虚拟现实技术应用于光环境可视化研究的前沿动态

时间：2024-07-28

陈尧东，支锦亦，向泽锐，李然，杜军，吴永萌

(1.西南交通大学建筑与设计学院，四川成都 610031；2.西南交通大学人机环境系统设计研究所，四川成都 610031)

引言

在人因光环境研究中，为了厘清光照刺激对人视觉、生理及情绪的影响作用及机理，需要大量迭代的实验研究。应用虚拟技术对光环境进行可视化模拟，以替代真实光环境进行相关实验被认为是一种经济、可行的方法。Moscoso等[1]通过主观评价实验，比较了立体图像所再现的自然光环境与真实自然光环境之间的一致性，结果显示，被试对这种虚拟场景及真实光环境的评价具有较高的一致性，说明立体图像对自然光环境可视化精度能满足主观评价实验的需求。Schielke[2]比较了照片、视频所呈现的虚拟光环境与真实光环境，结果也显示，在亮度及其对比度感知方面，两种虚拟媒介与真实光环境表现出一致性。可见，以真实世界光环境参数为依据的虚拟可视化媒介能够在一定程度上保持与真实光环境的一致性，能满足主观评价甚至光学测量等研究手段的要求[3]。因此，在以往的研究中，非沉浸式的虚拟媒介被大量应用于对空间和光环境的主观评价研究[4-7]。尽管如此，由于使用者无法真正沉浸在此类媒介所呈现的光环境中，它被认为存在因信息缺失引起的感知偏差，因此学界对其可靠度及应用边界依然持保守态度。

近年来，VR技术不断发展，沉浸感和交互性越来越高,VR向IVR(沉浸式虚拟现实，immersive virtual reality)方向的发展不断深化。这种沉浸式的交互体验弥补了传统图像展示技术的感知偏差问题，营造出更接近真实世界的虚拟环境。

VR是在虚拟环境中进行的沉浸式交互体验，除了视觉，还可以整合听觉、触觉甚至嗅觉等多维度的知觉交互；这种沉浸式环境可以类似于真实世界，也可以超越现实，创造出在现实世界中不可能体验到的情景，因此，VR在医疗、教育、工程等领域都有大量的应用，也被认为是能代替真实空间进行光环境研究的最佳虚拟媒介。

VR技术的优势在于多维度的交互所营造的高沉浸感、临场感及真实感。而VR技术的本质是图像技术与人机交互技术整合形成的沉浸式体验，因此，其基础是光环境的可视化和视觉交互。其中，光环境可视化精度决定了VR场景对真实世界的还原程度；视觉交互是VR多维度交互的基础，它不仅仅让使用者能看见虚拟世界，更重要的是它允许体验者从第一人视角动态的体验空间，感受环境，并且提供与现实世界视看行为一致的视野及视看对象。因此，它对于光环境可视化模拟的精确度一定程度上也决定了VR技术的应用边界及深度。探索VR技术对光环境进行精确可视化模拟对推动VR技术在更广阔的领域进行更深层次的应用具有较大的经济价值及学术价值。

本文系统梳理了VR技术在光环境可视化领域研究的发展进程及前沿热点：介绍了当下IVLE的构建原理、常用方法、软件及设备；剖析了国内外应用IVLE替代真实空间光环境探索人因光环境研究的评价方法及评价因子；最后，对既有研究进行了分类分析，梳理出VR技术在光环境可视化研究领域的发展方向及科研、应用价值；为国内外关于VR技术用于光环境领域的工程及科研工作提供一个较系统的认识，为相关研究提供理论及经验支持。

1 VR技术用于光环境可视化研究的发展

VR是用虚拟媒介去模拟、呈现客观环境的技术，在其发展过程中，技术不断更迭：从早期的二维图像到三维立体图像(视频)；从单项屏幕展示到多维沉浸式交互展示，对真实世界的模拟及还原程度也越来也高。近些年,VR技术沉浸感和交互性方面取得突破，沉浸式虚拟现实(immersive virtual reality, IVR)被认为是真正愿意上的VR技术，传统的单项展示技术已渐渐脱离VR概念的核心。但，VR技术不管怎么演变，图像技术始终是最重要的核心之一。早在20世纪七八十年代，就有大量应用照片(或图像)作为虚拟媒介来模拟客观环境的研究案例；1990年，Stamps[8]对这些研究进行了荟萃分析，并开始关注对真实环境模拟(呈现)的精确度问题。图1所示为虚拟媒介用于光环境可视化领域的发展进程。

图1 虚拟媒介应用与光环境可视化研究的发展进程

1.1 二维图像(视频)

