VR技术在数字媒体艺术专业教学中的应用：现状、创新、趋势

苏凯，张亚斌，咸丽楠

（1.北京开放大学，北京 100010；2.中国劳动关系学院，北京 100048）

20世纪80年代初，美国VPL探索公司创始人拉尼尔（Jaron Lanier）提出了Virtual Reality，即虚拟现实这一概念，其具体内涵是：综合利用计算机图形渲染技术、传感器技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术等，生成具备真实模拟现实的三维互动沉浸式环境。用户以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，极大扩展了人类认识世界，模拟和适应世界的能力。［1］经过几十年的发展，目前，该技术已获得了长足的发展，成功应用于医学、娱乐、军事航天、工业仿真、应急推演、文物古迹、教育展示等领域。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。2018年4月教育部印发了《教育信息化2.0行动计划》，计划指出：“以国家精品在线开放课程、示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，加强大容量智能教学资源建设，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间”。［2］让VR虚拟现实技术在教学中的应用，成为教育界的一个关注焦点。虚拟现实技术可以模拟出近乎真实的虚拟空间，能够提供沉浸式的体验。数字媒体艺术专业作为一个技术与艺术深度融合的前沿专业，在VR虚拟现实技术的应用方面已经较为广泛，尤其是在作品展示、创意表达等方面，数字媒体艺术专业与VR虚拟现实技术的创新应用可有效解决学生的三维立体空间的表达，戏剧场景建模、动作骨骼绑定等教学难题，为教学改革提供了更多可能。随着技术的进步，VR虚拟现实技术软硬件的不断研发，应用与数字媒体专业的各个教学环节将成为可能。

一、VR技术在数字媒体艺术专业教学中应用现状

虚拟现实技术通俗来讲是传感设备联合输入设备，通过数字技术模拟，形成逼真的、立体化的、虚拟的具有交互功能的“童话世界”，这种虚拟的空间可以通过硬件设备与人进行交互，犹如身临其境，提供真实感的沉浸式体验。虚拟现实技术能够实现上述表达的核心为：一是真实性，虚拟现实技术模拟真实建模，并按人的主观意志真实表现世界，河南科技大学李敏教授把这种真实性表述为：多感知性，即除视觉感知外还应该有听觉、触觉、运动、味觉、嗅觉等人所具有的一切感知功能；二是交互性，人在体验虚拟世界的同时可以与之进行类似现实世界的真实交互体验，例如，体验者可以去推开虚拟房间的门，这时手应该有相应的阻力感，虚拟环境中的门应该随着手的力量大小做快慢的转动；三是沉浸感，人在虚拟环境中改变了电影式的单一视觉感受，能体会到360度的强烈包围感和凝视的快感，理想的虚拟环境应该还有味觉和嗅觉感知，比如虚拟环境为大海，应该能感受到海风和海水淡淡的盐腥味。

1.VR技术的应用现状

随着VR虚拟现实技术的不断发展，硬件设备的不断成熟、价格越来越亲民，被大规模应用到教学一线是教育信息化的必然趋势，对应于教学使用的话，可以根据预算的不同选择不同的硬件设备，目前市面上可供选择的设备分为三种：一体机头戴显示设备、PC端头戴显示设备、移动端头戴显示设备。一体机头显是把计算装置放入VR头盔中，拥有独立的CPU、陀螺仪、显示屏幕等，直接在头盔内完成从运算、渲染、显示等流程。它的优点是可以摆脱了外置设备，有独立完成输入和输出功能，但是受体量和电池等影响，显示效果较弱，体验感较差，成本和技术门槛较高，代表产品为灵境小黑。PC端头显，是头盔连接PC主机作为计算设备，目前最能体现虚拟现实技术的内涵，演示效果最好，但是需要和计算机共同使用，空间约束明显，灵活性差且价格高，代表产品为：Oculus。移动端头显就是VR眼睛盒子，手机等作为计算和屏显设备，头盔内放置光学镜片，它的优点是体量小、方便移动、价格低、具有普及优势，缺点是呈现效果较差，代表机型为：三星Gear VR。从虚拟现实技术在教学的实际应用情况来看，如何发挥设备的合理性、普遍性使用为最大考量指标，PC端头戴显示设备较为适用教研室教学，同时配备数量较多VR眼镜盒子，确保虚拟现实技术在教学环节的充分利用。［3］

