基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统设计研究

丛林

（黑龙江大学新闻传播学院，哈尔滨 150080）

当前，虚拟现实技术在工业、医疗、文旅、教育、游戏、娱乐等领域的应用越来越多，作用和效果也越来越显著。从教育上来看，国家虚拟仿真实验平台中实验课程已经遍及教育领域的各个专业类别，从其中的数据看，平台中总共有3 511 门虚拟仿真实验课程，涵盖62 个专业大类，其中专业基础课程1 438门，工学课程占绝大部分，医学和理学相对较多，大部分为工艺类、流程类的技能训练虚拟仿真课程。文科、艺术的虚拟仿真课程也大部分集中于技能的培养[1]。色彩相关课程共4 门，其中三门为环境色彩与灯光等方面的实验，主要针对室内设计、环境设计、建筑设计等专业开发色彩教学实验系统。色彩感知方面的训练对艺术设计专业和其他专业的同学来说都是非常重要的色彩教学基础内容。作为以视觉和心理学为主的内容，色彩感知与心理学之间存在着紧密的关系。色彩感知涵盖了情感、认知、注意、记忆、文化和社会因素等多个方面[2]。系统针对色彩感知提供跨专业的沉浸式学习，通过学习基本的色彩理论、互动实验和色彩心理学的相关趣味游戏进行色彩能力的培养，满足不同专业和基础色彩教学的需要，对基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统设计进行探索。

1 虚拟仿真技术的概念及应用现状

1.1 虚拟仿真技术的概念

虚拟仿真技术是二十世纪八十年代新崛起的一种综合集成技术，涉及人机交互技术、计算机图形学、传感技术、人工智能等。它主要通过使用计算机技术模拟真实环境或系统的行为。

虚拟现实技术目前的主流方式是通过第三方软件进行开发，例如使用Unity 或者UE 进行开发，通过移动端、PC 端、头显设备等方式互动。不过受技术和开发成本的限制，移动端相对较少，主要是本地PC 端应用或者WebGL 技术。WebGL 的优势是轻量、便捷，用户不用单独下载较大的应用程序，可以直接通过网址打开，但是渲染效果、交互方式的支持并不理想，对于高质量视觉效果的支持有限，尤其是对于移动端、性能、横竖屏兼容等很多方面非常受限。

1.2 虚拟仿真技术的应用现状

针对PC 端的开发，是目前从效果、便捷性和兼容性相对较好的方式。主要是通过屏幕或者头显设备显示，沉浸感较好的是头显设备。沉浸式的体验对于色彩实验来讲更有意义，学生在虚拟环境中能够排除外界环境的干扰，更加身临其境。理论上，这种体验可以通过刺激用户的多种感官、提供真实感的交互及与现实世界的融合来实现。

系统使用Unity 进行开发，拥有头显设备和屏幕端两个版本，需要学生下载应用文件，然后在本地打开后，登录系统进行使用。硬件设备支持Intel Core i5 同等或更高配置的CPU、NVIDIA GeForce GTX 1060 同等或更高配置的GPU 和Windows 10 及以上的系统，头显硬件兼容HTC Vive Cosmos 或同品牌更高级别的设备。

2 基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统设计思路

基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统开发是一个迭代过程，需要不断地与需求方沟通、调研，以确保系统能够满足他们的需求和期望。系统设计应该根据学科特点，充分发挥虚拟仿真实验教学沉浸性、交互性和想象性三大优势[3]。因此，在整个开发过程中，针对色彩内容的准确性、专业性、趣味性、互动性和程序性能优化等都非常重要。系统设计分别从功能模块、用户交互及系统评价标准进行思考，并且和国家平台对接，开放使用权限，形成实验数据。使用过程性的评价体系，系统设计评价标准库，根据学生的操作过程和成果质量，从系统评价、学生互评及提交实验报告对学生操作过程进行客观综合评价。同时，也能帮助学生建立科学的色彩设计评价体系，强化色彩认知的科学性。

2.1 功能模块设计

基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统设计系统主要包括基础理论知识、抽象色彩实验、体验色彩实验、色彩心理趣味实验等模块[4]。主要从基础理论学习到经典的色彩构成实验和色彩心理学趣味实验进行循序渐进的练习。并且预留端口，根据专业特性，增加适合环境设计专业和广告设计专业等不同设计学专业相关的实验，如图1 所示。

图1 基于虚拟仿真技术的色彩教学实验系统功能结构

色彩感知训练旨在提升用户对颜色的感知、理解和应用能力。通过实验过程，学生可以增强辨别不同颜色、记忆颜色、感知颜色对比和相似性的能力。实验过程通过了解色彩原理和配色规律，使学生在二、三维空间体验中，了解色彩体系和掌握色彩配色依据。根据实验教学设计，从简单到复杂、从单色到多色、从记忆到趣味等[5]。

