虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)狀及在設計藝術中的應用愿景1

文/ 李 偉 成喬明 (南京航空航天大學 藝術學院)

虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)狀及在設計藝術中的應用愿景1

文/ 李 偉 成喬明 (南京航空航天大學 藝術學院)

DOl編碼：10.3969/J.lSSN.1674-4187.2017.02.014

引言

虛擬現(xiàn)實技術并非近期出現(xiàn)的新技術，早在上個世紀六十年代，“虛擬現(xiàn)實”概念即被提出，并且已經(jīng)有很多學者和研究機構對其展開研究，經(jīng)過多年的研究，在理論和實踐兩方面也都取得一定的成果，但是，這些研究多面向航空、軍事和醫(yī)療等特殊領域。因此，對于大多數(shù)人而言，在日常生活中根本沒有機會接觸到虛擬現(xiàn)實技術，所以，在過去的許多年，人們對虛擬現(xiàn)實的認知，基本停留于“虛擬現(xiàn)實技術是什么？”的層面。近幾年，由于Microsoft 、HTC、google、Facebook等國外大公司競相發(fā)布其基于虛擬現(xiàn)實技術的消費級產(chǎn)品，以及國內的阿里巴巴、騰訊、華為、小米等公司高調介入，在短時間內，虛擬現(xiàn)實如同一股浪潮鋪天蓋地的席卷全球，基于虛擬現(xiàn)實技術的各類產(chǎn)品也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，尤其在剛剛過去的2016年，被人們稱為“VR元年”。那么，虛擬現(xiàn)實技術經(jīng)過多年的沉寂，以及上世紀九十年代的曇花一現(xiàn)，目前究竟處于什么發(fā)展水平？是否已經(jīng)成熟？未來是否真的已經(jīng)到來？本文將結合虛擬現(xiàn)實技術最新發(fā)展動態(tài)，對其發(fā)展現(xiàn)狀進行梳理，對發(fā)展中存在的問題進行理性分析，并對其在設計藝術中的相關應用進行展望。

一、虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality），簡稱VR，早在上個世紀六十年代，其概念已被提出。

在本質上具有三個基本共性特征：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），也就是通常所稱的“3I”特性。基本概念是利用計算機模擬一個具有三維特性的虛擬世界，并與使用者之間發(fā)生多感官、多通道的實時交互行為，使其獲得類似真實物理世界中獲得的自然的三維感受。

虛擬現(xiàn)實技術，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)階段出現(xiàn)三個不同的研究方向，即：VR（Virtual Reality） 虛 擬 現(xiàn) 實、AR（Augmented Reality）增強現(xiàn)實、MR（Mix Reality）混合現(xiàn)實。下面結合當下最新的發(fā)展動態(tài)，對其發(fā)展現(xiàn)狀進行逐一梳理和分析：

1、VR技術：應用初級階段

VR技術，在現(xiàn)階段擁有較多的消費級產(chǎn)品，但在技術和產(chǎn)品應用領域都具有一定的局限性。其主要技術特征是運用計算機營造一個虛擬三維世界，并帶給使用者視覺、聽覺、觸覺等感官的多通道交互體驗，是對真實三維物理世界的種種體驗的模擬?，F(xiàn)階段，該技術的發(fā)展與應用，仍處在一個初級階段，VR技術的運行需要大量的外置設備支持，如：VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等。而這些外設產(chǎn)品普遍體量大、價格高，并未到達廣泛推廣的階段?，F(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實體驗效果較好的產(chǎn)品，以HTC vive、Oculus、PS VR三類產(chǎn)品為代表，前兩者需

要計算機端的設備支持，后者為一體機，這三家公司的研發(fā)，也都定位于游戲和影視，在應用范圍方面存在一定的局限性。目前，VR技術，在其它領域也有少量應用，但是，多需要基于上述外置設備的二次開發(fā)，如，利用全景技術軟件QuickTime VR 、虛擬現(xiàn)實建模語言VRML等來呈現(xiàn)三維圖像，實現(xiàn)360°觀察虛擬空間，并且進行三維空間內的各種仿真設計，然后通過VR眼鏡和手持設備，實現(xiàn)漫游和簡單的門窗開啟等交互功能。其在本質上，是通過3D-max軟件渲染出效果圖，然后，通過拼圖軟件完成全景效果圖。由于涉及軟件的二次開發(fā)，在現(xiàn)階段，基本由少部分專業(yè)人士掌握，實用性和普及性較弱。在2016年，國內多家地產(chǎn)公司，在樣板間推廣中已經(jīng)使用HTC vive，既節(jié)約了樣板間高昂裝修費用，又帶給消費者全新的感官體驗（圖1）。通過上述分析，現(xiàn)階段VR技術應用現(xiàn)狀和市場應用領域的表現(xiàn)，只能算是應用初級階段。

