人工智能时代空间计算技术在数字交互动画创作中的应用

摘  要：空间计算技术的工作原理和发展方向对数字交互动画的创作产生了重大影响，对现实的复制需要更深入的参与和学习。文章通过概括空间计算的定义，介绍空间计算技术在数字交互动画中的应用，展示技术对动画艺术的影响，研究在空间计算技术的影响之下，艺术理念、创造性思维和设计方法所发生的改变。

关键词：空间计算;虚拟现实;增强现实;混合现实;数字交互动画

在数字时代之前，人类在艺术领域中表达的情感和社会模式总是会受到物理约束，后来随着科学技术的发展，计算机更具移动性，我们可以以一种真实和自然的方式与我们的计算机交互。人工智能通过计算机程序来呈现人类的思考模式和行为，为艺术开辟了新的可能性，带来了丰富而深刻的互动体验。空间计算是人与机器的交互，其中机器保留并操纵对真实对象和空间的引用。它可以使我们的机器在工作和娱乐中成为更充实的合作伙伴[1]。空间计算通过各类基于位置的服务、空间数据库、空间统计以及空间数据挖掘的理论与方法，推进了计算机科学的发展[2]。这是一个定义我们与数字世界互动的术语。

数字技术的介入使动画从传统叙事性表现发展到空间的观念性呈现，再到交互式场域的营造，最后发展到数字化的沉浸式体验[3]。空间计算技术和数字动画的融合，将实现虚拟世界对现实世界的复制，不受时间和空间的限制，将现实世界和数字世界融合在一起，人类也正在从过去与静态计算机的交互方式转变为与当今沉浸式、引人入胜的技术的互动。

一、空间计算的出现改变数字动画的交互方式

人工智能（AI）赋予计算机执行智能任务的能力，空间计算技术通过人工智能技术，使计算机和系统能够从数字图像、视频和其他视觉输入中获取有意义的信息，并基于这些输入与人类进行交互。数字动画通过与空间计算的融合，使数字动画的创作方式发生改变，数字动画的交互范围也从单一的屏幕扩大至虚拟的数字世界。

跨学科艺术家正在探索新的人机交互界面，它为交互提供了一个虚拟框架，设计出让人类以新颖的方式与计算机交互的技术。这种人机交互界面是由设计者和用户之间进行沟通，通过视觉设计的文本、图形元素和数字动画形成的。随着普适计算、人工智能、环境智能和物联网设备的兴起，硬件需要融入背景，成为环境的一部分，只留下软件供用户交互，并增强用户的感官以使交互更加隐含和自然。随着空间计算技术的进步，创作者可以直接使用手机或平板电脑的摄像头，通过智能扫描系统捕捉全身的运动轨迹，这为各种规模的动画项目创作角色提供了更大的灵活性，这种由人工智能驱动的运动捕捉技术还消除了对成本高昂的动作捕捉服的需求，这也意味着生成的演员动作更加真实自然，融合单相机拍摄，减去不舒适的装束套装，让创作者可以省去组建昂贵的多相机工作室的预算与成本，拍摄或使用不受设置限制的镜头。空间计算技术帮助人类与机器合作，保留和操纵周围的真实物体和空间，使用3D空间有助于用户采用未充分利用的感官能力来理解世界上的复杂信息。空间计算将使计算机用户界面与人类生活、工作和娱乐的现实世界无缝衔接，它们将改变我们所知的整个动画产业的创作方式。

在空间计算技术快速发展的时代，设计师将不得不适应诸如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等技术，它们将使用户进行更深层次的交互。交互动画依赖于物理世界中的行为符号和动画隐喻，以需要手势和动作进行输入的图形用户界面的形式移植到数字平台上，使动画成为人机交互不可或缺的一部分[4]。沉浸感将成为新媒体的核心，虚拟现实系统通过图像、动画、声音或其他整体环境来扩大并刺激用户的感知。交互式、身临其境的环境需要智能响应，感知智能是当下人工智能发展所处的阶段。感知即通过听觉、视觉、触觉等感知系统，对外界环境进行认知的过程，其研究范畴主要包括语音识别、语音合成、图像识别、人脸识别、手势识别、自然语言理解等技术[5]。交互式、沉浸式和智能的数字动画内容会模仿生命的形式，以接近生命的功能将虚构的故事与我们的日常生活相融合。

