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摘要：視覺沉浸感是虛擬物質空間體驗的重要構成維度，高效合理的視覺沉浸設計在建筑空間表現以及虛擬空間可視化應用中都有極高的價值。文章從實現虛擬物質空間體驗的技術出發，討論計算機圖形學、物理光學模擬的基本原理和設計實踐的具體應用方法。結合建筑可視化等相關的應用領域，對虛擬空間可視化沉浸的設計流程展開了討論，最終實現虛擬環境沉浸感的設計實現。

關鍵詞：虛擬空間；沉浸感；可視化；圖形學

引言

視覺沉浸感是虛擬物質空間體驗的重要構成維度，高效合理的視覺沉浸設計在建筑空間表現以及虛擬空間可視化應用中都有極高的價值。要實現虛擬環境的可視化表現，需要從可視化技術出發，討論計算機圖形學、物理光學模擬的基本原理和工具實踐的具體應用方法，結合建筑可視化等相關的應用領域，從原理和應用兩個方面對虛擬空間可視化沉浸的設計流程展開討論，最終實現虛擬環境沉浸感的設計實現。

1虛擬空間可視化的技術框架

虛擬空間沉浸感的效果，需要從體驗者的視覺、聽覺、觸覺等多個知覺維度進行體驗設計。當前對虛擬體驗沉浸感影響最為明顯的是視覺沉浸感，虛擬體驗項目主要基于視覺沉浸和視覺設計進行。要實現高度的視覺沉浸感，就需要從計算機圖形的角度認識建筑空間的可視化計算原理以及相應的工具邏輯。使用計算機軟件模擬物質空間，重現虛擬空間內的物質屬性，通過圖形計算在屏幕上得到具象表現的過程，本質是對虛擬空間中的光環境與材料表面相互作用結果的模擬計算。一個完整的可視化實現過程需要三個環節（圖1）：采樣計算、光照模擬、材質模型。通過采樣方式確定三維物體在屏幕上的投射方式，依據采樣方式衍生出不同的光照計算模型，作用在物體材質表面，通過材質模型的處理，計算出最終的表現效果。

1.1渲染采樣技術

常見的采樣方式有光柵化渲染（RasterizedRendering）與光線追蹤渲染（Ray-tracedRendering），采樣環節主要解決的是將計算機三維模型投射到二維的顯示器平面或者用戶可視化的平面上，本質是一種對三維物體在二維平面上的投射計算。光柵化渲染的原理是，在虛擬空間中根據三維模型表面每個點和光源的位置計算出模型表面的每個像素的顏色，從而生成相當逼真的3D模型。在游戲引擎中，這樣的操作稱為柵格化渲染，物體表面的明暗信息來源于光源的直接光照。使用柵格化渲染，經常需要在場景中添加額外的燈光來達到你想要的明暗效果，因為光線不會在柵格化器中反彈，然而真實世界中光線會反彈。相對的，使用光線追蹤渲染（Ray-tracedRendering），只要把光源放在它們實際所在的位置，發出的光線會像在現實世界中一樣在場景中反彈，從而使畫面更加真實。由于光線追蹤技術，來自該光源的光線會在場景中反彈；它會計算出光線與三維物體的交點，以及它應該反射多少光線，光線如何穿過虛擬相機的鏡頭，最后決定相機捕捉的圖像應該如何顯示在屏幕上，以盡可能地使結果逼真。光柵化渲染和光線追蹤渲染技術有各自的優缺點。光柵化渲染可更快創建3D圖像，但會犧牲畫面品質。適合用于電子游戲，因為游戲速度的重要性優于畫質，主流游戲引擎大多采用柵格化渲染器。光線追蹤渲染需要大量的計算，適合于質量比快速交互更重要的行業：電影、電視和廣告的視覺特效，以及用于建筑可視化、設計和汽車的圖像和動畫。追求最終視覺表現的影視、空間設計行業大多使用光線追蹤渲染器。在現今的虛擬體驗項目開發中，也出現了光柵與光線追蹤兩種技術結合的渲染效果。結合了光線追蹤的正確直接光照效果，同時使用了預處理的光柵化明暗信息（間接照明），形成了真實度高的全局照明效果，或稱為全局照明（GlobalIllumination），通常簡稱為“GI”。在保留畫面物理模擬真實感的同時，保證高速的實時渲染，形成即時的視覺交互體驗。