2、AR技術：應用探索階段

圖1 HTC vive樣板間

圖2 Google Project Glass

圖3 Wikitude SDK 6.0與智能設備

圖4 Hololens開發(fā)者版

AR技術，現(xiàn)階段僅有極少量的消費級產(chǎn)品，技術尚不成熟，產(chǎn)品也沒有形成市場。AR技術，也被稱之為增強現(xiàn)實技術，該技術的核心理念是將虛擬的信息疊加到真實世界中，讓真實的環(huán)境和虛擬的信息實時疊加到同一個畫面或空間內。它與VR技術有兩個顯著的區(qū)別：一是技術概念不同，它強調真實環(huán)境和虛擬信息的疊加；二是產(chǎn)品外在特征不同，它需要專門的圖像采集裝置（全景攝像頭），用于實時采集真實環(huán)境的信息，并實時的進行疊加。

在谷歌、微軟等科技巨頭以及Magic Leap、Meta等創(chuàng)業(yè)公司的不斷創(chuàng)新與推動下，AR技術已經(jīng)取得了部分成果，并成為VR技術后的另一種將虛擬拉近現(xiàn)實的技術?，F(xiàn)階段，應用該技術的代表性產(chǎn)品主要有：Google Project Glass（谷歌眼鏡）（圖2）、Realmax的智能眼鏡等，由于價格高、支撐軟件少、實用性差等方面原因，很快就退出市場。所以，AR技術從研發(fā)到產(chǎn)品的轉換，仍處于應用開發(fā)與探索階段，已經(jīng)推向市場的少量產(chǎn)品，也由于實用價值低，而很快退出市場。目前，也有一些公司，嘗試開發(fā)一些低廉的、具有推廣價值的軟件，力圖形成一定規(guī)模的消費市場。如：Wikitude SDK 6.0 的正式發(fā)布，通過其全新的3D SLAM引擎，可以使普通的智能設備搭載一個增強現(xiàn)實平臺，使這些智能設備通過攝像頭掃描，將現(xiàn)實空間“拉入”到智能設備內，然后，人們可以在被拉入的空間里擺放各種預設素材，并可以隨意調節(jié)素材的位置、大小、顏色、款式等屬性，而且，三維空間會隨著手持設備的移動來改變觀察視角（圖3）?，F(xiàn)階段，諸如此類的AR初級階段的成果應用很多，但是，實際應用價值極低，基本是對AR技術原理的探索性應用，沒有到達量化生產(chǎn)的成熟階段。

3、MR技術：研究階段

混合現(xiàn)實技術，是由 “智能硬件之父”多倫多大學的SteveMann教授提出，是將真實世界和虛擬世界混合在一起，借助于全息影像創(chuàng)造一個新的可視化環(huán)境，環(huán)境中同時包含物理實體與虛擬信息，而且是實時的、可交互的。目前，從事該領域研究的公司，以微軟和Magic Leap比較著名的，其中，微軟的Hololens的開發(fā)者版（圖4），已于2016年發(fā)布，目的是尋求更多的合作伙伴，開發(fā)更多的用途，并非針對普通的消費者，而Magic Leap至今沒有推出過產(chǎn)品。另外，還有一些公司也在從事該領域的相關研究，如：2016年5月份成立的Hololamp公司推出的HoloLamp（圖5），雖然通過投射出的扭曲圖像實現(xiàn)了空間增強現(xiàn)實，但是，交互方式卻不盡人意。即便是較為成熟的Hololens，也存在視域窄、續(xù)航能力差、圖像質量差等缺陷，因此，現(xiàn)階段基于MR技術的應用產(chǎn)品，多是對MR技術的探索與研究。

