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摘要：视觉沉浸感是虚拟物质空间体验的重要构成维度，高效合理的视觉沉浸设计在建筑空间表现以及虚拟空间可视化应用中都有极高的价值。文章从实现虚拟物质空间体验的技术出发，讨论计算机图形学、物理光学模拟的基本原理和设计实践的具体应用方法。结合建筑可视化等相关的应用领域，对虚拟空间可视化沉浸的设计流程展开了讨论，最终实现虚拟环境沉浸感的设计实现。
关键词：虚拟空间；沉浸感；可视化；图形学
引言
视觉沉浸感是虚拟物质空间体验的重要构成维度，高效合理的视觉沉浸设计在建筑空间表现以及虚拟空间可视化应用中都有极高的价值。要实现虚拟环境的可视化表现，需要从可视化技术出发，讨论计算机图形学、物理光学模拟的基本原理和工具实践的具体应用方法，结合建筑可视化等相关的应用领域，从原理和应用两个方面对虚拟空间可视化沉浸的设计流程展开讨论，最终实现虚拟环境沉浸感的设计实现。
1虚拟空间可视化的技术框架
虚拟空间沉浸感的效果，需要从体验者的视觉、听觉、触觉等多个知觉维度进行体验设计。当前对虚拟体验沉浸感影响最为明显的是视觉沉浸感，虚拟体验项目主要基于视觉沉浸和视觉设计进行。要实现高度的视觉沉浸感，就需要从计算机图形的角度认识建筑空间的可视化计算原理以及相应的工具逻辑。使用计算机软件模拟物质空间，重现虚拟空间内的物质属性，通过图形计算在屏幕上得到具象表现的过程，本质是对虚拟空间中的光环境与材料表面相互作用结果的模拟计算。一个完整的可视化实现过程需要三个环节（图1）：采样计算、光照模拟、材质模型。通过采样方式确定三维物体在屏幕上的投射方式，依据采样方式衍生出不同的光照计算模型，作用在物体材质表面，通过材质模型的处理，计算出最终的表现效果。
1.1渲染采样技术
常见的采样方式有光栅化渲染（RasterizedRendering）与光线追踪渲染（Ray-tracedRendering），采样环节主要解决的是将计算机三维模型投射到二维的显示器平面或者用户可视化的平面上，本质是一种对三维物体在二维平面上的投射计算。光栅化渲染的原理是，在虚拟空间中根据三维模型表面每个点和光源的位置计算出模型表面的每个像素的颜色，从而生成相当逼真的3D模型。在游戏引擎中，这样的操作称为栅格化渲染，物体表面的明暗信息来源于光源的直接光照。使用栅格化渲染，经常需要在场景中添加额外的灯光来达到你想要的明暗效果，因为光线不会在栅格化器中反弹，然而真实世界中光线会反弹。相对的，使用光线追踪渲染（Ray-tracedRendering），只要把光源放在它们实际所在的位置，发出的光线会像在现实世界中一样在场景中反弹，从而使画面更加真实。由于光线追踪技术，来自该光源的光线会在场景中反弹；它会计算出光线与三维物体的交点，以及它应该反射多少光线，光线如何穿过虚拟相机的镜头，最后决定相机捕捉的图像应该如何显示在屏幕上，以尽可能地使结果逼真。光栅化渲染和光线追踪渲染技术有各自的优缺点。光栅化渲染可更快创建3D图像，但会牺牲画面品质。适合用于电子游戏，因为游戏速度的重要性优于画质，主流游戏引擎大多采用栅格化渲染器。光线追踪渲染需要大量的计算，适合于质量比快速交互更重要的行业：电影、电视和广告的视觉特效，以及用于建筑可视化、设计和汽车的图像和动画。追求最终视觉表现的影视、空间设计行业大多使用光线追踪渲染器。在现今的虚拟体验项目开发中，也出现了光栅与光线追踪两种技术结合的渲染效果。结合了光线追踪的正确直接光照效果，同时使用了预处理的光栅化明暗信息（间接照明），形成了真实度高的全局照明效果，或称为全局照明（GlobalIllumination），通常简称为“GI”。在保留画面物理模拟真实感的同时，保证高速的实时渲染，形成即时的视觉交互体验。
1.2计算机模拟光线环境
