动画视觉元素在教学类虚拟仿真系统设计中的应用

章凯

【摘 要】随着计算机软硬件的不断发展与普及，虚拟仿真技术现如今被更多的高校以及其他教学领域所关注，并将其应用到教学的实践中。但是在虚拟仿真技术的教学化实践中，常会发现较之娱乐类的虚拟仿真，这种严肃类的虚拟仿真系统往往存在着画面粗糙，交互方式单一等的缺陷，从而使得用户对此类系统的初始印象便停留在生硬刻板之上，以至于会降低使用系统的积极性，影响实际的教学效果。而动画表现元素的应用是对其较好的弥补。且动画表现元素正是两类虚拟仿真系统所存在差异的最主要问题。本文就分析动画视觉元素在教学类虚拟仿真中的应用。从动画的构图，色彩及景深等视觉元素为分析点，得到关于动画表现元素应用于严肃类虚拟仿真系统可供借鉴的实践依据。

【关键词】严肃类虚拟仿真;趣味性;艺术性

中图分类号：G642文献标志码：A              文章编号：1007-0125（2020）08-0101-02

一、构图设计在软件界面设计中的应用

软件界面即软件用户界面（User Interface），是用户与软件交互的界面接口①，用户可以点击相应的图标以实现软件制定的功能。当观察部分严肃类教学用的虚拟仿真系统时，我们不难发现其UI界面停留在设计刻板，缺乏交互性等问题上，图标按钮等在响应时只有最简单的反馈，缺乏互动性与趣味性。

为改善上述问题，在设计与制作时需融入了动画画面设计的构图设计理念。在设计前，我们需要知道的是UI界面对于该系统是辅助性交互接口，用户更加关注的是可供演示教学内容的实际画面大小，因此UI在画面中的比重不宜过大。

在针对主菜单的设计时，首先将需要在用户界面中体现的功能性按钮进行统计，准确的按钮数量也就决定了UI主菜单在画面中的基础布局，即菜单横置或者纵置，为了保证对于文字阅读的流畅性，我们需要在菜单中文本类的排版以横向从左至右的方式为优，对于按钮数量较少的菜单栏而言，可以试用横置的菜单布局（如图3-2-2）;如果数量较多，可以使用菜单纵置的布局（如图3-2-3），对于存在过多数量的按钮而言，单列或者单行则无法容纳，可以考虑使用二级菜单进行进一步分类，或通过创建下拉菜单的方式来处理，以保证菜单的美观，并不会过多地占用画面中像素。

在辅助性菜单或者信息提示框的设计时，依然要确保这些按钮或者提示框的辅助性，不能过多地占用画面像素。在放置这类图标时，可以使用围绕型或者置底型的构图形式。围绕型，即以画面中央为构图中心，围绕画面边缘进行元素的摆放（如图3-2-4）;置底型则忽略画面中心，以底边为基准，依次摆放相应元素（如图3-2-5），上述两种方案都是以保证画面的有效像素为前提而设计的，且尽可能地保证了UI元素在画面结构中的稳定性与均衡性。

综上，将动画的构图设计理念应用到虚拟仿真系统的UI设计中时，可以将虚拟仿真内容视为画面主体，各功能性按钮视为画面辅助性元素，以动画画面的主次元素构成原则为参考，即画面各元素在结构上都需以被摄主体物为视觉中心，在内容上都需要为被摄主体物服务为原则，对画面各元素进行主次结构与空间结构上的排序，在保证画面结构与稳定性的前提下进行针对性处理，由此可以实现有效地科学性地摆放多种元素，在不影响仿真系统说教功能的同时，实现了各种按钮的人机交互功能，对于整个系统最初的视觉印象有质的提升。

二、色彩设计在软件全局视觉传达中的应用

色彩设计对软件的全局视觉传达的影响包含了两个方面：用户界面的色彩指定以及软件仿真场景的色彩设计。这两方面的色彩指定直接影响了软件的整体色彩倾向，决定了用户对软件色彩的审美评判标准。