1997年起，以照片[9]或渲染图[4]作为虚拟媒介的研究开始零星应用于光环境模拟中。2005年前后，大量类似研究开始出现，Newsham等[5]、Naoyuki[10]、Matusiak等[11]、Park[12]等人使用静态图像替代真实空间光环境，探讨人对不同光照参数(光分布、亮度、色温等)的视觉偏好及反映。但这些研究案例大多从光环境参数的定性探讨角度肯定了静态图像对真实空间光环境模拟的可靠度，同时又提出了其在定量研究方面的不足，以及其二维的展示方式导致的大量感知信息缺失。

1.2 三维立体图像(视频)

1996年，Loomis等[13]的研究发现,在投影中的“双目视差”能够对真实世界的“景深信息”进行更精确的还原。Lambooij等[14]的研究进一步强调了“双目视差”还原景深信息之外，还对于人的其他视觉感知因子产生影响。因此，根据“双目视差”原理，制作的3D立体图像能使沉浸感大大提高，能营造出类似于真实世界的立体虚拟环境。“虚拟现实(virtual reality)”概念在这段时期开始被提出，3D立体图像技术也被大量应用于对光环境的可视化模拟研究中。1998年，Wienold等[15]第一次使用3D立体图像模拟光环境，预测使用者对自然采光系统的接受程度。Fontoynont等[16]使用立体图像，通过语义差异法探讨光环境品质与使用者主观感受的关系。2015年，Moscoso等[1]通过主观评价实验，比较了3D立体图像所呈现的自然光环境与真实自然光环境之间的一致性及差异，结果显示，被试对这种虚拟场景及真实光环境的评价具有较高的一致性，说明立体图像对自然光环境可视化精度能满足主观评价实验的需求。同年，Murdoch等[7]的研究也详细验证了3D立体图像在光环境可视化方面的优势，并阐述了其制作流程及各流程中影响光环境模拟精确的因素。

1.3 沉浸式虚拟现实技术

3D立体图像虽然能一定程度上弥补景深信息，但它始终是单项的投影展示，视野与视觉交互与真实世界仍有较大差异。球幕投影、CAVE沉浸式投影等技术应运而生，但因其需要与真实空间结合，占地大、施工复杂，性价比低，在光环境研究领域并没与的得到广泛应用。

与之相比，头戴式VR设备具有更大的优势，2015年前后，这种沉浸式VR技术开始应用于光环境的研究中，Heydarian等[17-19]第一次将这种VR技术应用于建筑自然采光研究，并在这种沉浸式虚拟环境(immersive virtual environment,IVE)中进行了一系列实验; 比较了IVE和真实自然光环境在临场感及沉浸感方面的差异，结果显示出高度的一致性；并在此基础上，应用VR场景来探讨人对办公空间中自然采光环境的心理感受，分析了被试对手动遮阳及半手动遮阳的偏好，总结出人在办公空间中的行为特点。2018年，Chamilothori等[3]通过对比试验，比较了IVE场景对真实世界自然光环境模拟的可靠度，并证明了现有技术下构建的IVE场景能很好的还原自然采光环境，在此基础上，Chamilothori团队[20]又进一步研究了格栅化的窗户所产生的光影图案对人心理、生理的影响。2019年，陈尧东等[21]通过实验研究，对比了沉浸式VR、照片及视频3种虚拟媒介对真实空间光环境的还原能力及其所再现的光环境给被试的主观感受(视觉因子、情感因子及整体满意度)差异；量化3种虚拟媒介所再现的光环境与其原型光环境的接近程度；得出了VR对光环境的还原程度显著优于传统的、平面化的二维虚拟媒介，对真实光环境的还原程度更好。此研究，通过实验量化了虚拟媒介从早期的二维图片，到现在的IVR技术，虚拟媒介在光环境可视化精确模拟方面取得的进步。

2 IVR的优势及评价因子

IVR整合了传统的图像技术、交互技术以及沉浸式的展示，其优势在于多维度的交互功能及沉浸式的展示所营造的高沉浸感、临场感，并在空间塑造(景深信息、立体感)、视觉信息传达等方面表现出优越性。

1)交互性与沉浸感。IVR的“交互性”与“沉浸感”被学界公认为是营造与真实世界一致的虚拟环境最重要的两个影响因素[5,21,22]。其中，视觉交互是所有交互行为的基础，而IVE在视觉交互上，不仅能提供与真实世界一致的视野，还允许使用者视点移动、转向等多种交互行为。

