叢林

（黑龍江大學新聞傳播學院，哈爾濱 150080）

當前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、文旅、教育、游戲、娛樂等領(lǐng)域的應用越來越多，作用和效果也越來越顯著。從教育上來看，國家虛擬仿真實驗平臺中實驗課程已經(jīng)遍及教育領(lǐng)域的各個專業(yè)類別，從其中的數(shù)據(jù)看，平臺中總共有3 511 門虛擬仿真實驗課程，涵蓋62 個專業(yè)大類，其中專業(yè)基礎(chǔ)課程1 438門，工學課程占絕大部分，醫(yī)學和理學相對較多，大部分為工藝類、流程類的技能訓練虛擬仿真課程。文科、藝術(shù)的虛擬仿真課程也大部分集中于技能的培養(yǎng)[1]。色彩相關(guān)課程共4 門，其中三門為環(huán)境色彩與燈光等方面的實驗，主要針對室內(nèi)設計、環(huán)境設計、建筑設計等專業(yè)開發(fā)色彩教學實驗系統(tǒng)。色彩感知方面的訓練對藝術(shù)設計專業(yè)和其他專業(yè)的同學來說都是非常重要的色彩教學基礎(chǔ)內(nèi)容。作為以視覺和心理學為主的內(nèi)容，色彩感知與心理學之間存在著緊密的關(guān)系。色彩感知涵蓋了情感、認知、注意、記憶、文化和社會因素等多個方面[2]。系統(tǒng)針對色彩感知提供跨專業(yè)的沉浸式學習，通過學習基本的色彩理論、互動實驗和色彩心理學的相關(guān)趣味游戲進行色彩能力的培養(yǎng)，滿足不同專業(yè)和基礎(chǔ)色彩教學的需要，對基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學實驗系統(tǒng)設計進行探索。

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及應用現(xiàn)狀

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念

虛擬仿真技術(shù)是二十世紀八十年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及人機交互技術(shù)、計算機圖形學、傳感技術(shù)、人工智能等。它主要通過使用計算機技術(shù)模擬真實環(huán)境或系統(tǒng)的行為。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前的主流方式是通過第三方軟件進行開發(fā)，例如使用Unity 或者UE 進行開發(fā)，通過移動端、PC 端、頭顯設備等方式互動。不過受技術(shù)和開發(fā)成本的限制，移動端相對較少，主要是本地PC 端應用或者WebGL 技術(shù)。WebGL 的優(yōu)勢是輕量、便捷，用戶不用單獨下載較大的應用程序，可以直接通過網(wǎng)址打開，但是渲染效果、交互方式的支持并不理想，對于高質(zhì)量視覺效果的支持有限，尤其是對于移動端、性能、橫豎屏兼容等很多方面非常受限。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的應用現(xiàn)狀

針對PC 端的開發(fā)，是目前從效果、便捷性和兼容性相對較好的方式。主要是通過屏幕或者頭顯設備顯示，沉浸感較好的是頭顯設備。沉浸式的體驗對于色彩實驗來講更有意義，學生在虛擬環(huán)境中能夠排除外界環(huán)境的干擾，更加身臨其境。理論上，這種體驗可以通過刺激用戶的多種感官、提供真實感的交互及與現(xiàn)實世界的融合來實現(xiàn)。

系統(tǒng)使用Unity 進行開發(fā)，擁有頭顯設備和屏幕端兩個版本，需要學生下載應用文件，然后在本地打開后，登錄系統(tǒng)進行使用。硬件設備支持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 及以上的系統(tǒng)，頭顯硬件兼容HTC Vive Cosmos 或同品牌更高級別的設備。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學實驗系統(tǒng)設計思路

基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學實驗系統(tǒng)開發(fā)是一個迭代過程，需要不斷地與需求方溝通、調(diào)研，以確保系統(tǒng)能夠滿足他們的需求和期望。系統(tǒng)設計應該根據(jù)學科特點，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學沉浸性、交互性和想象性三大優(yōu)勢[3]。因此，在整個開發(fā)過程中，針對色彩內(nèi)容的準確性、專業(yè)性、趣味性、互動性和程序性能優(yōu)化等都非常重要。系統(tǒng)設計分別從功能模塊、用戶交互及系統(tǒng)評價標準進行思考，并且和國家平臺對接，開放使用權(quán)限，形成實驗數(shù)據(jù)。使用過程性的評價體系，系統(tǒng)設計評價標準庫，根據(jù)學生的操作過程和成果質(zhì)量，從系統(tǒng)評價、學生互評及提交實驗報告對學生操作過程進行客觀綜合評價。同時，也能幫助學生建立科學的色彩設計評價體系，強化色彩認知的科學性。

2.1 功能模塊設計

基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學實驗系統(tǒng)設計系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)理論知識、抽象色彩實驗、體驗色彩實驗、色彩心理趣味實驗等模塊[4]。主要從基礎(chǔ)理論學習到經(jīng)典的色彩構(gòu)成實驗和色彩心理學趣味實驗進行循序漸進的練習。并且預留端口，根據(jù)專業(yè)特性，增加適合環(huán)境設計專業(yè)和廣告設計專業(yè)等不同設計學專業(yè)相關(guān)的實驗，如圖1 所示。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的色彩教學實驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

