基于虚拟仿真实验的美学运用研究*

任宏伟 朱冠达 欧阳鼎 蒋智丽

（1.四川美术学院设计学院,重庆 401331;2.重庆文化职业艺术学院,重庆 401320）

虚拟仿真技术是指以一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，其实现方式主要包括虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、融合现实（Mixed Reality，MR）、扩展现实（Extended Reality，XR）、计算机模拟、三维建模、数字孪生以及全息投影等技术[1]。在虚拟仿真技术不断发展的今天，得益于虚拟仿真技术的交互性、沉浸性的优势，其能够为使用者带来“身临其境”的感官体验，虚拟仿真技术已被广泛运用于医疗、教育、文娱等各行业领域。

而对于虚拟仿真实验的研究主要集中在系统的设计与开发方面[2]，仅少数文章的研究内容探讨了虚实相结合的科研及创作模式，以及虚拟实验效果反思。虚拟仿真中的美学运用能为使用者带来良好的感官维度的体验，特别是视觉体验，而针对虚拟仿真实验中的美学运用、创作方法研究更是少之又少。伴随着体验经济时代的盛行，如今的消费者不仅仅满足于“使用”虚拟仿真技术设备，更注重于虚拟仿真技术可提供的“体验内容”，体验已经成为这个时代的关键词[3]。

因此，对于虚拟仿真实验中的美学运用、创作方法研究值得探讨。对于数字美学体系的初步架构主要集中在2000年之后的十余年间，架构内容也主要基于传统美学体系之下对数字美学的探讨。自2014年至今，对数字美学体系的架构与之前相比也都大同小异，观点缺乏突破创新，而如今的人工智能和虚拟仿真体验与之前数字美学研究的环境相比具有一定的差异性。虚拟仿真中的数字美学是从美学的角度来研究虚拟仿真技术的运用，同时也要从虚拟仿真技术的特征审视美学。因此亟待探索基于虚拟仿真的数字美学运用方法，尝试拓展美学研究边界，为补充数字领域的美学体系奠定一定基础。通过前期的设计实践以及研究，笔者将基于虚拟仿真实验的美学运用创作方法划分为数字转译、体验整合、创作与技术路径三个部分，针对每个部分结合实践进行了阐述与分析。

一、虚拟仿真中的数字转译

在虚拟仿真空间中的艺术创作并不是简单地将现实世界原封不动的进行“移植”，应结合创作目的以及所选虚拟仿真技术的特点进行分析，通过数字化的手段对现实世界进行数字转译。因此，数字转译是虚拟仿真实验中的美学运用核心。

以传统中国壁画在虚拟现实技术中的数字转译为例，传统中国壁画的形式语言深深扎根于东方审美体系，包含透视、造型、比例、线条、色彩、结构等多种方面，而当这些形式语言转译到三维空间这一体系中时，其不可避免地会产生“信息差”与“信息偏移”。因此在同样的信息通道下，如何完成两种信息的转译便是传统壁画三维化要解决的问题之一。

张加万，王巧雯（2018）在敦煌壁画中建筑的数字化再现与重构的研究中建构了敦煌壁画建筑“信息维度”模型[3]。基于此维度模型，笔者从意象维度、形象维度、具象维度三个维度去分类壁画进行数字转译时所涉及的信息。

（一）意象维度

首先是基于文字的意象维度，其包括描绘对象相关的文字信息，包含各个描绘对象的名称、相关故事文献、基于其的文化内涵、对其的描述等。以榆林窟第三窟文殊变帝释头像的数字转译为例，其意象维度具体包含帝释、帝王冠服形象、通天冠、通天冠形制、佛经、文献资料等文字信息。其身着帝王冠服，对应佛经中的描述是为帝释，依据壁画绘制的朝代和造型特点，确认其所戴头冠即为古代帝王冠服中的“通天冠”一类，依据这一信息可以搜索古代对于朝天冠的形态描述，这些文字信息均可与壁画绘制的通天冠的形制大致进行对应。同时这些文字还可以为壁画中描绘不清、概括省略、风化缺失的部分提供补充和帮助理解。

（二）形象维度

形象维度既包含描绘对象的壁画图像本身，同时又包含同时代壁画对同一类对象的描绘和不同时代壁画对同一类对象的描绘，根据本文所选壁画数字转译对象，其形象维度具体包含但不限于能展现出事物本身的演变、绘制技法的变化、不同角度的样貌等多种信息、文殊变壁画、各种帝释壁画形象、不同壁画中的通天冠、中国古代书画等图像信息。在观察所选对象的原始壁画时，可以获取人物的面目表情、眉眼关系、面颊胖瘦，通天冠的形态和结构比例等信息，这也是壁画进行数字转译时最主要的参考。但原始图像也仅仅只能提供这一视角的信息，对于其他视角没有绘制到的部分，就需要参考文殊变壁画中其他人物在不同视角的形象，以此作为数字转译时其他视图的信息补充。