与传统的计算机动画作为计算机图形学的一部分不同，人工智能时代下的动画是一门延展至图像处理、数字信号处理、机器视觉等领域的跨学科艺术。艺术家们突破了界限，将数字动画与其他学科相结合，开创了用科技看待世界的新方式，我们需要从艺术学的语境中跳脱出来，以跨学科的方式来重新看待藝术与设计在创作价值、创作场域、创作方式到创作输出等维度的变化[6]。涉及多学科的空间计算使数字动画的跨界与共融利用我们的声音、手势和环境本身来创建整个三维环境，而不用局限于屏幕这样单一的物理空间。我们的身体将成为未来空间计算世界的鼠标，而我们周围的世界将是可点击、可编辑、可重新设计的。键盘、鼠标和触摸屏等传统输入方式使软件在本质上变得复杂，而人体对软件进行空间控制将改变人类表达创造力的方式[7]。用户可以生成自己的虚拟化身，聚集在数字世界里一起分享体验。

二、空间计算背景下数字动画的交互方式

谷歌虚拟现实（VR）的副总裁克莱·巴沃尔（Clay Bavor）在2017年谷歌的主题演讲中指出，未来的技术创造者和消费者将想象在新世界里，在人类体验技术的过程中，任何人都可以在手势或语音命令的控制下，通过眼睛看到任何地方或者任何东西。在机器可以深度学习，人工智能具有超强的大数据分析、计算和存储能力的时代下，空间计算发生了深远的变化，并指出了若干新机遇，如虚拟现实、增强现实、混合现实等技术，为数字交互动画构建了新的人机交互界面，产生了独特的交互方式。

（一）运用虚拟现实构建数字交互世界

虚拟现实从伊凡·萨瑟兰（Ivan Sutherland）的《达摩克利斯之剑》（Sword of Damocles）诞生之初到今天，一直在不断推动我们感知的界限，这是一项融合动画和编程创建，可以在数字世界中提供身临其境的体验技术，通过空间和生物识别等技术，在人工智能中输入语音，将技术发展为与人类相关的形式。

在充满空间计算的未来世界中，动画的感官设计将不再受限于物理资源或2D屏幕，它开辟了无限的可能性，远远超出了目前存在的任何设计媒介。许多作品除了影像本身，在放映空间中会利用光线、声音、空间场景等综合方式来打造能衬托作品内容主题的动画延展，让观者身临其境充分感受作品由影像空间到实际空间的交互关系[8]。夏尔·戴维斯（Char Davies）是加拿大当代艺术家，以创作沉浸式虚拟现实艺术品而闻名，她在《Osmose》（如图1）中创造了一個沉浸式的虚拟环境，将三维视觉元素、空间定位的声音与基于呼吸和平衡的互动结合在一起，沉浸者可以在大自然的隐喻性方面穿越并访问不同的空间世界，挑战“沉浸式”的空间概念，探索生活体验和虚拟体验之间的多孔边界。1998年的《Eph é m è re》是一个交互沉浸式的视听虚拟艺术品，它进一步推进了始于1995年的《Osmose》的工作，扩展了虚拟世界作为艺术的概念，并添加了昼夜循环的时间元素。戴维斯的沉浸式技术的独特之处在于她利用沉浸式的呼吸和身体运动在沉浸式的虚拟空间中导航，这在沉浸和计算机之间创造了一个界面[9]。

空间计算服务在过去是为少数地理信息系统（GIS）专业的人员设定的，随着空间计算技术用户社区的增长，用户界面必须使用大众理解的空间认知语言，对空间认知心理的理解非常有必要。空间认知是研究公众对世界上地点和事件的位置、大小、距离、方向和其他空间特性的认识和信仰[10]。运用动画辅助空间设计将会使用户认知更加清晰，动画可以更清晰直观反映公众所处的位置与方向，使公众通过学习空间布局、阅读地图等方式，提高公众的空间认知能力。加拿大艺术家乔恩·拉夫曼（Jon Rafman）探索技术对当代生活和社会的影响，通常使用叙述的方式将用户和社会历史联系起来，他的《Kool-Aid Man》项目涉及到三维游戏《第二人生》中虚拟世界的建构，探索用户如何利用社交行为来唤起理想化的自我。以人为中心的空间计算是指导空间技术的设计、实现和使用的一套基本原则，拉夫曼运用这套原则为提高全人类的生活质量提供了新的互动环境。空间计算已经实现了基于位置的社交媒体的新型互动，它通过精心设计的技术来增强人类的认知能力，以提高人类的空间能力。