4、三者之間關系及現(xiàn)階段存在問題

在本質方面，三者沒有區(qū)別。它們都是應用計算機等技術，讓人們在虛擬的空間中獲得更多、更真實的類似真實物理世界的體驗，目的在于打破時間、空間的障礙，在虛擬和現(xiàn)實之間架起一座橋梁。虛擬現(xiàn)實技術（VR）、增強現(xiàn)實技術（AR）、混合現(xiàn)實技術（MR），代表虛擬現(xiàn)實技術的三個不同的發(fā)展方向。在發(fā)展進程方面，三者呈現(xiàn)出遞進的趨勢。其中，對于虛擬現(xiàn)實技術（VR）的研究起步較早，但是，其所構建的場景和人物是完全虛擬的，也就是假的，與現(xiàn)實世界之間沒有任何關聯(lián)與互動。因此，為了能夠把虛擬的信息帶入到現(xiàn)實世界中，就出現(xiàn)了增強現(xiàn)實技術（AR），這樣使用者所觀察到的就是虛擬與現(xiàn)實的疊加，即一部分是真的、一部分是假的。后期，為了取得增強的VR沉浸感和增強的AR真實空間的互動感，出現(xiàn)了MR混合現(xiàn)實技術，而且在成像介質方面也有了質的變化，全息成像技術的應用，使其脫離傳統(tǒng)的屏幕成像（VR眼鏡是縮小的屏幕）。在發(fā)展趨勢方面，三種虛擬現(xiàn)實技術，將依據(jù)不同的定位朝不同的方向并行發(fā)展，滿足不同的市場需求，其中VR技術已經(jīng)進入應用初級階段，其它兩種技術仍然處于研究階段。

圖5 HoloLamp

總體看，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，現(xiàn)階段仍有許多技術難題急待解決，還沒有進入成熟期，只是與上世紀九十年代相比較，在理論研究和技術開發(fā)兩方面都有了質的飛躍。近幾年，虛擬現(xiàn)實熱潮的出現(xiàn)，是由于信息技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，為其提供了堅實的后盾，讓人們預感到了成功的可能，再一次激發(fā)各大研究機構和科技巨頭的熱情，也讓敏銳的商家和企業(yè)嗅到了廣闊市場的前景，遂投入大量的人力、物力、財力，便引發(fā)了近幾年的虛擬現(xiàn)實熱潮。然而，從技術成熟到產(chǎn)品的轉化和滿足市場的豐富需求，不是憑熱情就能實現(xiàn)的，必須依靠理性思考和深入的研究，才能解決現(xiàn)階段存在的一些難題。

在當下，虛擬現(xiàn)實技術從研究、探索到成熟、應用過程中，存在的問題和難題集中表現(xiàn)為以下幾個方面：首先，技術欠成熟、藝術性較弱。虛擬現(xiàn)實技術在實時交互中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段的網(wǎng)絡速度和硬件運算速度還無法滿足。因此，一些虛擬現(xiàn)實作品，為了實現(xiàn)流暢的實時交互，必須犧牲一定的藝術效果，導致許多虛擬現(xiàn)實作品的視聽感受較為生硬，虛擬場景、物體的視覺效果缺乏逼真感和美感，虛擬場景中物體的光線、色彩乃至整體的視覺氛圍真實性較差，與現(xiàn)實世界的真實體驗存在較大的差距。其次，硬件適配急待提高。這也是現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術無法普及的主要原因，尤其對計算機圖形處理器的高品質要求，比如HTC vive眼鏡就對計算機的顯卡有專門要求，普通用戶的家用計算機很難滿足其運行需求，使其推廣普及受到了限制。最后，內容缺乏。現(xiàn)階段雖然有虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布，但是，相配套的內容卻十分匱乏，缺少優(yōu)質、新穎、逼真、符合用戶需求的虛擬現(xiàn)實內容，這也是影響其應用推廣的最大掣肘。所以，在2016年，微軟在推出Hololens時，也只是謹慎的發(fā)布了開發(fā)者版，目的就在于尋求合作伙伴，解決產(chǎn)品內容匱乏的問題。

所以，通過上述分析，對虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的實際水平和存在的問題，有了較為全面、清晰的認識。目前，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展水平，只能算是 “起步階段”，尚處在基礎設備建設時期，即硬件平臺建設階段，并非媒體炒作的那樣“未來已經(jīng)到來”，其技術走向成熟和形成產(chǎn)業(yè)化，還需要經(jīng)過一段時期的發(fā)展。