依据不同的采样投射框架，在光线模拟的计算上，也衍生出相对应的光照计算模型。主流的光照模拟计算模型有路径追踪技术以及辐射度方法计算。现在较为主流的，在虚拟空间可视化领域以及可视化开发平台应用较多的，是以光线路径追踪算法为主，辅助以热辐射计算模型计算的混合结果。
1.2.1直接光照模型（DirectLight）受限于计算机计算的机能以及处理速度的优化，计算机无法模拟真实世界的光学环境，即计算空间内所有存在的光子。路径追踪算法（PathTracing）是采用一根光线或者一簇光线，依据几何光学，从反射光线或者折射光线倒推出入射光线，然后沿着入射光线的反方向一路继续倒推，直到找到光源。通过这个方法测算场景中模型与光源的位置关系，从而计算其在画面中的色彩，本质上利用的是光的粒子性以及光路可逆的物理规律。通过光线追踪的光照模拟技术，可以排除大量非必要的多余计算，节省计算时间并提高显示效率。由于路径追踪计算模拟的是光线的镜面反射以及可逆性，所以在处理溶液、浑浊物等光线在物理内部发生散射现象的光学模拟时效果不佳，所以在大多数情况下用于处理物体的镜面反射结果，光线追踪技术所计算的结果也称为“直接光照”模型。
1.2.2间接光照模型（IndirectLight）辐射度计算方法（Radiosity）将光看做能量，或者说热辐射。它不考察单根光线在物体表面是如何反射折射的，而是直接计算能量在表面之间的传递函数（称为波函数）。在有了所有物体之间的波函数之后，只要对波函数进行离散采样和累加，就可以得到场景当中任何一点的光照强度。因此，经过辐射度方法计算后的光照模型又被称为是“间接光照”模型，特别适合模拟物体间的漫反射。发光贴图、环境光贴图、环境光遮蔽等间接光照的计算结果本质上都属于热辐射计算的近似。常用的间接光照算法有基于图像的光照IBL、环境光遮蔽等。（1）基于图像的光照IBLIBL是ImageBasedLighting的缩写，即基于图像的光照。其计算原理是，使用一张包裹住模型和摄像机的全景图作为光源，通过采样的方式采集环境周围的色彩数据，再通过着色合成的方式表现在模型的物体表面。（2）环境光遮蔽这种间接光算法会根据模型表面之间的距离形成角度计算灰度值：夹角小、距离近的物体表面会计算得出较深色的灰度像素，最后将整体画面计算得到的灰度图像与直接光照结果叠加，从而得到丰富的阴影效果。一般这种表现效果在模型的边角缝隙处较为明显，从而用来模拟光线亮度在夹缝处急剧衰减的效果。这种计算方法不涉及光源位置和亮度的具体运算，仅将灰度值作为附加的信息添加到直接光照的效果中。使用很小的运算代价，就为渲染成果的光照衰减增加了大量的细节。
1.2.3全局光照模型一个完整的光照模型计算，同时由两种光照模拟结果共同作用：光线追踪计算出直接光照的结果，用于判断模型与光源的关系；热辐射度计算得出的间接光照结果，用于计算物体漫反射与大面积光源的结果。两者共同作用，即产生了较为合理真实的“全局光照模型”，通常简称为“GI”。在此基础上的设计表达和空间表现，可以产生较为真实合理，符合人眼视觉规律的沉浸感体验。全局光照=直接光照（DirectLight）+间接光照（IndirectLight）
1.3材质的物理性表达
上一节主要讲述了通过计算机图形学实现现实世界光学现象的模拟计算方式，本节将介绍虚拟空间设计与可视化环节中处理表现的另一重点。在现实世界中，建筑师会根据空间设计的需要选取不同的物质材质，表达肌理、文脉、深度、场所感等空间属性。材料表现的本质是，物体表面的颗粒对光线的不同作用，被人眼捕捉以后产生的感知变化。因此，虚拟空间可视化设计中，通过哪些属性影响材质的表现结果是设计师需要了解的基础知识。渲染技术中比较常用的计算机图形学材质模型是BRDF理论模型。BRDF双向反射分布函数是建立在光学物理与计算机图形学基础上，用于描述光学反射现象的数学模型。为了便于使用，BRDF模型被简化成了多种参数化的模型，Lambert、Phong、PBR都属于BRDF模型框架下的材质模型。其中对材质可视化质感表现最为主要的有以下参数：