表1 主流VR产品性能参数对比

2.VR技术在教育中的应用现状

虚拟现实技术在教育的应用西方发达国家起步早，成果显著。上世纪80年代，美国就已经建立了VR教育系统，北卡罗来纳大学计算机系是研究虚拟现实技术与教育应用最早最著名的机构。在欧洲，虚拟现实技术在教育中的应用研究也比较早，在1985年，汉诺威大学（德国）就建立了虚拟自动化实验室，帕瓦多大学（意大利）建立了远程虚拟教育实验室。爱尔兰、英国、瑞典、荷兰的研究也是比较领先的，纽卡斯尔中学（英国）建立了Dimension…International（国际维度）的技术为基础的虚拟现实软件包，探索用虚拟现实进行外语和工业安全培训的方法。［4］Broughal镇（爱尔兰）的一所学校耗时两周，用OpenSim来重建包围在墓地中的古老修道院克朗麦克诺伊斯的废墟，然后利用Oculus来对这个遗址进行探索，瑞典大学的精神病学教授使用VR治疗社交焦虑症或恐惧症患者，使用虚拟现实治疗幻肢痛，让患者用虚拟的肢体完成游戏。

我国的虚拟现实技术在教育中的研究应用起步较晚，和发达国家还有很大差距，但现在已经引起国家相关部委的高度重视，并把虚拟现实技术的相关研究列为重点攻关项目。国内的重点高校也积极投身虚拟现实技术的研究工作，像北京航空航天大学计算机系研发的用于飞行员训练的虚拟现实系统；清华大学国家光盘工程研究中心制作的“布达拉宫”；浙江大学CAD＆CG国家重点实验室开发出的一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术——立体显示进行了深入研究……。作为以现代信息技术为支撑面向成人开展远程开放教育为政策定位的开放大学体系来说，深入研究虚拟现实技术在教育中的应用更为迫切，开展远程开放教育的前提是教育资源整合集成、现代信息技术与教育教学深度融合。虚拟现实技术的应用必然会提升网络课程的吸引力，为在家学习的学生提供逼真的、生动的学习环境，提高学生的学习兴趣，打破时间和空间限制，时时能学，引导成人学习者更好的完成学业。