1.2計算機模擬光線環境

依據不同的采樣投射框架，在光線模擬的計算上，也衍生出相對應的光照計算模型。主流的光照模擬計算模型有路徑追蹤技術以及輻射度方法計算。現在較為主流的，在虛擬空間可視化領域以及可視化開發平臺應用較多的，是以光線路徑追蹤算法為主，輔助以熱輻射計算模型計算的混合結果。

1.2.1直接光照模型（DirectLight）受限于計算機計算的機能以及處理速度的優化，計算機無法模擬真實世界的光學環境，即計算空間內所有存在的光子。路徑追蹤算法（PathTracing）是采用一根光線或者一簇光線，依據幾何光學，從反射光線或者折射光線倒推出入射光線，然后沿著入射光線的反方向一路繼續倒推，直到找到光源。通過這個方法測算場景中模型與光源的位置關系，從而計算其在畫面中的色彩，本質上利用的是光的粒子性以及光路可逆的物理規律。通過光線追蹤的光照模擬技術，可以排除大量非必要的多余計算，節省計算時間并提高顯示效率。由于路徑追蹤計算模擬的是光線的鏡面反射以及可逆性，所以在處理溶液、渾濁物等光線在物理內部發生散射現象的光學模擬時效果不佳，所以在大多數情況下用于處理物體的鏡面反射結果，光線追蹤技術所計算的結果也稱為“直接光照”模型。

1.2.2間接光照模型（IndirectLight）輻射度計算方法（Radiosity）將光看做能量，或者說熱輻射。它不考察單根光線在物體表面是如何反射折射的，而是直接計算能量在表面之間的傳遞函數（稱為波函數）。在有了所有物體之間的波函數之后，只要對波函數進行離散采樣和累加，就可以得到場景當中任何一點的光照強度。因此，經過輻射度方法計算后的光照模型又被稱為是“間接光照”模型，特別適合模擬物體間的漫反射。發光貼圖、環境光貼圖、環境光遮蔽等間接光照的計算結果本質上都屬于熱輻射計算的近似。常用的間接光照算法有基于圖像的光照IBL、環境光遮蔽等。（1）基于圖像的光照IBLIBL是ImageBasedLighting的縮寫，即基于圖像的光照。其計算原理是，使用一張包裹住模型和攝像機的全景圖作為光源，通過采樣的方式采集環境周圍的色彩數據，再通過著色合成的方式表現在模型的物體表面。（2）環境光遮蔽這種間接光算法會根據模型表面之間的距離形成角度計算灰度值：夾角小、距離近的物體表面會計算得出較深色的灰度像素，最后將整體畫面計算得到的灰度圖像與直接光照結果疊加，從而得到豐富的陰影效果。一般這種表現效果在模型的邊角縫隙處較為明顯，從而用來模擬光線亮度在夾縫處急劇衰減的效果。這種計算方法不涉及光源位置和亮度的具體運算，僅將灰度值作為附加的信息添加到直接光照的效果中。使用很小的運算代價，就為渲染成果的光照衰減增加了大量的細節。

1.2.3全局光照模型一個完整的光照模型計算，同時由兩種光照模擬結果共同作用：光線追蹤計算出直接光照的結果，用于判斷模型與光源的關系；熱輻射度計算得出的間接光照結果，用于計算物體漫反射與大面積光源的結果。兩者共同作用，即產生了較為合理真實的“全局光照模型”，通常簡稱為“GI”。在此基礎上的設計表達和空間表現，可以產生較為真實合理，符合人眼視覺規律的沉浸感體驗。全局光照=直接光照（DirectLight）+間接光照（IndirectLight）

1.3材質的物理性表達

上一節主要講述了通過計算機圖形學實現現實世界光學現象的模擬計算方式，本節將介紹虛擬空間設計與可視化環節中處理表現的另一重點。在現實世界中，建筑師會根據空間設計的需要選取不同的物質材質，表達肌理、文脈、深度、場所感等空間屬性。材料表現的本質是，物體表面的顆粒對光線的不同作用，被人眼捕捉以后產生的感知變化。因此，虛擬空間可視化設計中，通過哪些屬性影響材質的表現結果是設計師需要了解的基礎知識。渲染技術中比較常用的計算機圖形學材質模型是BRDF理論模型。BRDF雙向反射分布函數是建立在光學物理與計算機圖形學基礎上，用于描述光學反射現象的數學模型。為了便于使用，BRDF模型被簡化成了多種參數化的模型，Lambert、Phong、PBR都屬于BRDF模型框架下的材質模型。其中對材質可視化質感表現最為主要的有以下參數：