2)交互性与临场感。IVR的交互性还能赋予使用者较强的“临场感”，临场感对于评价虚拟媒介对客观世界模拟的精确度是一个非常重要的评价因子[22，25]。1997年，Slater等[26]将临场感定义为用户在体验虚拟环境时“身临其境”的感受，2001年，Schubert等[27]将临场感分解成3个维度：空间临场感、参与感以及真实感。这3种感知决定了使用者是否能暂时忘掉真实世界，沉浸在虚拟环境中；也影响着用户对此虚拟环境真实感的感知。

3)景深感与立体感。除此之外，空间信息，如“景深感”、“立体感”也是评价虚拟媒介对真实环境模拟精确度的另一个重要的因素。IVE所提供的360°全景图像信息能增强虚拟环境的空间感及立体感，同时，IVE也可以结合“双目视差”原理，生成3D立体场景。因此，IVE对空间的景深感和物体的立体感的表现上，较传统图像技术有较大的优势。

2019年，团队通过实验研究[21]，也证明了IVE在临场感、真实感、景深感、立体感等方面表现优越。图2所示雷达图是被试对真实空间光环境及各虚拟场景中6个影响因子(临场感、真实感、景深感、立体感、舒适度、清晰度)的打分情况，6个级点所围成的面积表征着虚拟媒介对真实光环境的还原能力，面积越大，则对真实照明环境的还原能力越好。从图中可以看出VR场景对光环境的呈现能力与传统虚拟媒介相比，被认为具有更高的临场感、真实感、景深感、立体感及舒适度(实验设计、实验场景等信息见文献[21])。

图2 VR、照片、视频对光环境还原能力雷达图

从既有研究看来，虚拟环境对真实世界的模拟精确度的主要评价因子有：交互性、沉浸感、临场感、立体感、真实感，还有“视野”、“景深信息”等。这些评价因子存在一定的层级及权重关系，相互之间也存在着较强的关联性和交互性。只有虚拟环境从各个维度去准确还原真实世界给人的感知信息，才能保证虚拟环境对真实世界的精确模拟。

3 沉浸式虚拟光环境(IVLE)的构建路径及方法

IVLE的构建路径及方法的标准化对于国内外相关研究形成合力是十分必要的。Murdoch等[7]的研究阐述了虚拟场景制作的关键流程，包括：空间构建(modeling)、光环境模拟(light simulation)、色调映射(tonemapping)、呈现(display)，表1展示了各个步骤可以应用到的软件和设备。空间构建，通过构建各类围合结构形成空间，常用的建模软件有Sketchup、3Dmax、犀牛等。光环境模拟是对空间中材质的光学性质进行赋值，如材料的反射率、透明度等，以及确定光源位置、光分布、照明数量及质量等信息，并将这些光度数据转换成可视化的图像。色调映射要解决的问题是场景亮度变换到可以显示的范围，使得处理后的图像人眼看起来能更好的表达所呈现的客观世界的信息与特征。图像色调映射算法可以分为全局算法(常用算法:直方图均衡化、Gamma、对数校正、直方图规定化、分段灰度变换等)和局部算法(常用算法:分块中值直方图等)；局部方法的性能一般优于全局算法。由于色调映射是IVE场景图像处理的最后一步，因此对最终的呈现效果十分重要。虚拟光环境呈现方式从2D图像呈现，到3D立体呈现，再到IVE沉浸式展示，其对图像信息中所要传达到相应真实世界的信息越精确。其中，IVE场景的呈现一般是头戴式VR设备，如HTC vive等，也可以是球幕式投影。

表1 IVLE的构建路径及方法

IVE场景制作的每个流程都会对最后呈现的可视化效果产生影响，均决定着其对真实世界的还原程度。沉浸式VR实质是传统图像技术结合新的呈现方式。其基础是图像。IVE的图像制作部分，可以通过多种方式完成，如，照片、渲染图等。2015年，Chamilothori等[3]，应用radiance对办公空间自然光进行精确模拟，以人站立其中的视角(如图3所示)，生成与真实自然光环境保持高度一致的6个方向的渲染图，在unity中建立相应空间模型，并将6张渲染图投影到相应的室内界面上，生成一个IVE场景，使用头戴式虚拟设备进行呈现。这种提前渲染生成的VR光环境可以提供视点固定时对光环境的精确模拟及交互，但视点一旦偏离预设位置，眼睛所接触的光度数据就存在偏差，因此无法精确反映人移动时进入人眼的光感知的变化情况。最新VR的技术已能实时渲染，但要实现随着人眼位置的移动，实时模拟进入人眼光照数据的变化还需要大量基础研究工作。

4 VR在光环境可视化领域的研究发展方向

由于VR技术几乎继承了传统图像技术的所有优势，并提供沉浸式的呈现及多维度的交互，因此，在众多领域有大量的应用，且其应用价值和前景仍然有广阔的发展空间。为推动VR技术在光环境可视化领域的发展，学界在持续而广泛的做应用及科研探索，其中，热点的研究方向有以下几方面。