1.3.1漫反射
漫反射是大多数现实物质最基本的材质属性。光线照射到物体表面等以后，光线会受到物体表面分子结构排布方式的影响，产生不同的弹射效果。一部分光线弹射在光滑表面上，通过反射的方式向外传导。一部分光线收到物体本身的影响，会被物体吸收进内部，通过物体内部的弹射以及热辐射的方式重新回到物体表面。这部分未被反射，经吸收后重新散射被人眼捕获的部分光叫漫反射光。在参数层面，有很多参数用于描述类似的光学现象，包括DiffuseLight（漫反射光），SurfaceScattering（此表面散射）等等。在特定的情况下，会通过固有色这一概念描述材质漫反射以后的结果。
1.3.2镜面反射
这一概念主要用于描述物质材质的光滑程度。在入射光照射物体表面以后，一部分被物体吸收，一部分被物体表面反射，直接作用于镜头或人眼，这部分光叫镜面反射光。这一质感的现实体现主要在物体的光泽度感官，对拥有相同漫反射颜色的物体，不同的表面会表现出不同反射质感，给人以光滑和粗糙的感受区分。
1.3.3金属与非金属
金属与非金属在材质表现上有着较大差别，主要在反射光和漫反射光在比例上的大小。非金属的反射光比例一般在0～20%，金属的反射光比例一般在60%～90%，从现实世界表现上讲，非金属一般呈现物体本身的固有色（漫反射光），但是金属呈现的基本是环境光的颜色（反射光）。此外，不同金属对不同的光谱有差异的反射强度，这种现象体现在金、铜等金属会反射出黄色光而吸收其他光线。1.3.4表面凹凸在设计建模的流程中，对物体的微小细节进行建模，会对设计与表现流程带来非常大的负担。因此，在可视化表现中，物体的微小细节及凹凸变化可以通过法线贴图计算出阴影的错觉进行替代。所得的图像会根据光源计算阴影，但是没有改变物体模型的三维数据，极大地优化了存储量和计算量。此外通过置换贴图的计算方法可以真实地改变模型的结构，从而得到非常正确的可视化表现，这个方法相较于凹凸贴图的计算较为复杂，更消耗计算量。
2虚拟空间的物质营造
2.1基于物理渲染的Pbr工作流与材质塑造
上一节中，我们分析了虚拟空间可视化的关键环节和重要参数。在过去的工作流程中，在模型设计完成对模型赋予材质阶段，为了将材质描述正确并符合物理规则，会对一个材质拥有相当多的参数改动。这一调整材质并不断调试的工作过程需要相当的设计经验积累，同时也会极大地增加时间成本。基于物理的渲染Pbr工作流（PhysicallyBasedRendering）这一材质模型的设计方式极大地优化了材质物理性设计的方式和时间成本。pbr材质模型工作流相较于传统渲染材质模型的优势在于：优化了参数数量，使用较少的参数就可以描述准确的物理性质；符合物理学现象，通过能量守恒的计算公式控制材质的光属性表现。目前主流的三维建模软件以及虚拟环境搭建平台的渲染器都支持以pbr材质模型为基础的工作流管线。所使用的材质模型参数基本上控制在：固有色、粗糙度、金属度、镜面度、环境光遮蔽等几个参数内。可以通过参数调整实现控制，也可以通过材质贴图进行替换。在材质赋予这一设计环节极大地提高了设计效率。在实际的虚拟环境开发工具中，通常使用材质节点的方式，集成控制材质模型的各种参数。通过多样的计算节点，在同一界面中处理图像颜色和模型的映射关系、粗糙金属度、镜面反射、凹凸等等材质属性。图2是常见的pbr材质模型工作流程下控制物体材质的基础节点。这是以BSDF数学模型为框架的材质处理节点，其中有相当多的参数选项用于制作不同的材质效果。其中较为常用的、与PBR模型工作流强关联的是BaseColor（漫反射）、Metallic（金属度）、Roughness（粗糙度）、Normal（法线）。在常用的金属非金属材质的制作中，通过以上几个参数控制可以完成大部分现实世界的材质表达。图3是一个完整的PBR材质处理流程，包含贴图映射、材质贴图、集成节点三个模块。