（三）具象维度

具象维度包括绘制壁画过程中所参考的现实对应之物，以及衍生出的塑像、石刻等都属于描绘对象的具象表现，这根据本文所选壁画数字转译对象，其具象维度具体包含古代通天冠实体形制、佛教造像、大足石刻、敦煌塑像等实体信息。壁画是依据佛经进行绘制，同时也会因当时的文化而产生变化，我会寻找壁画中相对应的朝天冠形制，根据不同时代的朝天冠来确定数字转译的形态和结构，尽量依据真实结构进行创建，使其结构更加合理。同时在某些壁画抽象、省略的地方，实物的形象就能提供更多的参考，通过实物理解结构后也能帮助推理出壁画未绘制部分合理的构造。

在壁画数字转译的过程中，三维与佛教塑像并不完全相同，塑像受制于材料和制作方法限制，对于结构的处理倾向于抽象、概括、扁平化、浮雕化、符号化。而在三维空间中则不受这些限制，可以制作更复杂的结构，因此在数字转译中也需要注意壁画三维化与塑像石刻之间的区别。

二、虚拟仿真中的体验整合

具有高度沉浸感的互动是虚拟仿真技术中的特点之一，而使用者与虚拟环境中的对象进行互动的过程中，往往可以为使用带来视觉、听觉、触觉等多感官通道的体验结果。在进行数字转译后，应对所创造的数字内容从以下几个方面进行体验整合：

（一）设计风格的规范性

在虚拟仿真中，视觉、听觉、触觉等各个感官通道体验具有相连性，因此需要有一个统一的设计语言和规范来保证各种体验之间的协调性。例如为了保证视觉体验的一致性，可以在虚拟环境中使用相同的颜色、字体、图标等设计元素。

（二）多样化的体验

虚拟仿真中的体验应以多样化为目标，从多感官通道满足用户的需求，带来良好的沉浸感，并激发他们的情绪感受。虚拟现实头戴式显示器或眼镜可以提供逼真的视觉效果，使用户感觉到自己身临其境，增强现实通过手机或眼镜等，将虚拟的数字物品与真实空间进行结合，为用户提供一种新奇的视觉体验效果。虚拟环境中的景物、物体和角色的设计、动画和特效等内容都可以影响用户的视觉体验。而对虚这些内容、物品中的光影、尺度、材质等效果的夸张、重构则可以增强用户的沉浸感。环境音效、角色音效、音乐等听觉通过的内容，则可以增加真实感，如环境音效技术可以使用户感觉到声音来自不同的方向，增强交互体验。虚拟环境中的物体的质感、硬度、弹性等属性可以通过触觉反馈技术进行模拟，让用户感受到真实的触觉体验。虚拟环境中的空间定位技术可以让用户通过手势、体动等自然躯体运动进行交互操作，这种具有自然性的交互方式增强用户的沉浸感。虚拟环境中的交互操作包括了头部追踪、手柄、手势识别等多种方式，让用户可以与虚拟环境中的物体进行互动。

（三）数据整合与分析

通过采集与用户体验相关的数据进行分析整合，可以得到用户在虚拟环境中的行为、偏好等信息，进而优化虚拟环境中的体验。量表问卷、眼动实验等实验方法通常可以帮助验证虚拟仿真技术中的用户体验。视觉感官体验作为虚拟仿真技术中最直观的信息传达方式，可以通过对所创作的数字转译内容进行眼动实验，分析被试者的视觉注意力，从而优化内容。笔者于前期的研究中[4]，对敦煌壁画的装饰图案进行三维、动态的数字转译，并通过眼动实验的方法与静态的敦煌壁画装饰图案进行对比研究，探讨其中的用户视觉体验。而经过眼动实验验证的具有高视觉注意力的动态敦煌壁画装饰图案，后续运用至三维投影、虚拟现实等空间中。

三、技术与创作路径

随着计算机图形学等虚拟仿真技术相关领域的快速发展，为虚拟现实、增强现实、混合现实等虚拟仿真空间中的艺术创作提供了丰富的路径，以及不同风格的可能性。因此，在虚拟仿真技术的艺术、设计创作技术路径的确定与规划决定着实现数字转译及使用者体验整合实施的完整性、连贯性。可从以下几个方面对技术与创作路径进行分析与确定。