（一）对用户界面色彩指定的影响

将动画的色彩设计思维应用到用户界面的色彩设计时，需要考虑到用户界面的整体色相以及与提示性文本之间的叠加关系。第一、在处理用户界面的整体色相时，需要确定用户界面的颜色主基调，在主基调的基础上辅之以同色系的颜色进行具体设计。在动画的色彩设计中，需要以主体为中心，背景等辅助性图形都需要服从主体的色彩设定，不能抢占了主题在画面中的主要位置。这一点在用户界面的色彩设计上也同样适用，上文中提到，用户界面仅僅是作为用户与软件的交互接口，所以它是作为辅助性作用存在的图形按钮，因此，从确定主色调时就需要选择低饱和度的颜色作为主色调。同样，辅助性图标的颜色也需要以此为基本前提，在主色调的同类色中进行挑选并展开具体的颜色设定。在动画的色彩设计中，场景角色的色指定需要同时考虑到剧情发展或者人物设定等外部因素，在用户界面的色彩指定时，也需要考虑到软件自身所处的使用环境等外部因素。而该软件所应用的外部环境是教学场所，因此需要较为严肃的色相作为主色调，所以可以使用色相偏冷的颜色作为主色调，可以从感性认知层面加强此类软件的严肃性与科学性。第二、需要注意到用户界面的颜色与提示性文本之间的叠加关系，用户界面在设计之初就是方便用户与软件的沟通，所以大部分的UI按钮都伴随着提示性文本，并且这类文本往往是悬浮于按钮之上的。因此，在对用户界面的颜色指定上也需要考虑到按钮与文本之间的关系，在解决这类关系时最常用的解决方案即尽可能地扩大文本与底部按钮在颜色上的对比度，最大化的对比是黑白的对比，但这种对比是牺牲美感的设计。因此，我们需要在保证文本可被清晰识别的前提下，赋予主色调明显的色相，并在明度上与文本拉开对比度。

综上，在处理用户界面的色指定时，需要考虑到其与主体颜色的关系、与使用环境的关系、与提示性文字的关系等多种因素。使用低饱和度，偏冷色调，与文字有较强明度差的颜色，是针对此类严肃性教学软件的用户界面颜色指定较为优秀且不会犯错的方案之一。

（二）对软件仿真场景的影响

仿真场景作为该软件中所占画面比最大的组成成分，色彩设计显得尤为重要，恰当的颜色指定，合乎审美的冷暖对比直接影响到用户的使用体验，将动画的色彩设计理念以及设计技巧应用到仿真场景中主要体现在以下方面：

第一，需考虑仿真场景的色彩真实性，首先需要事先对所要进行仿真的场所进行实地考察，可以通过拍取照片或参考视频的形式，确立所处环境的基本色调，在进行具体场景构建时，需要保证画面美观的前提下，对素材的颜色进行明度或者饱和度上调整，在不牺牲场景真实度的情况下，尽量保持画面的整体性。其次，适当地增加画面的细节，可以通过调整物体的材质属性，让物体在体现固有色的基础上，表现出凹凸、高光与反光等属性;也可以通过改变物体的贴图，在贴图上增加杂色，或者纹理等效果。由此可以在保证画面色调统一性的基础上，增加场景的细腻度与可观赏度。

第二，需考虑各元素之间的色彩关系，场景的构建是众多物体与元素的组合，随即带来的问题即体现在色彩的指定上，上文我们提到可以参考实际环境进行主色调的设定，本节将从场景内部各元素之间的色彩关系为分析点，阐述如何合理地分配各元素之间的色彩关系。在做动画场景的色彩指定时，为了区分各元素之间的色彩关系丰富画面内容，通常的做法是增加各元素之间色彩的明暗与饱和度的对比，由此，可以在保证画面整体色相不会发生紊乱的情况下丰富画面内容。此类做法通常也可以应用到此类教学仿真软件的场景色彩设计中，在如图中的一个案例中（如图3-3-1，案例取自某高校虚拟仿真气象观测场项目），该场景包含了基础观测场与天空，为了能让用户更加直观地分辨出天空与绿地，这里的做法是将天空的蓝色增加了相应的饱和度，而没有使用现实生活中常有的灰蓝色，此外，为了增加画面的层次感，在天空的设定中，还增加云朵的设定，且将云朵的色相定义为纯白色，这样可以拉开云朵与天空的空间关系，进而加大画面的层次与细节。在此案例的另一个场景中（如图3-3-2），描绘了强对流天气来临前的场景状态，在这个场景中的设定中，人为地将天空乌云的明度进行了降低，与实际生活中的乌云有明显的差别，此举亦是为了考虑到云与云之间、云与场景之间的色彩关系，通过增加乌云与其他元素在明度上的区别，既可以更好地营造氛围，同时也增加了画面层次感。

第三，需考虑到环境所处的时空对色彩的影响，在动画场景中进行色彩指定时，需要考虑到场景所处的虚拟时空环境，如图3-3-3，所描绘的就是同一场景在不同时间下的状态。因此，在此类软件中进行色彩指定时也需要考虑到例如时间、季节等客观因素。