3.VR技术在数字媒体设计专业教学中的应用现状

数字媒体艺术专业是一个新专业，2012年教育部新修订的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》中，它的学科门类归为艺术学的设计学（专业代码1305），媒体强调其立足于传媒行业，艺术则明确其所针对的是艺术作品创作和数字产品的艺术设计等应用领域。［5］体现了社会分工的细化、融合和时代的进步发展。其基础课多以绘画为基础，以图案图形、构成为纲线的模式，专业课培养宏观的数字媒体设计专业认知和专业概念，根据方向分为：数字游戏设计、数字影视制作、网络媒体设计等方向。以北京为例，开设数字媒体专业的高校有很多，比较有影响的有：清华大学美术学院、中央美术学院、北京电影学院、中国传媒大学等，各高校根据自身优势开设不同的专业方向，以培养本专业高层次、复合型创新领军人才。其中，清华大学美术学院把虚拟现实应用作为了本专业的核心课程之一，中国戏曲学院把虚拟现实技术作为核心专业课之一，中央美术学院、中国传媒大学和北京电影学院也在本专业核心课程开设交互式影像、交互式装置与投影艺术等课程。数字媒体艺术专业与传统的艺术设计相比，具有交互性和虚拟性等特点，源于数字技术的发展，并融合了人文、艺术、技术等方面的学科，极具融合性和交叉性，数字媒体设计专业和虚拟现实技术的融合与其他专业相比已经极具优势，很多本专业的学生已经通过此项技术来展示自己的毕业作品，在举办的大型美术设计展览中也常见虚拟现实技术来助力设计者作品的呈现，比如：2017年，中国传媒大学数字与动画艺术学院升级改造了VR虚拟演播室并制作了一系列的三维动画作品；清华大学美术学院曾多次举办“艺术与科学展”，中国戏曲学院建立了VR虚拟实验室，并对校园进行了全景虚拟在线，开发了国戏校园全景虚拟漫游。“2018北京第二届网络教育年会”在北京开放大学盛大开幕，并把“大数据与人工智能驱动开放教育的未来”作为大会为主题，开放教育也向交互式、虚拟现实技术迈开步伐。虚拟现实技术在数字媒体艺术专业的教学应用方面还是比较有限的，只限于把虚拟现实技术作为专业核心课程来学习，有条件的高校已经建立起相关的实验室、演播室，并做了初步的尝试，并在投入较大、较为重点的展览展示中得以应用，但是并未融入数字媒体设计专业教学的其他环节，比如专业核心课程的VR视频课程等。

表2 VR技术在数字媒体设计专业教学中的发展应用现状

图1 中国戏曲学院校园全景虚拟漫游

图2 清华大学美术学院2014级研究生王丹旸YES YES YES NO.2 VR影像作品截图

虚拟现实技术在教育行业的应用越来越受到关注，工信部发布的《2016年虚拟现实产业发展白皮书》指出VR在教育领域应用比较少，同年，发改委联合工信部发布的《智能硬件产业创新发展专项行动》指出：支持硬件企业面向教育需求，在远程教育、智慧教室、虚拟课堂、在线学习等领域应用智能硬件技术，提升教育智能化水平。2018年4月份教育部印发《教育信息化2.0行动计划》的通知，通知提出：“适应5G网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求，以增强知识传授、能力培养和素质提升的效率和效果为重点，以国家精品在线开放课程、示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，加强大容量智能教学资源建设，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间，积极探索基于区块链、大数据等新技术的智能学习效果记录、转移、交换、认证等有效方式，形成泛在化、智能化学习体系，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程，打造教育发展国际竞争新增长极。”［2］明确把虚拟仿真实验教学项目、虚拟工厂（医院）等智能学习空间作为发展重点，这些指导文件强调了发展虚拟现实技术融入教学的政策支持，并铺平VR+教学的研究道路，为革新传统教育教学模式，更新教学手段提供了可能。作为融合计算机科学技术与艺术的前沿专业——数字媒体艺术，如何把虚拟现实技术深入融合到教学，转变教学观念，提高教学手段，创新教学模式，强化教学效果，是我们应该积极探索的。

二、VR技术在数字媒体设计专业教学中的应用创新

数字媒体设计专业的教学基本上以PPT多媒体课件为教学手段，这种较为传统的教学方式正面临挑战，以VR虚拟现实技术为基础的VR课件正在不断进入课堂，这种课件形式更加新颖、立体，有效提升师生的体验感，VR课件的互动性也积极引导学生的探索欲望，避免被动的灌输知识。杨周阳老师在他的论文中详细描述了深圳泰安教育科技有限公司设计开发的VR课程和VR实训系统，该课件以机器人和汽车讲解为主要内容，师生可以转换教学内容，机器人和汽车每个部分都可以在自由拆分，每个部件的工作原理演示清晰，另外重型货架组装训练系统可进行虚拟实训，避免在实际操作中存在的潜在安全隐患，虚拟课件的交互性也可以反馈学生在操作中存在的问题，帮助老师解决教学中的重点、难点等问题。随着VR硬件设备的不断成熟，价格不断下探，VR+教学的模式探索也越来越具有可行性，数字媒体艺术专业在教学环节积极实验VR技术的应用，有更为有利的影响。

