浅析环境艺术设计实践教学中的VR 技术与应用

胡书灵（鲁迅美术学院 ，辽宁 沈阳 110004）

虚拟现实，简称VR（Virtual Reality），它通过硬件显示设备模拟展示虚拟的三维世界，并通过交互达到完全沉浸的体验效果。VR 集中体现了计算机技术、人工智能、电子传感、多媒体等多个领域的最新成果，让人类以亲身体验的角度实现与虚拟实境的实时互动。

一、VR 技术在艺术设计领域中的应用优势

对于艺术设计领域来说，超强的沉浸感与即时交互性是VR 技术在艺术设计教育应用中的最大优势。产品设计、环境设计、传媒设计等多学科都可以通过虚拟技术最大限度地展现成果信息。真实空间的体验能够满足多种设计行业对设计成果的想象、完成设计实践的效果展示。相对艺术边界的变幻莫测而言，美术学院的学术边界也正在悄然被突破，身份被重新审视，而这也是美术院校需要面对的新境遇，美术学院的艺术教育如何与当代艺术的发展亦步亦趋已经成为一个日益备受关注的话题。

二、我国艺术设计教育领域中的VR 应用

国家发展和改革委员会在2017 年发布了《国家教育事业发展 “十三五” 规划》支持各级各类学校建设智慧校园，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。新时代下高校的设计教育正在纷纷革新，其中与VR 有关的教学手段可以为其提供更有力的拓展，它可以提高学生的参与度和积极性，达到提升教学效率和效果的目的。就目前现有的技术发展水准来说，高校课堂实践中常用的VR 模式有以下几种。

1. 桌面式虚拟现实

桌面式虚拟现实技术可以突破课堂时间、教学场所和教学材料的局限。该系统主要包括VR 图形显示、效果观察和人机交互这几个部分，目前在各大科学研究机构它已经成为虚拟现实应用的重要手段。设计教育中也有应用在课堂上可以让教师和学生根据特定模块将知识任意转换为特定的教学内容，进行实操训练。

2. 沉浸式头显设备

VR 教学中，最初使用的是 “沉浸式头显设备”，用户佩戴头戴式VR 眼镜，通过交互性设备（手柄或手套）操作，与系统互动，将感官的体验暂时转移到虚拟世界中。因为早期的VR 技术以VR 眼镜的配套应用为特征，所以这种独立而封闭的交互体验在影视、娱乐、消费、军事、教育中都一直是重点研究和投入的对象。在设备的选择上，HTC 的设备阵容最为强大，HTC Vivo、Vive Focus 一体机等，性能都比较优质。

3. 场景搭建式沉浸技术的应用

目前场景搭建式沉浸技术在多种教育教学领域得到了广泛发展，它由初级的LED 显示屏和显示幕墙发展而来，特点是——由单人体验、操控，多人同时接收虚拟实境信息。这种场景搭建式沉浸技术可以解决VR 眼镜使用过程中信息不可共享的弊端，其效果受到场景面积、空间大小以及搭建技术的限制，目前广泛应用的实现方法有两种：第一，搭建LED “弧幕” 虚拟现实展示系统，结合光学位置追踪系统，对教学内容进行可视化互动。例如桂林电子科技大学的 “虚拟仿真实验室”，采用3D LED “弧幕” 虚拟展示系统，搭载DVS3D 虚拟现实软件工具，应用于艺术学院等课堂的教学实践。第二，搭建3D LED “三折幕”，结合光学位置追踪系统，对教学内容进行可视化互动。例如吉林建筑大学的 “建筑信息化管理实验室”，使用3D LED “三折幕” 沉浸式虚拟展示系统，在数据手套、虚拟手、3D 眼镜等交互工具的配合下，实现对建筑及环境设计的实训教学及设计验证，可以在建筑建造开始前就对整个建筑物结构及其环境进行全方面、多方位的了解。

4.CAVE 式洞穴沉浸教学模式的应用

这种教学模式需要搭建专用空间并使用大型沉浸式虚拟仿真CAVE 系统，结合光学位置追踪系统等硬件设备，最大程度的实现沉浸式教学。北京建筑大学建筑与环艺专业的虚拟现实交互实验室创建国内首个 “五面墙沉浸式虚拟现实系统”，结合DVS3D 虚拟现实协同设计平台，在历史建筑与文物的复原保护研究、辅助设计师进行建筑设计与表现及环境艺术设计教学等方面发挥了重要作用。

三、VR 技术在环境艺术设计教学中的应用体会及实践意义

在环境艺术设计教学针对Oculus 头显设备开发的教学型应用中，教师或学生先对室内外的空间环境进行设计，方案确定后使用3d max 或sketch up 建模软件建立基础模型并进行贴图，之后进入引擎渲染阶段将建好的基础模型导入Unreal 或Unity 中进行打光、调色、材质修改，并渲染整合，最后使用VR 头显设备来观察成型的设计作品。这时，学生可以综合室内家具摆放、室外建筑道路等多个因素，以人的视角对室内外空间进行感知，在自己亲手创造的室内外环境里畅游，这种教学方式的作用和意义是十分突出的。