首先通过贴图映射模块，控制物体表面和贴图相互对应的位置关系，使用不同的映射方式和缩放比例，可以控制贴图在虚拟模型上的位置和大小关系；其次，在材质贴图的模块，通过一套PBR的材质贴图控制虚拟物体的固有色、金属度、粗糙度、凹凸属性；最终这些图像和映射的数据，通过集成的材质节点在虚拟环境中进行渲染及可视化的呈现。如图4表示了在同一套材质贴图的图像条件下，可以通过增加材质节点的方式，改变粗糙度贴图的取值范围和影响程度，从而改变道路表面的光滑程度，在渲染窗口显示出湿滑与干燥的路面表现。与之对应的工作方式还有很多，使用不同的颜色节点、纹理节点、向量节点，可以在同一套材质贴图的基础上对所需要的效果做出快速的调整，制作不同金属度、色彩倾向、粗糙度的物理质感。这种方法在设计推敲过程中，与最终表现的流程里都有极高的可操作性和可重复性。可以说，使用PBR材质模型进行物体质感的可视化表达符合物理光学的真实感，同时在工作流程上更加简便和科学。不论从建筑可视化的角度和虚拟空间设计的角度，都有极高的实践价值。
2.2实时渲染技术和虚拟空间可视化工作流程
2.2.1实时渲染技术
根据设计交互与计算机视觉画面呈现的效率与时间区分，渲染技术分为实时渲染和离线渲染。离线渲染的技术特点是，在画面计算前预定好光线、材质等参数，在拥有充分时间储备的情况下计算出具有极高精度和质量的画面。优势是可以做出极高的品质和效果，缺点是无法交互以及实现画面的实时反馈。实时渲染技术，是指在设定了光源、材质等参数以后，通过预渲染的技术，实现用户或者镜头在环境中变化的同时，观察画面同步发生实时的计算结果改变。优势是可以实现用户的交互，镜头的多位置观察，即时性好。缺点是对计算机的计算性能有较高要求，同时为了满足即时计算，一定程度上会牺牲画面的品质。从设计工作流程的角度，传统的建筑设计中往往应用离线渲染作为最终效果图表现的手段，离线渲染技术以本身对于高精度和品质的计算得以完成建筑师对设计画面品质的追求。在虚拟空间设计实践中，更多需要通过实时渲染技术实现虚拟空间的可视化，达到用户交互体验与交互设计的目的。通过实时渲染，设计师可以对空间内的材质改变、灯光的设计、空气雾气的影响做出高效的调整。
2.2.2虚拟空间可视化工作流
以下（图5）是笔者在虚拟环境搭建平台实现的实时渲染效果，以PBR材质模型为设计工作流的虚拟环境搭建案例。这一次工作流程的探索，探索了从模型建立，到外部资源导入工具，在平台内通过节点实现材质控制，结合全局光照的布置到最后情绪表现的完整设计流程，是虚拟空间可视化工作全流程的实践和技术点实现，证明了虚拟空间可视化技术应用在建筑表现层面的可操作性。案例以日本东京新宿雨天商业街景为环境参考，进行虚拟场景环境搭建，目的是还原参考的气氛和物理材质，在此基础上强化气氛和情绪渲染。当前参考环境是一个阴雨天气，整体氛围低调静谧，主要表现的材质为非金属的地砖、面砖、沥青地面、玻璃，金属质感的涂漆表面、锈蚀路桩，以及木材质和植物叶面。全局光照设计上，使用了阴雨天气的天空环境光作为间接光照，配合环境遮蔽实现光线在夹缝处的衰减，添加雾效实现光源的自定义衰减程度。光照设计层面，使用多个片面状的室内光源，模拟展台和顶灯。情绪氛围上，通过室外阴雨天的冷色调和室内光的暖色调对比引导视线，同时突出室内空间的温馨氛围。图6是虚拟空间可视化工作流的技术框架，以及框架下常用的技术节点。工作流覆盖了从采样和光照模型开始的光环境设计，以及以pbr材质模型为基础的物理属性表现设计。其中的各个技术节点为基本常用的节点，在特定情况和需求下会加入其他的技术节点解决具体应用问题。值得一提的是，虚拟空间可视化工作流的技术节点在不同的开发平台可能以不同的形式呈现，在开发界面里各个技术节点有时以混合的方式出现，但是基本的技术内容是相近的，在掌握一个平台的开发流程后，在新的开发环境中可以很快地迁移和调整。通过虚拟空间可视化流程的应用，在设计尺度以及空间感准确的基础上建立模型，利用好PBR材质模型工作流和光照设计，可以在建筑可视化领域以及虚拟空间搭建上都有效率和品质上的极大提升，对于设计中期推敲和后期表现都有很强的应用性。这也是虚拟空间体验沉浸感塑造的关键性技术和工作方式。