1.VR技术提高学生空间造型创意能力

不管是网络媒体设计、数字影视制作，还是数字游戏设计，基础课中的三维构成课都是必修课，很多同学空间想象力较为欠缺，对三维空间的设计手法难以理解，对以后专业核心课的学习产生了比较大的影响，教师利用虚拟现实技术让枯燥的理论和抽象的艺术知识可视化，生动化，帮助学生建立立体空间思维的基础，让学生更加感性的去体会不同组合下的三维立体构成和空间信息，并对学生个体化差异和思维习惯，积极引导学生虚拟现实空间中通过交互功能创作不同主题、颜色、材质和设计理念的立体构成作品，让学生受到启发后能开启智力，发挥创意能力，让基础课为专业核心课做好坚实的基础。这种具有沉浸式的、高体验感的、互动式的教学手段，会大大提高学生的学习兴趣和学习效果。

对于数字媒体设计专业的学生而言，立体造型能力、各种平面设计到三维转换能力、融入各种媒介的协调度等一直是评价一个学生是否优秀的关键，尤其是在专业核心课中会有人物形象设计、戏剧场景设计、产品造型设计等，这种抽象的、不具有唯一评判指标的创新能力的教学很难用可视化的方式准确的对学生加以个性辅导，很多学生无从下手，此时VR虚拟现实技术的介入可以很好的帮助解决这一教学难点，很多设计工作都是通过电脑来完成，我们可以把Maya、3D或是RHINO建模、材质、灯光、镜头运动轨迹、骨骼绑定等相关演示最终以虚拟现实的形式输出，这种输出文件可以在虚拟现实技术的设备上随时呈现，这种教学演示让学生充满兴趣。把设计模型制作作为虚拟现实技术与设计教学的对接口，可以改变重难知识点教学的单一性和局限性。

图3 Maya制作的虚拟戏剧场景，作者：DayDreamSue

2.VR技术提高学生创意设计灵感思维能力

创意设计的难点在把新奇的想法实现出来，教师的作用是启发、帮助学生把自己的想法用最佳的可视化的方式表现出来，虚拟现实技术可以有效的解决这一难题，学生把设计作品通过虚拟现实技术设备展示出来，对作品可以进行全方位的审视，思考自己的创意是否完全实现，并不断优化自己的作品。这种学习、设计制作、不断推敲修改的探索过程，可以让学生提高空间思维和设计能力，培养他们把创意思维转变为设计作品的能力。让教与学从传统的批改作业反馈式提升到自主探索设计内涵和设计原则的高阶层训练。

3.VR技术提高学生设计作品的情境操作能力

一个好的数字媒体设计作品呈现是可以引起共鸣的，他的设计制作过程也是非常繁复的，一款游戏出品、一个创意广告的呈现、一个交互式网页的上线，都需要经过一遍遍改稿，一遍遍推翻，这个过程往往也是其他人看到呈现出作品后最想看到的轨迹。此时虚拟现实技术的介入，可以将这些过程记录下来呈现给观众，让观众更了解学生的设计理念和设计呈现步骤，让设计评价的过程更加客观性和真实性，让作品有他的成长轨迹。学生设计作品具有交互功能本身便是一个设计手段，并以此来传达自己的创意思想，例如山东工艺美术学院45周年校庆展览现场展示了一件VR作品——《劳动者》，作品设计阐述中说：生活中人们时常会对他人的身份与职业充满好奇。我们利用VR虚拟技术，当观众在三角形镜面屏幕前驻足，观众的身体影像会被即时捕捉、拍摄，进而通过计算机实时生成工人、农民、警察、厨师、矿工等不同身份角色的动态影像，通过AR增强现实技术让体验者的每一个动作都镜像式呈现于其中。这组向劳动者致敬的VR作品着实吸引了一大批观众排队体验。这种具有交互性增强现实的VR设计作品，一方面立意新颖，让观众作为自己作品的一个参与元素，一个互动的主要参与方，身临其境，参与设计过程，会有不一样的体验感受。另一方面互动性的运用，让VR技术展示了他的魅力。