学生运用不同的模块组学习色彩配置模型、通过验证色彩的协调和对比关系等，大范围覆盖知识点，强化培养色彩感知经验与审美能力，同时通过在沉浸式空间场景中进行设计操作，提高学生分析问题和解决问题的能力。

2.1.1 基础理论知识模块

基础理论部分是系统开始实验前对于相关知识掌握的过程。要求学生对色彩的基础概念、色彩体系和色彩心理学等内容进行系统了解。该环节通过弹出UI 层或沉浸式空间中展墙的方式呈现多媒体内容。例如，针对色彩视错觉的图、文和视频介绍。同时，可以对孟塞尔色立体等经典色彩体系进行沉浸式的互动。在沉浸式空间中，加深对经典色彩体系的理解，把理论知识和实验进行融合。

孟塞尔体系是一种球体空间模型,中间轴从白色到黑色形成无彩色系的明度等级分布[6]。顶部为白色，底端为黑色，这个被称为孟塞尔的明度值。色彩体系中围绕中心轴的色相环由10 个基本颜色按照顺时针方向排列组成，其中包含了5 种原色和5 种间色。系统通过制作三维模型，并且通过HSV 颜色数值，还原孟塞尔色立体。让学生不仅可以在虚拟空间中进行互动，还可以展开或分层查看。

该部分以理论学习为主，互动实验的内容主要是针对经典的色彩理论和色彩心理学相关的知识，进行基础层面的认知，为之后的实验环节打好基础。

2.1.2 抽象色彩实验模块

系统设计可以通过多样化的场景来提供丰富的互动体验，通过设计一些与色彩互动的小游戏或者专业性实验来增加色彩学习的趣味性和专业性，主要包含以下三个互动模块。

第一，颜色迷宫。在实验开始的时候会出现10种颜色，学生需要在规定时间内记住色彩的样子和排列顺序，作为后续迷宫通过的依据。开始实验后，在一个虚拟的房间中，会出现四个不同颜色的门，学生需要在规定时间根据之前提示的颜色顺序，进入相对应的房间，顺序正确则完成实验，如果错误会扣除一部分分数。最终，系统根据所用时间和完成情况记录分数。

第二，对比度魔方。系统创造一个白色的魔方，然后学生根据孟塞尔色立体系统的中心轴进行配色训练，使用不同明度的灰色进行填充，其中每个面设计不同要求的明度对比训练。例如，高明度对比、中明度对比、低明度对比等[7]。通过选择不同颜色，让学生调整魔方上每个立方体的灰度，并评估不同对比度的特点，如图2 所示。

图2 色立体中心轴对比度实验示例

第三，色立体横断面的配色设计。色相是颜色的基本属性之一，代表了颜色在光谱中的位置。色相通常在一个色轮上表示，例如孟塞尔色立体中，各种色相按照一定的次序排列。它涉及了不同色相之间的相对位置和关系。在该实验训练中学生根据孟塞尔色立体的横断面，运用色相的位置关系进行色相对比训练。例如，同类色对比、相近色对比、类似色对比、中差色对比、对比色、补色对比等。其对比强弱程度取决于色相之间在色相环上的距离（角度），距离（角度）越小对比越弱，反之则对比越强。该实验中学生在指定的二、三维物体上进行不少于三种色彩的填色实验，要求实现强度对比、中度对比、弱度对比和同类色对比等相关配色实验[8]。

2.1.3 体验色彩实验模块

该部分实验是针对色彩感知进行设计专业层面的单项训练，也可以作为基础色彩训练的进阶实验。系统当前主要设计三个部分的实验内容，后续根据专业需要，进行实验模块扩展。

色彩配色实验。实验主要让学生选择一个优秀的案例，然后分析、提炼、借鉴案例的色彩配色方式，并且在三维空间中对指定的物体进行不多于5 种颜色的配色训练。该部分实验主要针对艺术设计、广告设计等专业的学生进行基础的应用配色学习[9]。

室内空间色彩实验。系统创建了一个标准的室内家装空间，用户可以针对其中的墙面、家具、装饰物等物体进行色彩填充与修改。同时可以修改所包含的灯光色温和照度等，根据教师指定的训练目标和要求，完成相关的实验。实验主要针对环境设计专业的学生进行配色实验[10]。

户外环境色彩实验。选取一个街道，学生可以对街道的铺装、两侧的楼体、环境中的装饰物等进行色彩调整，甚至天空的色彩和阳光的角度等。使用排除干扰的简模，针对景观专业的学生做单纯的色彩感知训练。