二、虛擬現(xiàn)實技術在設計領域的應用愿景

技術與藝術的關系，對于人們而言，早已是耳熟能詳?shù)囊粚﹃P系，二者相輔相成、共同發(fā)展。而設計藝術的特征，表現(xiàn)為文化、藝術和技術的綜合載體，這使技術進步對其產(chǎn)生的影響和推動作用也遠遠勝于其它藝術門類。最具代表性的案例，就是上個世紀八十年代，計算機技術的快速發(fā)展在設計藝術領域所引發(fā)的一次革命，使設計師們告別了傳統(tǒng)的筆、繪圖紙、繪圖板、尺子和顏料盒，取而代之的是計算機和各種高效、精確的繪圖軟件；同時，也創(chuàng)造了豐富多彩的數(shù)字化藝術語言，推動了設計藝術的跨時代發(fā)展，設計師們從此步入無紙化時代。當下虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，雖然處于初級階段，但是，其對虛擬世界與現(xiàn)實世界之間界限的顛覆，引發(fā)設計師們的普遍關注。而虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品帶來的全新體驗及各大公司對未來產(chǎn)品的渲染，更讓他們對其在設計藝術領域的應用滿懷憧憬，堅信不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術與設計藝術的融合，將引發(fā)設計藝術領域的另一次革命。

人類總是喜歡通過科幻小說、電影來表達對未來的美好期望。歷史也一再證明，正是由于那些曾經(jīng)的夢想，讓愿景不斷成為現(xiàn)實，使生活變得更美好。為此，在對當下虛擬現(xiàn)實技術理性分析的基礎之上，我們借助虛擬現(xiàn)實技術的相關宣傳片，暢想虛擬現(xiàn)實技術與設計藝術融合后的愿景：

愿景一：跨越虛擬和現(xiàn)實的之間界限

虛擬現(xiàn)實技術的沉浸性、想象性和互動性的重要特征改變了我們常規(guī)對虛擬世界與現(xiàn)實世界之間界限的劃分，使虛擬的設計方案與真實的世界產(chǎn)生聯(lián)系，這樣，設計師的想法就可以更接近真實。那么，在未來的設計應用中，就將會出現(xiàn)下面的景象。在三維空間設計領域（室內、建筑、產(chǎn)品設計等），設計師在推敲設計方案時，空間裝飾風格、材料的選擇與搭配，都將實時立體的呈現(xiàn)在空間環(huán)境中。在二維設計藝術領域，設計師也可以將二維平面設計作品（站牌廣告、樓體廣告等），在其所應用的空間位置進行實時顯示，推敲其與應用環(huán)境和場所之間的相互關系，并直觀的進行顏色、圖形的調整。通過這種實時的可視化設計，使虛擬的設計作品和現(xiàn)實環(huán)境相融合的可視化形式呈現(xiàn)，有效避免傳統(tǒng)設計過程中從方案到作品時產(chǎn)生的不必要的偏差（圖6）。

愿景二：跨越專業(yè)和業(yè)余的之間界限

在傳統(tǒng)設計交流過程中，設計師與客戶進行交流時，由于對方缺少專業(yè)知識，往往對平面圖、立面圖、結構圖等抽象的專業(yè)圖紙無法識讀，交流過程中，設計師不可避免的花費大量口舌用于解釋圖紙，而且，用口述語言去解釋圖紙語言，在其轉換過程中，會出現(xiàn)偏差和遺漏，造成信息交流的不完整。而虛擬現(xiàn)實技術的應用，就可以用栩栩如生的虛擬的三維空間，讓客戶身臨其境的感受空間的位置、比例和尺度，也可以用唾手可得的虛擬的產(chǎn)品造型，讓其客戶體驗功能與形態(tài)的變化，有效克服了設計師和普通客戶之間存在的專業(yè)水平差異，讓他們之間溝通變得更為順暢，而缺乏專業(yè)知識的普通客戶，再也不用擔心最終的設計圖紙不是自己想要的效果。因此，虛擬現(xiàn)實技術將大大提高設計信息交換的完整性（圖7）。