图4 张光帅、张牧、李元军、陆泰山等人制作的《劳动者》VR装置截图

三、VR技术在数字媒体设计专业的应用趋势

随着虚拟现实技术的不断发展，融入数字媒体设计专业教学各个环节是未来的发展方向。以后的数字媒体专业教学会借助虚拟现实技术来呈现专业知识的可视化和交互性，让学习者乐学、易学，并借助虚拟现实技术的特点发挥创造力和想象力，能有效缓解教学者的教学压力，并获得较好的教学效果。虚拟现实技术如何更好的助力数字媒体艺术专业的教学，还需要在硬件和软件上不断开展研究工作。其具体发展趋势是：

1.VR技术的五维建模性

目前虚拟现实中实时视景生成采用可见性判定和消隐技术、细节层次模型LOD、基于图像的图形绘制技术、场景分块技术、预测计算和脱机计算等软件加速方法［6］，其中图形生成速度和复杂场景的图形生成准确性是虚拟现实的重要瓶颈之一。通过三维软件在计算机上建立三维模型，利用虚拟现实技术进行模型展示，是另外一个重要途径，但是VR建模是一个工作量大，非常繁重的工作任务，需要开发者大量的人力物力的投入，［7］目前还未解决这一难题。我们可以重点发展动态环境建模技术和实时虚拟三维图形生成和显示技术，例如，我们可以手持数据采集设备，对一个设计作品360度数据采集，采集的数据通过计算机的运算建立它的虚拟环境模型。这种实时采集、生成、显示的装备是教学中急需的设备。

2.VR技术的设备智慧性

虚拟现实技术作为新兴的人机交互技术，让学生能进入计算机模拟的虚幻世界，但如果在触觉、听觉、味觉等感官上给学生以刺激，获得“看起来像真的，听起来像真的，闻起来像真的、摸起来也像真的”的全方位感受，新型交互设备的配套设计研发就要比较迫切了。目前在视觉、听觉感官刺激上已经较为成熟，在触觉、味觉等感官刺激上目前还较为欠缺，让使用者在视觉和听觉上获得较大的满足，但是在触觉和味觉上缺少刺激，容易陷入像真实又出戏的尴尬情绪。在这种情形下，就要求研发者重视虚拟现实技术全方位的感官刺激，做到真正沉浸式体验。目前，交互设备种类少、性能差，沉浸感不足，开发性能优良的、质优价廉的数据手套、数据服装、声音产生器、气味挥发器等成为未来研究的一个重要方向。在专业教学中我们会建立很多的虚拟动画、游戏场景，场景中会有声音、气味、温度、空气湿度等，如果我们和场景中的物品交互，还要有触觉感受、质感反馈等，VR虚拟技术通过数据服装、声音产生器、气味挥发器等装备更好的模拟真实场景，获得真实的沉浸感受。这种造价低廉、使用便利、移动方便、性能优良的虚拟现实技术具有智慧性能的设备也是未来研发的重点。

3.VR技术的网络共享性

网络分布式VR（Distributed Virtualreality，DVR）的应用。各个数据库应该采用统一的标准、结构建立，通过互联网把多个VR系统或仿真器连接起来，形成统一的数字媒体艺术专业教学资源库，1999年开始举办的IEEE ISMAR（International Symposium on Mixed and Augmented Reality）是专门协调、讨论虚拟现实增强技术标准的国际会议，［1］建立国际统一标准是未来的发展方向，分布式虚拟现实增强技术也是未来研究的热点和发展方向，而且这种技术的实施会减少因重复建设带来的人力物力投入。

