方式之一，经常被应用于展示空间。在城市形象推广领域，通过虚拟影像内容结合实际场景的跨媒介表现，述说着城市的故事。投影映射是利用投影仪向特定空间或物体、人物发射影像的技法，是数字媒体艺术中常用的技法。这种投影映射技法随着3D动画制作、交互和显示等技术的发展，从而受到更多的关注。3D投影映射是利用投影在现实世界的三维空间和物体上覆盖一层影像，从而创造出一种新的混合现实。本研究重点关注3D投影映射所具有的混合现实特点，为了使数字媒体作品达到更加有效的真实感，利用数字媒体叙事时强调的“沉浸”要素来进行案例分析。为增强数字媒体作品创作的实效性有着重要的意义。

一、投影映射

投影映射可以解释为，通过光线照射现实中的物理对象和空间，展现新的面貌、质感、形态。与虚拟空间中形成的映射不同，将现实中存在的实物表面投射出来的形象作为银幕上的各种对象。这是具有实际反映适合建筑物或实物的内容影像的实感型接口媒体技法之一，也是制作适合实物实际大小的2D或3D影像，通过投影仪机器投影到相应对象的原理。这是具有能够投射建筑物或实物的文化内容影像的真实感型界面的媒体技法之一，是制作出适合实物实际大小的2D或3D影像，通过投影仪投影到相应的对象物上的原理。

投影映射中使用的投影是指由三维坐标系组成的模型或场面用二维坐标系表现的过程。投影主要是适用远近法的透视投影（Perspective projection）和没有远近感的平行投影——正射投影（Orthographic projection）。

把虚拟空间中的数字信息与实际对象连接起来，利用这些实际对象来控制数字信息。在非普通平面显示装置的立体对象上，用激光投影仪投影，形成新的图像造型物或新的空间。这是在银幕上重新生产胶卷或录像带的过程，是为了在电脑动画中真实地表现模型，将二维的形象转移到有三维透视的表面上进行表现。这是将平面上制作的花纹和质感转换成立体的工作，通过这一工作，模型获得了真实性。

在投影映射中，“映射（Mapping）”的名称起到了给实物带来虚拟皮肤的作用。这是指具有利用错觉的特性，在物理形态上给人一种在不同的空间里看到的感觉，来制造新空间的认知行为。这是错觉现象的特点，当自己记住的建筑物和实物表现出不同的面貌时，记忆中的建筑物和实物只是在眼前出现的空间位置相同，而被误认为是完全不同的媒体。这时的经验是现实生活中的直接经验，具有兴趣吸引的特性，并且它具有现实世界中的真实性，这是投影映射的最大优点也是它的特点。

另外，在投影映射中，应用与事物形状相同的形态或样貌，展现不同的视觉效果，打破现实和虚拟的固定观念，摆脱通过学习和经验获得的成果时，观众的兴趣会提高。

目前，从国内外的大型室内空间、数码体验馆、零售商店的数字装修，到展示会、博览会、服装秀等商业活动、主题公园、演出等娱乐活动，还有大规模的室外广告活动，正在受到广泛的应用。另外，它还被用于商业广告、宣传、活动、媒体艺术、互动艺术等多个领域。最初的投影映射作品主要是以利用视觉效果为中心的作品形态，逐渐被制作成包含故事情节的叙事方式。

在建筑，构筑物平面上投影的做法可以说是最大众化，且行之有效的投影映射形态，是最常用的表现手法之一。如适用于建筑物的背投造型，建筑物本身就起到投影三维影像的屏幕作用。观众们对现有建筑物的外形有所认知，将通过投影影像的重叠来认知扩张的虚拟空间。实际建筑的物理表面与非物理形态构成的影像是有密切关系的。这与建筑投影映射的空间扩张概念不同，投影映射是指增强现实的物理空间的概念。

另外，可以通过透射光线的方式获得实物大小的结果，并利用具有直射光的性质，通过建筑物凹凸不平的外墙来投射影像。在建筑投影这一点上，与立面有很多共同点，但是在使用的影像内容上，可以提供拍摄的视频或照片等多样的影像媒体展示，也可以利用图形的颜色变化或动态变化来进行展示，以及使用以提供信息为目的的文字进行展示。在这一点上，与投影映射有所不同。

二、基于沉浸的虚拟现实扩张

虚拟空间突出了虚拟区别于实际的最具特征的性质，是没有实物却能视而不见和感觉到的虚构世界。虚拟现实虽然与现实有很多相似之处，但可以理解为并非现实的另一种现实，是一种现实的再现。但是，媒体技术的发展使虚拟现实变得更加真实。因此，现实和虚拟现实是现实和虚拟物体混合的现实。也就是说，出现了比虚拟现实展现的世界还要逼真的“超现实”（hyper-reality）。

随着数字媒体的发展，从现有媒体叙事扩张为数字叙事新概念。在数字叙事中，最重要的是用户能够体验到的“沉浸感”。用户也可以从小说、电影、电视等传统媒体中获得沉浸感，但是数字媒体具有的媒体特性是，比现有媒体更直接、更强的投入度，能够最大限度地调动用户的满足感。为提高数字媒体的沉浸感，需要以下几点要素：