人工智能通过深度学习，促进了实时图像和语音识别，有助于与虚拟现实结合起来，开发新的应用程序。空间计算技术的发展使现实和虚拟环境之间的界限变得模糊，三维空间形态特征影响人们的空间认知以及人们如何构建思维图，生成空间记忆并在探索三维环境时做出反应。虽然虚拟现实取代了人们所体验到的东西，但增强现实却在其中起到了补充作用。虚拟现实通过头戴式显示器使用户的视野完全被覆盖，并使观众获得一种完全沉浸式的体验，但它却将物理世界拒之门外，而增强现实则将图像投射到用户面前的一个固定区域，通过智能手机上的摄像头将物理世界与计算机生成的虚拟数字动画元素相结合，构建了虚实交互的场景。

（二）通过增强现实扩大虚实交互场景

增强现实将AR摄像头集成到智能手机应用程序和对象识别中，透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互。艺术家运用AR技术打破了真实的可见与虚拟的不可见之间的脆弱界限。美国新媒体艺术家扎克·利伯曼（Zach Lieberman）摩尔·郭（Molmol Kuo）提议将AR面部跟踪技术作为机器的输入，眼睛的眨动可以触发动画，嘴巴的动作可以产生音乐，他们合作制作了AR应用程序《Weird Type》，可以让用户在3D空间中的任何位置编写和制作动画，人们通过给文字赋予动画效果，让字母像雪花一样随意地飞向空间，该程序通过向观众提供创造性的媒介，从而产生了新的交流形式。由多媒体艺术家克莱尔·巴尔丹（Claire Bardainne）和阿德里安·蒙多特（Adrien Mondot）构思的艺术展“Mirages & Miracles”将现实生活中的装置（如雕塑和素描）与AR技术结合在一起，巧妙地处理了诗歌、技术、人体和艺术之间的关系，将无生命的物体融入生活和空间中，让观众体验每件作品的展示空间和视觉魔术，当用户透过手持移动设备的镜头观看时，静止的平面图将开始动起来，这种新形式创造出了一种虚构的数字世界紧紧地建立在现实世界之上的感觉。伦敦设计师松田圭一（Keiichi Matsuda）的《Hyper-Reality》（如图2）将实景镜头与运动跟踪的视觉元素结合在一起，创造了一个万花筒般的“超现实”电影，影片中充满了游戏、谷歌之类的互联网服务和其他各种功能，商店标志和交通信号再次呈现在真实的建筑和道路之上，信息和互动指示器也出现在行人身上，探索了对未来概念的理解，这个概念将增强现实带到了一个极端，通过交互式的虚拟界面渗透到城市环境中，通过数字平台控制和表达身份。增强现实将改变动画讲故事的表达模式，通过引入新的、不同的视角改变动画讲述、分享甚至记住故事的方式。

增强现实不再仅仅是技术，它将影响我们在这个充满新技术的现实世界中的生活，以及我们如何设计有意义的体验，并丰富人类的生活。更小、更快、更准确的人工智能模型已经能更出色地构建沉浸式增强现实体验，深度神经网络可以检测垂直和水平平面，估计深度并分割图像以获得真实的遮挡关系，甚至可以实时推断对象所处的位置。基于这些能力，人工智能模型正在取代一些支持增强现实体验的更传统的计算机视觉方法，用户可以通过随身携带的移动设备与数字动画模型进行交互。然而，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）与混合现实（MR）相比，还是有其自身的局限性，虚拟现实技术可以用模拟环境完全取代用户所在的现实世界的环境，却只能让用户在虚拟世界中与数字构成的动画对象进行交互，增强现实技术可以让虚拟信息覆盖在真实环境中，改变用户对现实世界环境的感知，然而用户却受到手持设备必须放在他们面前的物理限制，无法以更自然的方式与虚拟对象互动，它们虽然都被认为是沉浸式的空间计算技术，但混合现实是虚拟现实和增强现实的延伸，而在混合现实环境中，用户可以像在现实世界中那样与虚拟的数字动画元素交互。