1.3.1漫反射

漫反射是大多數現實物質最基本的材質屬性。光線照射到物體表面等以后，光線會受到物體表面分子結構排布方式的影響，產生不同的彈射效果。一部分光線彈射在光滑表面上，通過反射的方式向外傳導。一部分光線收到物體本身的影響，會被物體吸收進內部，通過物體內部的彈射以及熱輻射的方式重新回到物體表面。這部分未被反射，經吸收后重新散射被人眼捕獲的部分光叫漫反射光。在參數層面，有很多參數用于描述類似的光學現象，包括DiffuseLight（漫反射光），SurfaceScattering（此表面散射）等等。在特定的情況下，會通過固有色這一概念描述材質漫反射以后的結果。

1.3.2鏡面反射

這一概念主要用于描述物質材質的光滑程度。在入射光照射物體表面以后，一部分被物體吸收，一部分被物體表面反射，直接作用于鏡頭或人眼，這部分光叫鏡面反射光。這一質感的現實體現主要在物體的光澤度感官，對擁有相同漫反射顏色的物體，不同的表面會表現出不同反射質感，給人以光滑和粗糙的感受區分。

1.3.3金屬與非金屬

金屬與非金屬在材質表現上有著較大差別，主要在反射光和漫反射光在比例上的大小。非金屬的反射光比例一般在0～20%，金屬的反射光比例一般在60%～90%，從現實世界表現上講，非金屬一般呈現物體本身的固有色（漫反射光），但是金屬呈現的基本是環境光的顏色（反射光）。此外，不同金屬對不同的光譜有差異的反射強度，這種現象體現在金、銅等金屬會反射出黃色光而吸收其他光線。1.3.4表面凹凸在設計建模的流程中，對物體的微小細節進行建模，會對設計與表現流程帶來非常大的負擔。因此，在可視化表現中，物體的微小細節及凹凸變化可以通過法線貼圖計算出陰影的錯覺進行替代。所得的圖像會根據光源計算陰影，但是沒有改變物體模型的三維數據，極大地優化了存儲量和計算量。此外通過置換貼圖的計算方法可以真實地改變模型的結構，從而得到非常正確的可視化表現，這個方法相較于凹凸貼圖的計算較為復雜，更消耗計算量。

2虛擬空間的物質營造

2.1基于物理渲染的Pbr工作流與材質塑造

上一節中，我們分析了虛擬空間可視化的關鍵環節和重要參數。在過去的工作流程中，在模型設計完成對模型賦予材質階段，為了將材質描述正確并符合物理規則，會對一個材質擁有相當多的參數改動。這一調整材質并不斷調試的工作過程需要相當的設計經驗積累，同時也會極大地增加時間成本。基于物理的渲染Pbr工作流（PhysicallyBasedRendering）這一材質模型的設計方式極大地優化了材質物理性設計的方式和時間成本。pbr材質模型工作流相較于傳統渲染材質模型的優勢在于：優化了參數數量，使用較少的參數就可以描述準確的物理性質；符合物理學現象，通過能量守恒的計算公式控制材質的光屬性表現。目前主流的三維建模軟件以及虛擬環境搭建平臺的渲染器都支持以pbr材質模型為基礎的工作流管線。所使用的材質模型參數基本上控制在：固有色、粗糙度、金屬度、鏡面度、環境光遮蔽等幾個參數內。可以通過參數調整實現控制，也可以通過材質貼圖進行替換。在材質賦予這一設計環節極大地提高了設計效率。在實際的虛擬環境開發工具中，通常使用材質節點的方式，集成控制材質模型的各種參數。通過多樣的計算節點，在同一界面中處理圖像顏色和模型的映射關系、粗糙金屬度、鏡面反射、凹凸等等材質屬性。圖2是常見的pbr材質模型工作流程下控制物體材質的基礎節點。這是以BSDF數學模型為框架的材質處理節點，其中有相當多的參數選項用于制作不同的材質效果。其中較為常用的、與PBR模型工作流強關聯的是BaseColor（漫反射）、Metallic（金屬度）、Roughness（粗糙度）、Normal（法線）。在常用的金屬非金屬材質的制作中，通過以上幾個參數控制可以完成大部分現實世界的材質表達。圖3是一個完整的PBR材質處理流程，包含貼圖映射、材質貼圖、集成節點三個模塊。首先通過貼圖映射模塊，控制物體表面和貼圖相互對應的位置關系，使用不同的映射方式和縮放比例，可以控制貼圖在虛擬模型上的位置和大小關系；其次，在材質貼圖的模塊，通過一套PBR的材質貼圖控制虛擬物體的固有色、金屬度、粗糙度、凹凸屬性；最終這些圖像和映射的數據，通過集成的材質節點在虛擬環境中進行渲染及可視化的呈現。如圖4表示了在同一套材質貼圖的圖像條件下，可以通過增加材質節點的方式，改變粗糙度貼圖的取值范圍和影響程度，從而改變道路表面的光滑程度，在渲染窗口顯示出濕滑與干燥的路面表現。與之對應的工作方式還有很多，使用不同的顏色節點、紋理節點、向量節點，可以在同一套材質貼圖的基礎上對所需要的效果做出快速的調整，制作不同金屬度、色彩傾向、粗糙度的物理質感。這種方法在設計推敲過程中，與最終表現的流程里都有極高的可操作性和可重復性。可以說，使用PBR材質模型進行物體質感的可視化表達符合物理光學的真實感，同時在工作流程上更加簡便和科學。不論從建筑可視化的角度和虛擬空間設計的角度，都有極高的實踐價值。