3虚拟物质空间沉浸的建筑学应用
虚拟物质空间的沉浸表现和可视化应用，在建筑学设计和研究中有着极大的应用价值。在建筑方案设计以及推敲过程中，通过材质和气氛的表现，能够高效地表达建筑方案的建成效果，并实时地反馈和调整。根据设计需求和材料的真实情况对空间设计和材质材料进行调整，从而使空间设计贴近需求，建成效果可控、可预估。为说明虚拟物质空间可视化与沉浸感塑造的工作流程在建筑设计领域的应用，本文采用了一个设计项目案例进行虚拟环境搭建，并通过虚拟空间沉浸式的可视化成果，横向比对不同光照环境下的空间气氛表现以及不同材料工艺的表面材质对室内外空间表现的影响。如图7是该案例在虚拟环境搭建下的可视化表现结果，该案例选自直向建筑事务所，项目规模270平方米。海滨教堂在西侧为旅游社区服务。它是社区中距离海洋最近的人造空间。除了宗教活动外，在海滨教堂还计划举办许多公共活动和社区活动。它们与海滨图书馆一起，提供了面向大海的精神空间，人们可以在其中放慢生活速度，享受自然并检查自己的内在状态。案例通过虚拟环境搭建平台工具生成虚拟建筑空间环境，实现可视化沉浸表现。在1.2节叙述的虚拟空间工作流的技术框架内，通过模型、材质、环境光照、设计光照的流程，依次实现结构搭建、材质选取的比对、室外气氛表现、室内灯光设计的不同环节设计表达，对每个设计阶段进行推敲修改和成果表现。虚拟空间可视化的工作流程使得各个表现与沟通环节都有极大的效率提升和成果改进。在模型阶段主要处理建筑结构，室内外场景的正确搭建工作，为后续可视化氛围做准备。在表面材质赋予的环节，笔者采用了与案例相同的混凝土白色涂料以及红砖材料，对虚拟环境中的建筑表面进行材质赋予，同时在虚拟环境中比对表现效果（图8）。可见在正确的光照环境工程中，能非常直观地预知建成的表现效果。同时，由于采用了实时渲染的反馈技术，能够在极短时间内得到令人满意的表现效果。在以往的表现图渲染工作流中，由于离线渲染的巨大计算量以及较长的运算时间，表现图渲染往往作为设计最终的表达成果，很难实现在设计初期、中期通过可视化表现促进方案的推敲。而在虚拟空间可视化工作流中，由于实时渲染和沉浸感的互动使得在设计中期，通过视觉表现推进方案成为可能。在气氛表现和光照设计阶段（图9），通过调整环境光和外部灯光设计烘托建筑氛围，更加全面直观地感知建成效果和环境关系。阴雨天气的表现中，整体气氛压抑昏暗，同时墙面地面的材质被雨水打湿反射变强，通过材质节点的调整达到细部正确的反光效果。在室内设计和软硬装设计层面，通过虚拟空间可视化也能以极高的效率实现建成效果的预知和室内气氛的表达。使用不同的家具陈设和室内光源的设计，能极高地表现出空间感和使用体验。最后，藉由虚拟空间可视化的高度沉浸特性，通过摄像机漫游和路径叙事的手段，可以使观者在虚拟环境中游览。实现在虚拟空间与建筑空间以及室内外关系中发生互动体验，借助气氛和光线的表达，最终生成有叙事感的画面组成（图10）。这种电影故事板形式的表现，能使建筑空间表达更加生动、更接近日常的感知。
结语
本文就虚拟空间可视化的计算机图形技术进行了综述概括，说明了空间可视化下图形学的技术框架，同时就虚拟空间物质性表现的关键环节进行了概述，并解释了漫反射、镜面反射等可视化处理的关键表现环节。在此基础上，对虚拟空间物质营造的pbr工作流与可视化技术进行了阐述，并通过建筑案例的虚拟空间表现分析了虚拟空间可视化表达的可行性。虚拟空间设计对建筑空间感知，项目方案推敲以及反馈都有着重要的作用，掌握虚拟空间可视化设计工作流对建筑师团队有着很高的必要性。在虚拟现实技术成熟的信息时代，未来在建筑领域直接面向虚拟空间的设计需求也会增长，虚拟空间可视化沉浸设计也将扮演越来越重要的角色。
作者：陈帆 倪悦 单位：浙江大学建筑工程学院