因此，在表达气象类虚拟仿真的色彩时，首先需要注重被虚拟场景的色彩真实性，只有保证色彩的真實性，才能保证该虚拟仿真的基础功能的正确表达。在此基础上，需要对画面各元素的色彩饱和度与明暗进行进一步调整，以符合虚拟环境的时空属性，从而达到色彩合理化与优化，以提升画面的美感与质感。

三、景深设计在虚拟场景中的应用

在该仿真软件中，如何正确地清晰地让用户观察到所要仿真的天气环境时，这就需要合理地摆放摄影机，以正确的景深让受众得到正确的信息，那么如何正确地确定景深，这里可以将动画的景深设计引入软件的镜头设计中，合理的景深设计可以在正确表达环境的同时，还能最大化地减少计算机的耗能，已达到用户体验的最佳化，其主要体现在以下方面：

第一，根据主体物合理地确定景深。在动画的景深设计中，通常需要根据主体来确定景深类别，大范围的场景描绘，会使用大全景或者全景的景深效果，在描绘人物或中型场景时，会采用中景景深，在处理特写或细节时，则会使用小景别配合大光圈以达到背景虚化的效果。此类景深设计方法也同样适用于教学类仿真软件的景深设计中，由于被描绘物为某种实验现象，而对实验现象的认定有时是宏观的，有时是微观的。因此，可以以具体的认定环境为参考标准去定义摄影机的景深。例如，在上文中提及的以表现天气为目的的交互软件中，表现雾、雨、雪、沙尘暴等天气要素时，大景别的景深更能增加天气现象的气势，也更符合用户的观察习惯。而在表现冻雨，结冰等天气现象时，可以使用小景别或者特写来让用户更好地进行天气的认定。在确定景深的基础上，可以更好地确定需要使用的粒子的大小与形态，能够保证使用较少的粒子，最低的计算机耗能去展现准确的天气现象。此外，还需要注意到的问题是，无论哪种景深的选择，都需要考虑到镜头末端的画面，避免出现不符合画面设定的错误存在，可以考虑使用环幕的设计放在场景的最远端，用来遮挡空白或者制作场景留下的工程痕迹。

第二，单一物体的多景深展现。在动画中，对重要的主体物，需要多机位呈现，在特写与全景之间切换，以给物体充足描写。在仿真软件中，同样也可以给物体进行多机位多景深的展现，但由于仿真软件存在交互性，因此，不能在同一画面中对景深进行来回切换，而为了让用户有更多的观察空间，可以采用画中画的画面布局，使用1+N的镜头模式，1指的是主场景，即在画面中所占比重最大的镜头，用来展现该物体的全貌形态。而N则指的是可以拓展其他的镜头，以容纳不同的景深画面。通过这样的画面布局，可以增加用户对天气现象的判定要素。在进行多景深的呈现时，依然需要考虑到计算机的耗能问题。

综上，在处理虚拟场景中景深时，要围绕“如何让用户更好地观察”为原则进行具体景深处理，这就要求我们需要根据被虚拟场景的实际空间体量为参考标准对主摄影机进行摆放;且为了方便用户的观察，可以适当地增加机位，以增加用户的观察与评定标准，从而更好更高效地实现此类软件功能性的表达。

四、结论

本文分析了如何提升教学类软件的整体美感，以及探讨了如何提升人机交互的趣味性，即将动画相关视觉元素的设计理念应用到仿真软件的系统中。作为教学用的虚拟仿真，在将动画的视觉元素设计理念进行转移变化应用的同时，需要保证该软件的基础性功能，即准确地严肃地进行科学知识的传播，方便快捷地辅助教师进行教学，简明扼要地促进学生对知识点的把握。在发生审美性与科学性之间的矛盾时，需以科学性为第一前提，纵使牺牲审美性，也要保证知识的正确传达。当下，传统教具已经很难再承担全部的教学任务了，大多数的软件都以满足教学任务的基础功能性为目的展开制作，忽视了在审美层次以及交互趣味性上的提升。本文的目的正是希望能够通过案例，总结出适用于提升此类严肃类虚拟仿真软件审美性与趣味性的实践依据。

注释：

①屠秀栋.浅谈UI设计[J].多媒体技术及其应用，2010，7：1706-1707.

参考文献：

[1]王威.论动画构图形式[J].芒种，2012，15：227-228.

[2]涂凌琳.动画制作的关键环节——构图设计[J].电视字幕，2009，7：13-17.

[3]姜胜辉，韩宗珠，林霖.虚拟仿真技术在海底探测教学中的应用[J].实验科学与技术，2015，5（13）：46-48.

[4]于凤全.虚拟仿真技术在航空装备教学中的应用[J].科技风，2010，3：20.

[5]张媛.UI设计中的视觉表现[J].大众文艺，2013，21：57-58.