2.2實時渲染技術和虛擬空間可視化工作流程

2.2.1實時渲染技術

根據設計交互與計算機視覺畫面呈現的效率與時間區分，渲染技術分為實時渲染和離線渲染。離線渲染的技術特點是，在畫面計算前預定好光線、材質等參數，在擁有充分時間儲備的情況下計算出具有極高精度和質量的畫面。優勢是可以做出極高的品質和效果，缺點是無法交互以及實現畫面的實時反饋。實時渲染技術，是指在設定了光源、材質等參數以后，通過預渲染的技術，實現用戶或者鏡頭在環境中變化的同時，觀察畫面同步發生實時的計算結果改變。優勢是可以實現用戶的交互，鏡頭的多位置觀察，即時性好。缺點是對計算機的計算性能有較高要求，同時為了滿足即時計算，一定程度上會犧牲畫面的品質。從設計工作流程的角度，傳統的建筑設計中往往應用離線渲染作為最終效果圖表現的手段，離線渲染技術以本身對于高精度和品質的計算得以完成建筑師對設計畫面品質的追求。在虛擬空間設計實踐中，更多需要通過實時渲染技術實現虛擬空間的可視化，達到用戶交互體驗與交互設計的目的。通過實時渲染，設計師可以對空間內的材質改變、燈光的設計、空氣霧氣的影響做出高效的調整。

2.2.2虛擬空間可視化工作流

以下（圖5）是筆者在虛擬環境搭建平臺實現的實時渲染效果，以PBR材質模型為設計工作流的虛擬環境搭建案例。這一次工作流程的探索，探索了從模型建立，到外部資源導入工具，在平臺內通過節點實現材質控制，結合全局光照的布置到最后情緒表現的完整設計流程，是虛擬空間可視化工作全流程的實踐和技術點實現，證明了虛擬空間可視化技術應用在建筑表現層面的可操作性。案例以日本東京新宿雨天商業街景為環境參考，進行虛擬場景環境搭建，目的是還原參考的氣氛和物理材質，在此基礎上強化氣氛和情緒渲染。當前參考環境是一個陰雨天氣，整體氛圍低調靜謐，主要表現的材質為非金屬的地磚、面磚、瀝青地面、玻璃，金屬質感的涂漆表面、銹蝕路樁，以及木材質和植物葉面。全局光照設計上，使用了陰雨天氣的天空環境光作為間接光照，配合環境遮蔽實現光線在夾縫處的衰減，添加霧效實現光源的自定義衰減程度。光照設計層面，使用多個片面狀的室內光源，模擬展臺和頂燈。情緒氛圍上，通過室外陰雨天的冷色調和室內光的暖色調對比引導視線，同時突出室內空間的溫馨氛圍。圖6是虛擬空間可視化工作流的技術框架，以及框架下常用的技術節點。工作流覆蓋了從采樣和光照模型開始的光環境設計，以及以pbr材質模型為基礎的物理屬性表現設計。其中的各個技術節點為基本常用的節點，在特定情況和需求下會加入其他的技術節點解決具體應用問題。值得一提的是，虛擬空間可視化工作流的技術節點在不同的開發平臺可能以不同的形式呈現，在開發界面里各個技術節點有時以混合的方式出現，但是基本的技術內容是相近的，在掌握一個平臺的開發流程后，在新的開發環境中可以很快地遷移和調整。通過虛擬空間可視化流程的應用，在設計尺度以及空間感準確的基礎上建立模型，利用好PBR材質模型工作流和光照設計，可以在建筑可視化領域以及虛擬空間搭建上都有效率和品質上的極大提升，對于設計中期推敲和后期表現都有很強的應用性。這也是虛擬空間體驗沉浸感塑造的關鍵性技術和工作方式。