（一）创作目标

不同的虚拟仿真技术具有不同的特性，同时对应着不同的应用场景，因此应在创作初期便明确创作目标及应用场景，从而选择相应的虚拟仿真技术。虚拟仿真技术产品可大致分为工具类与体验类两大类型。工具类多以训练、模拟为目标，通过搭建虚拟仿真空间满足使用者以功能性为主的需求，这一类的创作目标应以可用性为创作指导原则。体验类多以游戏、娱乐等为创作目标，通过在虚拟仿真空间中创作出一个基于现实但又具有一定构想性的虚拟环境，满足使用者以享乐性、情感化为主的需求，这一类的创作目标应在满足可用性的原则之上，更多考虑产品内容中的情感化的表达。以敦煌榆林窟第三窟壁画文殊变的虚拟仿真数字转译为例，本次创作的目标是期以通过数字化的方式，对中国传统壁画的数字创新探索路径及创作方法，研究二维平面的敦煌壁画转译为三维立体的壁画空间的可能性，同时通过信息界面的呈现，为使用者了解壁画内容中的信息时带来更具沉浸感、体验感的形式。

（二）设计系统架构

沉浸性、交互性是虚拟仿真技术的核心特点之一，也是用户在使用虚拟仿真产品时影响“体验”的重要因素。在目标确定之后，需以“系统”的角度对图形图像、信息架构、功能架构、用户交互界面等进行分析整合。以敦煌榆林窟第三窟壁画文殊变的虚拟仿真数字转译为例，针对“文殊变”壁画虚拟仿真的互动设计，为了更好地展现信息，需要对信息进行梳理和分级处理，使信息在虚拟仿真中呈现出清晰的层次感，便于观众理解和接受。这样做的目的是打破原有壁画信息传达的烦琐性，让信息更加有条理地展现在观众面前，从而提升用户的体验感。在进行文殊变壁画的三维化过程中，笔者收集、整理了大量的相关文献和图像资料。并将所收集的资料分析整合为三个层级。第一层级基于壁画的内容进行了基础分类，分为人物和环境两个大类。第二层级对两个大类进行了具体的细分，包括人物中的19个角色，以及环境中的山、水、建筑等。第三层级包含了更加具体的细节信息，如法器、服饰和特效等。这样的信息分层处理能够更好地理解信息之间的联系，以及为内容制作时的数字转译提供了更加清晰的思路和指导。

（三）内容制作

内容制作是虚拟仿真系统的创作技术路径中极为重要的环节。现今的虚拟仿真技术产品多以三维化为主，不管是虚拟现实、增强现实、三维投影，其中都包括了三维化、纹理制作、动画制作等多个方面。

首先是三维化，虚拟仿真中的三维化是指将现实中存在的对象、场景，或是基于现实所进行的艺术化创作构思等转化为数字三维模型的过程。这个过程可以通过多种路径进行实现，例如三维建模软件、三维激光扫描等使。应以最终的表现结果及实践可能性为指导，选择合适的三维化方式。

其次是纹理制作，纹理是指为三维模型添加贴图以及表面材质的过程。纹理可以让模型看起来更加真实、细致，同时也能够表现出模型的材质特性，如光滑、粗糙等等。纹理的制作可以使用专业的贴图软件进行制作。

最后是动画制作，动画是指为虚拟世界中的物体添加动态效果的过程。动画可以让虚拟世界中的物体更加生动、活跃，同时也可以为虚拟仿真系统中的用户提供更加丰富的交互体验。

虚拟仿真系统的内容制作需要结合建模、纹理制作、动画制作等多个方面进行，以达到更加真实、细致、生动的效果。同时，内容制作还需要根据虚拟仿真系统的应用场景进行有针对性的设计和制作，以提供更好的用户体验。

（四）整合封装

在虚拟仿真系统的创作技术路径中，整合封装至虚拟仿真平台是非常重要的一步，它将前期的模型、贴图、动画、信息界面、特效等多种内容创作进行有机的结合，生成一个完整的虚拟场景或产品，供用户进行交互或欣赏。简单而言，这个环节决定着能否将一个虚拟仿真技术产品概念转变为真实可行的程序。

在整合封装的过程中，需要将各个元素按照场景或产品的需求进行有序的组合，保证场景或产品的完整性和真实感。此外，还需要考虑到场景或产品的流畅性、兼容性和易用性等方面，以便让用户能够更好地使用和体验。同时，在这个环节应重视美术与技术的平衡，所创作的美术内容能否良好的与技术实现进行匹配，并进行相应的取舍与变化。

结语

今天的数字美学主要基于人们在屏幕端所具备的体验及审美经验，但在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）等虚拟仿真技术的环境下，具有交互性、沉浸感、场景化、非物化、游戏性等特点，数字审美也随之增加了新的条件，是一个全新的机会来探索数字美学的新样态、新特征，从而对美学体系进行补充。设计学科是一个注重实践的学科，一切理论的价值都在与指导实践，全新的、补充的美学领域的探索研究，会在数字媒体虚拟仿真设计运用的运用中发挥积极作用，从而开发全新的设计方法与路径。