1)与BIM结合，探索VR光环境可视化在工程领域的应用。BIM能够提供可视化的思路，实现从线条式的构件到三维的立体图形展示；但这种简单的可视化缺少与环境之间的互动性和反馈性。而VR的优势正是在于多维度的交互，其中，光环境方面的视觉交换尤为重要，因此，VR与BIM与结合，实现的可视化是一种能够同环境(光环境)之间产生关联的可视化，其结果不仅可以用效果图展示及报表生成，更重要的是在工程项目的设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都可以在交互性的可视化状态下进行。因此，VR整合进入BIM是一个非常总要的研究方向及热点。

2)与循证设计结合，探索VR在光环境研究领域的创新应用。循证设计是整合了科学研究与人因设计的庞大“研创”体系，作为一种科学的、客观的设计方法，能让设计过程在关键节点有理可述、有据可循，充分建立起了空间、光环境与人之间的联系，能有效实现以人群需求为导向(user-oriented)的个性化及定制化的光环境营造[28]。VR技术对于虚拟场景的构建及对真实世界的模拟真实感越来越强、还原度越来越高；能给使用者极强的临场感及沉浸感。因此，VR技术在辅助完成循证设计方面具有非常大的先天优势及潜力；对于“场景模拟”、“设计沟通”及“方案确定”等各阶段起到辅助作用。文献[12,13]中的研究均使用了VR技术对建筑设计进行辅助。在设计过程中，研究人员将前期方案制作成沉浸式VR场景，邀请决策者和终端用户沉浸其中，对设计方案做出评估及反馈，以指导方案的修改及优化，该研究证明，VR辅助设计能直接回应用户的需求，显著减少决策时间，提高设计质量。2018年，陈尧东等[27]以养老空间色彩环境为研究对象，通过VR技术替代真实建筑空间及空间中的视觉要素，进行空间建构及沉浸式室内色彩模拟，并邀请老年人沉浸其中进行主观评价，根据老年人的主观感受数据指导色彩改造。研究充分证明了VR技术对于完成高品质的适老型室内色彩环境的营造起到的指导作用。

3)对VR技术持续开发，探索VR对光环境精确模拟的方法。VR对光环境可视化模拟，实现具有视觉吸引力，满足人视觉偏好的虚拟场景相对较容易，但实现精确模拟难度却非常大，需要大量的基础实验研究，才能建立起人知觉感知对真实和虚拟环境的一致性，这涉及到VR场景制作的各个环节及其中的众多参数。在这庞大的构建路径及体系里，需要确定一个VR场景搭建的最佳路径，并以此路径为基准，从各个环节、各个参数展开基础研究，这样才能将虚拟环境对客观世界的模拟精确不断提高。Murdoch等[7]对虚拟场景的构建路径进行了简单介绍，包括：空间构建，光环境模拟，色调映射，呈现方式等；并推荐了相应的软件及设备。但并没有确定最佳的工作路径。Matusiak等[11]研究了空间建构过程中，空间宽度和高度等尺度信息对人视觉感知的影响；Villa等[28]通过实验研究探讨了色调映射环节的相关因素对精确模拟的影响；Siess等[29]的研究探讨了VR空间中的色温感受。可见，关于VR各流程的研究已经非常丰富，但是上述研究的出发点及研究目标存在差异，不成系统，想要实现VR环境对真实世界的精确可视化，还需要系统的研究。

4)VR代替真实光环境,进行人因光环境领域的研究。由于虚拟世界(屏幕发光)与真实物理世界(各个物体发光或反光)的发光原理存在差异，VR对光环境的可视化模拟要做到与客观世界完全一致是几乎不可能的，精确可视化只是一个相对的概念。因此，目前应用光环境模拟真实空进行的实验研究都有一个前提假设：VR所呈现的光环境与其原型场景一致。所以，目前用虚拟光环境来代替真实光环境进行的实验研究并没有真正脱离真实环境，大多数研究都构建了一个真实的参考场景。尽管如此，在一定程度上，应用VR代替真实世界进行光环境研究仍然可行。2015年，Heydarian等[17-19]应用VR场景来探讨人对办公空间中自然采光环境的心理感受，分析了被试对手动遮阳及半手动遮阳的偏好，总结出人在办公空间中的行为特点。2018年，Chamilothori等[3]以VR为媒介代替真实世界，通过主观评价实验探讨了被试在不同自然采光方式下，对愉悦感、趣味性、兴奋度、复杂性和满意度5维度的评价。