3虛擬物質空間沉浸的建筑學應用

虛擬物質空間的沉浸表現和可視化應用，在建筑學設計和研究中有著極大的應用價值。在建筑方案設計以及推敲過程中，通過材質和氣氛的表現，能夠高效地表達建筑方案的建成效果，并實時地反饋和調整。根據設計需求和材料的真實情況對空間設計和材質材料進行調整，從而使空間設計貼近需求，建成效果可控、可預估。為說明虛擬物質空間可視化與沉浸感塑造的工作流程在建筑設計領域的應用，本文采用了一個設計項目案例進行虛擬環境搭建，并通過虛擬空間沉浸式的可視化成果，橫向比對不同光照環境下的空間氣氛表現以及不同材料工藝的表面材質對室內外空間表現的影響。如圖7是該案例在虛擬環境搭建下的可視化表現結果，該案例選自直向建筑事務所，項目規模270平方米。海濱教堂在西側為旅游社區服務。它是社區中距離海洋最近的人造空間。除了宗教活動外，在海濱教堂還計劃舉辦許多公共活動和社區活動。它們與海濱圖書館一起，提供了面向大海的精神空間，人們可以在其中放慢生活速度，享受自然并檢查自己的內在狀態。案例通過虛擬環境搭建平臺工具生成虛擬建筑空間環境，實現可視化沉浸表現。在1.2節敘述的虛擬空間工作流的技術框架內，通過模型、材質、環境光照、設計光照的流程，依次實現結構搭建、材質選取的比對、室外氣氛表現、室內燈光設計的不同環節設計表達，對每個設計階段進行推敲修改和成果表現。虛擬空間可視化的工作流程使得各個表現與溝通環節都有極大的效率提升和成果改進。在模型階段主要處理建筑結構，室內外場景的正確搭建工作，為后續可視化氛圍做準備。在表面材質賦予的環節，筆者采用了與案例相同的混凝土白色涂料以及紅磚材料，對虛擬環境中的建筑表面進行材質賦予，同時在虛擬環境中比對表現效果（圖8）。可見在正確的光照環境工程中，能非常直觀地預知建成的表現效果。同時，由于采用了實時渲染的反饋技術，能夠在極短時間內得到令人滿意的表現效果。在以往的表現圖渲染工作流中，由于離線渲染的巨大計算量以及較長的運算時間，表現圖渲染往往作為設計最終的表達成果，很難實現在設計初期、中期通過可視化表現促進方案的推敲。而在虛擬空間可視化工作流中，由于實時渲染和沉浸感的互動使得在設計中期，通過視覺表現推進方案成為可能。在氣氛表現和光照設計階段（圖9），通過調整環境光和外部燈光設計烘托建筑氛圍，更加全面直觀地感知建成效果和環境關系。陰雨天氣的表現中，整體氣氛壓抑昏暗，同時墻面地面的材質被雨水打濕反射變強，通過材質節點的調整達到細部正確的反光效果。在室內設計和軟硬裝設計層面，通過虛擬空間可視化也能以極高的效率實現建成效果的預知和室內氣氛的表達。使用不同的家具陳設和室內光源的設計，能極高地表現出空間感和使用體驗。最后，藉由虛擬空間可視化的高度沉浸特性，通過攝像機漫游和路徑敘事的手段，可以使觀者在虛擬環境中游覽。實現在虛擬空間與建筑空間以及室內外關系中發生互動體驗，借助氣氛和光線的表達，最終生成有敘事感的畫面組成（圖10）。這種電影故事板形式的表現，能使建筑空間表達更加生動、更接近日常的感知。

結語

本文就虛擬空間可視化的計算機圖形技術進行了綜述概括，說明了空間可視化下圖形學的技術框架，同時就虛擬空間物質性表現的關鍵環節進行了概述，并解釋了漫反射、鏡面反射等可視化處理的關鍵表現環節。在此基礎上，對虛擬空間物質營造的pbr工作流與可視化技術進行了闡述，并通過建筑案例的虛擬空間表現分析了虛擬空間可視化表達的可行性。虛擬空間設計對建筑空間感知，項目方案推敲以及反饋都有著重要的作用，掌握虛擬空間可視化設計工作流對建筑師團隊有著很高的必要性。在虛擬現實技術成熟的信息時代，未來在建筑領域直接面向虛擬空間的設計需求也會增長，虛擬空間可視化沉浸設計也將扮演越來越重要的角色。

作者：陳帆 倪悅 單位：浙江大學建筑工程學院