2.1.4 色彩心理趣味实验模块

这一部分的实验是基于色彩心理学相关的理论和观点，设计了两个趣味实验，仅作为色彩感知训练系统的扩展模块，增加学生对色彩不同维度的认知和兴趣[11]。

音乐色彩联想。实验开始后，玩家会听到一段音乐。音乐是简短的片段，学生在听音乐的同时，需要从颜色板中选择与音乐相匹配的颜色。可以为每个颜色提供一个简短的描述，以帮助学生进行联想。学生需要将选择的颜色填充到指定的模型上，并作为实验结果截图上传到实验报告中，作为最终评分的标准，实验需要考虑学生的主观感受，不同的人可能会将相同的音乐与不同的颜色关联，因此实验结构评价仅作为整体实验的参考。实验是一种多维度的感知和认知训练方式，要求学生将听到的音乐与颜色、图像或情感联系起来。不仅能激发学生的想象力、认知能力、情感智慧和创造力，而且对个人发展和艺术欣赏都有积极的影响[12]。

色彩重量实验。学生将面临一系列具有不同颜色的图像或对象，每个对象都有一个与其颜色相关的“权重值”。学生的任务是根据自己的知觉和感知，将这些对象按照它们的色彩排列成一个序列。此部分的色彩判断标准基于 RGB 颜色转为灰度值的加权平均算法（Weighted Average Method）：Gray=0.299 R +0.587 G+0.114 B，这个方法根据不同颜色通道的亮度对图像进行灰度化处理。通常情况下，红色通道（R）、绿色通道（G）和蓝色通道（B）的权重分别为0.299、0.587 和0.114，这个权重是根据人眼对不同颜色敏感度的经验值来确定的。这个算法使用了人眼对不同颜色通道的感知差异。因此，在保留图像主要特征的同时，能够将彩色图像转换为灰度图像。实验可以帮助学生理解不同颜色对于视觉感知的影响，以及色彩的权重在视觉排列中的作用。它也可以激发学生对色彩感知的好奇心，并提高他们对色彩感知的敏感度[13]。

以上虚拟实验通过高度拟真或优化的图形渲染、声音效果和交互设计来增强色彩感知训练的体验。通过这些虚拟仿真训练方法，学生可以在一个模拟的虚拟环境中进行多样化的色彩感知训练，提升对颜色的辨别、记忆、应用和理解能力。

2.2 用户交互设计

系统针对色彩感知训练的交互通过多种方式来设计和实现，其中头显版本主要通过手柄的操作进行，因此支持学生在虚拟环境中使用手势识别或手柄按键进行导航和操作，如选择、点击、拖拽、抓取、涂鸦等。部分实验需要添加虚拟键盘、按钮或控制面板，用户可以点击这些元素来进行交互和操作。设置菜单与选项。同时提供用户设置菜单，允许他们调整虚拟环境的参数，如亮度、对比度、颜色饱和度等。移动方式采用跳转或固定位置，以减少头显设备对一部分用户带来的身体不协调和眩晕感[14]。

2.3 系统评价标准设计

系统与国家虚拟仿真实验平台联通，可以通过平台的账号密码登录，并返回分数、实验时间等相关实验数据，学生可以在平台中查看。所有实验过程都会根据学生的操作和表现，提供实时反馈或提示说明，帮助学生纠正错误，掌握方法并改进技能。实验内容会根据一定的目标进行分值分配，根据学生学习目标项的结果对学生进行形成性、总结性评价[15]。

3 结语

色彩教学实验系统旨在探索基于虚拟仿真技术进行色彩感知训练的可行性和效果。通过在沉浸式的虚拟环境中让学生排除干扰，集中于色彩的单项训练，通过虚拟建筑空间、自然环境、各种虚拟辅助工具等不同的内容进行色彩理论与实践的互动实验。此外，虚拟仿真训练具有一定的迁移效果，参与者在实际色彩感知任务中表现出更快的反应速度和更高的准确率。训练效果在实际应用中具有实质性意义。参与者的满意度调查结果显示，虚拟仿真训练让学生能有更自信地进行色彩辨别和应用。总体而言，学生通过沉浸式系统学习能够提高对颜色的敏感度和辨别能力，并将这些能力迁移到现实世界中。此外，系统为个性化、专业化的色彩感知训练提供了充足的扩展空间。这对于拓展沉浸式虚拟仿真技术在认知训练领域的应用具有重要意义。虚拟仿真技术在色彩感知训练领域的应用前景充满了潜力和机会，相信随着技术的不断发展和创新，这种应用有望在各个领域取得更加显著的成就。随着增强现实技术的发展，色彩感知训练可以与真实空间产生更多互动，为用户提供更真实、有趣的体验。从学校到专业培训机构，都可以利用虚拟仿真训练来帮助学生和专业人士更好地理解和应用颜色。