第一是通过空间或环境的变化，可以提高用户的投入度。通过构建虚拟空间，自然而然地让使用者知道自己已经进入了这个空间内，来加大使用者的投入度，可以举出游戏中的虚拟空间等例子。

第二是可以通过用户的参与进行投入。导演通过用户的直接参与，或者利用角色或者表演者的间接参与，使自己更加投入到内容中。

第三是通过内容的叙事结构来提高投入度，随着事件的展开而发生的叙事的变化，对用户产生共鸣、集中、沉浸。

传统的叙述方式中沉浸感是在叙事过程中以虚拟空间引导观众的最有效的方法。在数字技术领域中沉浸的基本原则可以成为实现混合现实追求的目标——虚拟世界扩张的基础。

根据上文所提及到的叙事的沉浸要素为基础，在3D实物投影上可以对作品沉浸的要素进行分类。沉浸要素大体可分为根据展示环境和作品的演出方式等外部因素和作品中影像的内容等内在因素。本研究希望通过外在因素实际展示空间和影像的融合方式、表演者和观众之间的作用结构和作为内在因素的作品中影像内容的叙事结构这三个方案，来分析3D实物投影的现实性扩张方式。

三、投影映射的虚拟现实表现特点

（一）现实空间与虚拟空间的跨界融合

数字媒体在展示设计中的可能性还远远没有释放出来。数字交互内容往往是在显示设备的界限之内实现的。[1]3D投影在现实空间的立面上投射影像，从而扩张了真实感。早期的3D投影如在建筑物的一侧表面进行影像投射，但存在限制观众视野的局限性。现如今为了让立体感的效果最大化，空间中通过多台投影设备可以实现多面立体投影，且能够实现关联影像投射，使视野角度限制的最小化。建筑表皮互动投影艺术的出现实质上就是建筑表皮的媒介化进程。建筑表皮借助新媒体艺术，在建筑、环境艺术与受众之间搭建了一种无形媒介载体，去实现信息表达。

（二）作者（表演者）与受众的交互作用

随着计算机运算能力的飞速提高，交互性特征将从交流对话提升到以交互体验为主的方式，互联网与虚拟现实技术增加了交互体验的感知能力，艺术作品与受众之间可以共享解读作品的愉悦感。[2]3D投影作品的初期，表演者和观众的关系大部分是处于单向的信息传输。随着技术与审美的嬗变，这种关系近来正在发生改变。如表演者登场让观众们间接的得到体验，或通过增加相互交流的要素让观众与作品之间产生相互作用。数字技术登场之后的虚拟空间完美地再现了在艺术中不断追求的虚拟概念。如今艺术中的虚拟空间改变了传统作品中空间的概念。传统作品中的空间是艺术家和受众进行沟通和相互作用的空间。通过数字技术扩张的艺术作品空间里，交互作用是作品与观众沟通的新方式。在欣赏作品时，通过对受众嗅觉或触觉的刺激，能够增强受众的感官体验。表演者会根据受众的行为和感觉做出相应的反应。

（三）影像内容的叙事构造

与传统的城市亮化景观相比，投影映射的动态影像内容表达更直观且具象，能够更有效的对受众进行信息传播。从传播学角度看，这种具有独特叙事手法的影像故事内容无疑是文化内涵传播的创新方式，让受众能够更有效的接受。3D投影作品初期的影像内容集中体现技术本身，以图形要素单纯的动画效果为主，但最近作品具备了简单的叙述结构。在叙事过程中，不同于传统的线性叙述方式，观众可以拒绝单方面的接受，并把作者主观的故事分析成观众可以进行加工、变形、体验的环境。在媒体艺术中，作者的故事传达形式将为观众带来多样的感觉。

四、结语

艺术因数字媒体的应用而改变了材料的性质与样式。数字媒体的出现在包容传统媒体的同时，也试图对艺术作品的表现方式进行改变。艺术的表现不仅以空间形式结束，还重新规定了与容纳艺术的观众之间的沟通和关系。特别是，艺术审美的接受方式的变化追求艺术领域和观众对作品的感知的变化，并且提供与传统艺术方式完全不同的艺术体验机会。3D投影映射作为利用新媒体进行全新展示的手段，或者作为新的宣传手段备受关注。多样化的作品层出不穷，为了完成更强烈的视觉效果，作品在各个方面都有强化的趋势。为了摆脱局限的视点，不断出现在多样的视点也可以欣赏或实时对观众做出反应的交互式要素，影像内容也不是简单的图形效果，而是重视叙事。为了摆脱对技法的新颖感关注的一时的流行趋势，成为为体现虚拟世界的混合现实的新方案，尤其是加强此前一直被相对疏忽的影像内容本身的叙事结构，最大限度地提升沉浸感的方法将是非常有效的。希望在数字媒体艺术赋予新艺术空间不断扩张与持续发展过程中，本研究能够起到促进作用。