1. 极大地提高教学效率

相关实验研究证明：单一图片和文字形式的教学传播，知识获取的效率大约为10%；多媒体教学模式下，知识获取的效率为30%；沉浸式教学模式下，知识获取的效率可以达到70%。由此可见，VR 技术的沉浸模式在信息的传播效率方面是有很大优势的。环境艺术设计教学中，VR 的介入可以让学生对自己设计的空间作品进行360 度全方位观察，除了可以有效的建立空间思维外，还能进一步提高效率，训练其分析模型和创造空间的能力。

2. 提升学生主动学习的兴趣

美国教育心理学家布鲁纳提出 “认知- 发现学习理论”，他指出学习是学习者主动的认知过程，而不是被动且机械式的接受学习。虚拟现实教学形式所带来的沉浸感与新鲜感，可以大大提升学生学习的乐趣。虚拟现实中的实时互动能够提升学生的主观能动性，边 “操控” 边学习。在自己设计的环境空间中畅游，使很多枯燥乏味的知识变得如同游戏一样有趣。

3. 提升实践能力

沉浸式体验能够提升环境艺术设计类学生对项目的实际操作能力，在教学的同时可以对学生的学习结果进行测试和训练，将例如 “人体工程学”、“质感”、“搭配”、“比例” 这样众多实际应用的知识即时的反映到训练中，这一点在传统教学中是无法直接做到的。

4. 激发创意思维

艺术需要创新，设计需要创意思维。数字艺术家头戴VR 眼镜在Tilt Brush 上进行三维的艺术创作，这从根本上改变了艺术发生的途径，更改变了艺术的思路。那么在环境艺术设计教育领域，VR 技术的介入必将改变我们在艺术设计教育中的思路，这种创新，也将更好的激发学生的创意思维。

四、环境艺术设计中有关VR 虚拟实境的实现原则

1. 虚拟实境的构图视角

虚拟实境的构图与传统渲染的方形框构图感觉不同，它的特点是世界围着观察者打转，因此虚拟实境构图应以摄像机作为基点，一切空间调度都围绕摄像机进行，形成所谓的“360 度第一视角”。此外在虚拟实境构图中还需考虑与交互性设备的结合，避免后期出现虚拟实境效果与理想效果发生偏差。但虚拟实境的出现并不代表推翻传统的美学构成原理，而是应该在继承传统美学构成原理的基础上结合虚拟现实技术输出设备做出调整。

2. 虚拟实境中的材质与灯光

设计中非常重要的物体材质与灯光效果在虚拟现实引擎场景的搭建和物体展示中同样非常重要。在虚拟引擎UE4 材质库中有PBR 材质理念，PBR 材质理念的应用可使材质编辑变的简单易懂，不需要像3D max 那样堆砌参数，简化了编程者和设计师的沟通过程，提高设计效率。其中，UE4 的灯光系统较为强大，可以分为定向光源、点光源、聚光源和天空光源四类。上述四类灯光可以充分营造准确的光环境，做出与3D max 渲染相差无几的效果。

3. 虚拟实境的沉浸感与比例尺度

环境艺术设计中，虚拟实境的场景搭建是至关重要的，它是构成虚拟世界沉浸感的重要基石。在虚拟实境中搭建参照物，要延续先前在3d max 等建模软件中所做的空间设计比例，然后使用引擎渲染，将建好的基础模型放在Unity 等中进行材质修改、打光渲染，营造沉浸感。这个过程中需注意体验者自身的物理信息，如双眼位置、角色身高……都需要根据室内外不同环境参照物比例进行适当调整来营造最佳的体验。

4. 针对环境艺术设计教学虚拟实境的交互设计规则

教学中的VR 交互设计既应有其他设备共通的设计原则，又需针对它独特的性质来设计。总结交互设计中的通性以及教育教学中的交互个性，教学中的VR 交互设计应符合：简单易操控、逻辑性强、操作方式统一、信息传递效率高、隐藏性与可见性适度以及反馈性强六大原则。

结语

VR 融入环境艺术设计教学的方法极大的提高了学生的参与乐趣，在这个教学过程中，有效的提升了学生发现问题、解决问题的能力，对于培养综合创新型人才有很大成效。其在教学应用中的探索面临着软件与硬件的配合提升以及如何创新更优秀的交互平台等问题。从VR/AR1.0 时代到VR/AR2.0 时代，设计教育应着重配合智能硬件产品的开发，继续完善VR 软件与应用系统、多样化VR 设备、建设相匹配的优质教学资源库，努力实现环境艺术虚拟现实的教育平台开放化和资源共享化，最终建设一个完整的设计教育VR 生态链。