圖6 虛擬現(xiàn)實技術應用于三維產(chǎn)品設計

圖7 用于客戶直觀交流

圖8 虛擬三維建筑模型設計

圖9 虛擬現(xiàn)實技術虛擬成像

愿景三：跨越二維和三維的界限

傳統(tǒng)的設計流程，首選通過電腦完成相關造型的二維圖紙繪制，再依據(jù)精確的尺寸建立虛擬模型，并在屏幕的二維界面上，對模型進行形式、形態(tài)的推敲，最后，再通過靜態(tài)渲染，完成設計效果圖的制作。靜態(tài)渲染技術，在本地渲染一張效果圖就需要幾小時，高精度的圖紙將會耗時1-2天，加上后期處理，單張圖紙需用時4-5天的時間。而一個設計方案的最終確定，設計師需將平面圖和效果圖和客戶進行多次溝通，并經(jīng)過數(shù)次從二維到三維的重復修改，耗費大量的人力、物力，整個設計流程要經(jīng)過一個漫長的周期。而虛擬現(xiàn)實技術的全息成像及實時三維渲染功能，可以讓設計師在設計創(chuàng)建階段和工程圖繪制階段，直接在現(xiàn)實世界生成虛擬的產(chǎn)品模型，同步觀察虛擬的產(chǎn)品模型和構造，多維度觀察和檢測設計中存在的問題與不足，并進行實時的調整和修改。而在方案修改過程中，設計師也可以和客戶一起，對著虛擬現(xiàn)實模型，共同討論和修改設計方案，實時渲染技術將立刻呈現(xiàn)修改后的三維效果，大大提高雙方之間的溝通效率，原本要花費幾周才能完成的事情，幾個小時就可以完成，可謂事半功倍（圖8）。

愿景四：跨越時間和空間的界限

藝術設計是一個創(chuàng)意、創(chuàng)新的過程，從靈感到設計方案，再從方案到產(chǎn)品的物化，期間需要大量的信息交流與溝通，既有設計師團隊成員間的交流，也有設計師與客戶間的交流，整個溝通過程都無法回避圖形語言，而圖形語言的呈現(xiàn)，就必須依賴一定的呈現(xiàn)介質或載體。在經(jīng)歷了上個世紀計算機技術的革命，設計師已經(jīng)擺脫了對傳統(tǒng)紙張和繪圖工具的依賴，只需共同面對計算機呈現(xiàn)的圖形、圖像，就可以完成彼此間的交流，較之早期的紙媒時代，工作便利性與效率性都有了質的提升，但是，依然無法擺脫對計算機屏幕和其它二維成像介質的依賴，無法實現(xiàn)隨時、隨地的交流。而虛擬成像技術，將突破傳統(tǒng)成像介質的局限性，將現(xiàn)實環(huán)境中有二維特性的任何物體，作為虛擬環(huán)境的呈現(xiàn)媒介，桌面不再是只用于擺放物品，瞬間變成觸摸屏幕；墻面也不再是僅僅用于分隔空間，同樣也是顯示圖形、圖像的交互屏幕。尤其虛擬現(xiàn)實技術中的全息成像技術，將徹底擺脫對有形物體的依賴，以空氣為成像介質，設計師可在任何時間、任何地點，便利的打開圖像進行交流，真正實現(xiàn)跨越時間、空間界限的隨時、隨地的工作（圖9）。

結語

本文透過2016 年“VR 元年” 熱鬧非凡的表象，以客觀的態(tài)度梳理其發(fā)展歷程，并對其發(fā)展現(xiàn)狀進行理性分析，目的在于全面、透徹的理解虛擬現(xiàn)實技術，更重要的是展望其在設計藝術領域將會產(chǎn)生的重要影響。我們堅信，隨著計算機技術的不斷進步和研究人員的不懈努力，在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術在改變我們認識世界、觀察世界方式的同時，也必將在設計藝術領域引發(fā)設計理念、設計方法的革命。這才是本文的寫作的意義。

（責任編輯 姥海永）

[1]黃海.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2014.

[2]黃厚石，孫海燕. 設計原理[M].南京：東南大學出版社，2005

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[4]陳懷友，張?zhí)祚Y，張菁.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5]李立新.設計價值論 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

The Present Situation and Application Vision of Virtual Reality Technology in Art Design

本文對現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行客觀、理性的分析，探討其現(xiàn)階段存在的問題，進而對其在設計藝術領域的相關應用進行展望。

This article gives an objective and rational analysis on current status development of Virtual Reality technology, discusses the problems existed currently and then looks forward to its future applications in art design feld.

虛擬現(xiàn)實技術；發(fā)展現(xiàn)狀；設計藝術；應用愿景

Virtual reality; Development situation; Design art; Application prospects

李 偉，南京航空航天大學藝術學院副教授，研究方向：環(huán)境藝術設計。

成喬明，南京航空航天大學藝術學院副教授，研究方向：設計管理。

1本文系作者主持的2012年度教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金（項目編號：12YJA760033）、2014年國家留學基金資助項目（CSC：201406830048）階段性成果之一，本文為2014年度江蘇省社會科學基金（項目編號：14YSB007）、2016年度江蘇省社會科學基金（項目編號：16YSB014）的階段性成果之一。