（三）采取混合现实融合虚实交互对象

混合现实是现实世界与虚拟世界的融合，是同时使用虚拟现实和增强现实术创建的环境，在其中可以同时存在物理和虚拟对象并进行实时交互，由于混合现实保持了与现实世界的联系，所以它并不被认为是一种完全沉浸式的体验。混合现实是虚拟现实技术的进一步发展，比增强现实技术更具沉浸感，由于计算机视觉、图形处理能力、输入系统和显示技术等人工智能技术的进步，现在可以通过沉浸式技术同时包含物理世界和虚拟世界。

MR将可视化和沉浸式与交互相结合，结合音频、触摸、视频和图像元素来促进正确的信息訪问，通过移动摄像头，智能眼镜或耳机在显示现实的屏幕上覆盖图像或视频，以增强用户体验的真实感。微软与在线艺术平台Artsy和阿姆斯特丹工作室Drift合作，为Microsoft HoloLens创造了第一个混合现实艺术作品《Concrete Storm》，它将物理结构与全息图结合在一起。全息图可以根据用户在展览中的位置改变视角，让参观者以一种全新的方式体验艺术，他们穿过水泥柱，伸手去摸一些根本不存在的东西，这证明了混合现实可以使艺术更容易接近和互动。混合现实环境需要考虑到现实世界，即它们所嵌入的居住空间的位置和社会性质[11]。《Digital Atmosphere》是数字艺术家Perry James Sugden和Daria Jelonek的混合现实作品，这件作品通过赋予自然声音，使清新的空气成为现实，利用数字和传感器技术捕捉到眼前环境中无形的空气质量变化，将其转化为一种用动画形式表现的视觉模拟，通过混合现实的头戴式头盔，让观众可以看到被数据可视化的空气。

混合现实环境中的互动式叙事融合了数字和物理信息及其功能，通常对现实世界和基于物理的互动进行增强，互动叙事的戏剧性故事情节受到用户动作的影响，在不直接使用计算机和交互设备的真实物理环境中发生交互[12]。《Anti-Gone》（如图3）是艺术家西奥·特兰塔菲莉莉迪斯（Theo Triantafyllidis）根据康纳·威廉森（Connor Willumsen）的原漫画改编的混合现实直播表演，它将现场表演与实时模拟结合起来，探索了技术、特权以及世界的开始和结束对社会的影响。《Anti-Gone》的演员穿着动作捕捉服和VR头盔演出，并将他们的动作映射给虚拟世界中的化身。这部动画电影的核心是一个表演系统，该系统试图将当代表演与开放世界视频游戏的机制联系起来。在精心制作的3D环境中，通过捕捉演员即兴创作的空间数据，使这部动画作品充满了不确定性的元素。在最新的直播版本中，艺术家引入了观众参与的新元素，互动是演出中重要的一部分，并可能在原故事中创造出一个新故事。3D动画电影与实时交互相结合，使表演具有了一种不可思议的效果，混合现实环境颠覆了物理空间和身体的边界。

人工智能和深度学习正在深刻地改变混合现实应用程序感知环境的方式，为混合现实应用程序添加智能将有助于提供身临其境的交互体验，在本地分析、生成数据时最大限度地减少延迟时间。随着混合现实设备和空间计算技术的发展，混合现实技术将进一步集成到我们的生活，而动画这门综合性的艺术也将运用混合现实技术，随着环境的输入和感知不断突破虚拟世界的界限，与现实世界互融。

三、结语

在人工智能时代下存在着各种机遇，虚拟空间与现实空间之间的张力已经通过空间计算技术进行了重新定义。虚拟空间与真实空间之间的区别正在变得更加模糊。空间计算的未来也取决于不断构建的和共享的开源知识，因此，对技术的各个部分制定标准并进行创新，使空间计算蓬勃发展成为一项挑战。空间计算与数字交互动画的融合，为动画创作注入了以人为本的交互与感官设计，更新了数字艺术的创作工具，并探索了新的人机交互界面，使过去平面屏幕上的二维图形转变为当今沉浸式的3D可视化的数字世界。基于位置服务的虚拟现实、增强现实、混合现实技术无疑将使数字交互动画突破时空的界限，构建一个虚实互融、可供人类生存、移动和思考的世界。技术上的进步从未停止，使用以真实空间和虚拟空间混合的沉浸式的空间计算技术，在知识、创造力和想象力之间尝试一种不同的融合。

参考文献：

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作者简介：任亦楠，湖北美术学院动画与数字艺术学院动画艺术研究专业硕士研究生。