4.VR技术的平台兼容性

传统数字媒体艺术专业的教学中较为主流的造型设计软件有：Rhino（Rhinoceros犀牛）、Maya、3ds Max、Softimage/XSI、Lightwave 3D、Cinema 4D、PRO-E等［8］，这些软件在建模过程中，多以呈现透视关系的三视图，在传统的三视图模型局部部位不能达到正等轴测图的参考中，VR技术可以有效解决这个问题，像Rhino软件在场景建模、材质、光效结束后，渲染采用KeyshotVR5.2软件，设置互动功能，生成KeyshotVR文件，可以在VR设备中呈现，也可以在HTMLS5的Web网页浏览器上呈现。这是较为简单的设计软件和VR技术的平台兼容的教学步骤，但是像其他更为高端的空间三维软件在VR技术平台完美的兼容方面尚未实现即时设计、即时呈现，相关的技术壁垒还没有打破，设计、输出、展示环节衔接不畅。目前VR技术多用于成果展示、体验环节。提升VR技术平台的兼容性，融入数字媒体艺术专业教学的各个环节，让设计的全过程更直观、真实、便捷。

四、结 语

2014年9月夏季达沃斯论坛上李克强总理提出，要在960万平方公里土地上掀起“大众创业”“草根创业”的新浪潮，形成“万众创新”“人人创新”的新势态。［9］如何培养数字媒体艺术专业的学生利用VR技术及专业所学，找准突破口，开发出适应市场，消费者喜爱的VR游戏、VR视频体验、设计方案VR展示等创业项目也是教育者应当考虑的。据此可知，对VR虚拟现实技术在数字媒体艺术专业的应用现状、创新发展所做的案例研究，有助于我们深入把握VR虚拟现实与数字媒体设计专业未来融合发展的必然趋势，进行数字媒体专业的教学改革，通过崭新的教学思维方式极为改革路径，突破传统“教与学”模式的局限及其专业教学的发展瓶颈，让数字媒体设计专业的教学理念和手段更具有创新性和前瞻性。不过，由于数字媒体设计教学具有专业自身的技术特性，因此，作为新兴的前沿专业，如何在其中体现学生学习的自主性和参与性，就显得尤为重要。如何充分利用技术变革带来的红利，尤其是以虚拟现实技术为代表的这些适用于数字媒体专业发展创新的教学新手段，推进VR虚拟现实技术与本专业教学的深度融合，真正实现从作品展示阶段迈入融合应用阶段，也就显得十分地迫切，因为这不仅有利于其实现重点教学环节的实践应用，更要达成常态化应用，促进该专业的教学模式改革［2］。

当前，VR虚拟现实技术软硬件的不断发展创新，逐渐改变了VR虚拟现实技术在数字媒体设计专业的教学中的普遍应用存在一些难题，如：教学内容与硬件不匹配，缺乏专业的人才对软件技术进行转换开发；没有形成本专业的教学信息资源库；高校的虚拟现实实验室建设不同步；长时间的穿戴设备会引起部分人的眩晕等。因为毕竟正是这些问题的存在和作用，造成VR虚拟现实技术只少量用于大项目教学成果展示环节，没有普遍应用于数字媒体专业的教学环节。所以，随着技术的不断革新进步，教育产业的资金投入逐步加大，技术与教育的不断融合，必然促进VR技术突破技术壁垒，向深度教学模式改革方向发展，这十分有利于其融入数字媒体设计的教学环节，改变传统教学课堂、教学方式的局限，激发学生的专业学习兴趣，提高其创新思维能力，丰富其艺术表现手段。同时，也能提高教师深入的开展数字媒体设计课堂教学工作，使其通过更加开放的、现代的现代教育技术方式构建，展现数字媒体专业的教学全过程和文化魅力，从而最大限度地提升其核心课程知识和信息的交互性，让数字媒体专业真正办成具有媒体技术专业特色及其教学方式的前沿专业和朝阳专业。