色彩感知訓練旨在提升用戶對顏色的感知、理解和應用能力。通過實驗過程，學生可以增強辨別不同顏色、記憶顏色、感知顏色對比和相似性的能力。實驗過程通過了解色彩原理和配色規(guī)律，使學生在二、三維空間體驗中，了解色彩體系和掌握色彩配色依據(jù)。根據(jù)實驗教學設計，從簡單到復雜、從單色到多色、從記憶到趣味等[5]。

學生運用不同的模塊組學習色彩配置模型、通過驗證色彩的協(xié)調(diào)和對比關(guān)系等，大范圍覆蓋知識點，強化培養(yǎng)色彩感知經(jīng)驗與審美能力，同時通過在沉浸式空間場景中進行設計操作，提高學生分析問題和解決問題的能力。

2.1.1 基礎(chǔ)理論知識模塊

基礎(chǔ)理論部分是系統(tǒng)開始實驗前對于相關(guān)知識掌握的過程。要求學生對色彩的基礎(chǔ)概念、色彩體系和色彩心理學等內(nèi)容進行系統(tǒng)了解。該環(huán)節(jié)通過彈出UI 層或沉浸式空間中展墻的方式呈現(xiàn)多媒體內(nèi)容。例如，針對色彩視錯覺的圖、文和視頻介紹。同時，可以對孟塞爾色立體等經(jīng)典色彩體系進行沉浸式的互動。在沉浸式空間中，加深對經(jīng)典色彩體系的理解，把理論知識和實驗進行融合。

孟塞爾體系是一種球體空間模型,中間軸從白色到黑色形成無彩色系的明度等級分布[6]。頂部為白色，底端為黑色，這個被稱為孟塞爾的明度值。色彩體系中圍繞中心軸的色相環(huán)由10 個基本顏色按照順時針方向排列組成，其中包含了5 種原色和5 種間色。系統(tǒng)通過制作三維模型，并且通過HSV 顏色數(shù)值，還原孟塞爾色立體。讓學生不僅可以在虛擬空間中進行互動，還可以展開或分層查看。

該部分以理論學習為主，互動實驗的內(nèi)容主要是針對經(jīng)典的色彩理論和色彩心理學相關(guān)的知識，進行基礎(chǔ)層面的認知，為之后的實驗環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。

2.1.2 抽象色彩實驗模塊

系統(tǒng)設計可以通過多樣化的場景來提供豐富的互動體驗，通過設計一些與色彩互動的小游戲或者專業(yè)性實驗來增加色彩學習的趣味性和專業(yè)性，主要包含以下三個互動模塊。

第一，顏色迷宮。在實驗開始的時候會出現(xiàn)10種顏色，學生需要在規(guī)定時間內(nèi)記住色彩的樣子和排列順序，作為后續(xù)迷宮通過的依據(jù)。開始實驗后，在一個虛擬的房間中，會出現(xiàn)四個不同顏色的門，學生需要在規(guī)定時間根據(jù)之前提示的顏色順序，進入相對應的房間，順序正確則完成實驗，如果錯誤會扣除一部分分數(shù)。最終，系統(tǒng)根據(jù)所用時間和完成情況記錄分數(shù)。

第二，對比度魔方。系統(tǒng)創(chuàng)造一個白色的魔方，然后學生根據(jù)孟塞爾色立體系統(tǒng)的中心軸進行配色訓練，使用不同明度的灰色進行填充，其中每個面設計不同要求的明度對比訓練。例如，高明度對比、中明度對比、低明度對比等[7]。通過選擇不同顏色，讓學生調(diào)整魔方上每個立方體的灰度，并評估不同對比度的特點，如圖2 所示。

圖2 色立體中心軸對比度實驗示例

第三，色立體橫斷面的配色設計。色相是顏色的基本屬性之一，代表了顏色在光譜中的位置。色相通常在一個色輪上表示，例如孟塞爾色立體中，各種色相按照一定的次序排列。它涉及了不同色相之間的相對位置和關(guān)系。在該實驗訓練中學生根據(jù)孟塞爾色立體的橫斷面，運用色相的位置關(guān)系進行色相對比訓練。例如，同類色對比、相近色對比、類似色對比、中差色對比、對比色、補色對比等。其對比強弱程度取決于色相之間在色相環(huán)上的距離（角度），距離（角度）越小對比越弱，反之則對比越強。該實驗中學生在指定的二、三維物體上進行不少于三種色彩的填色實驗，要求實現(xiàn)強度對比、中度對比、弱度對比和同類色對比等相關(guān)配色實驗[8]。

2.1.3 體驗色彩實驗模塊

該部分實驗是針對色彩感知進行設計專業(yè)層面的單項訓練，也可以作為基礎(chǔ)色彩訓練的進階實驗。系統(tǒng)當前主要設計三個部分的實驗內(nèi)容，后續(xù)根據(jù)專業(yè)需要，進行實驗模塊擴展。

色彩配色實驗。實驗主要讓學生選擇一個優(yōu)秀的案例，然后分析、提煉、借鑒案例的色彩配色方式，并且在三維空間中對指定的物體進行不多于5 種顏色的配色訓練。該部分實驗主要針對藝術(shù)設計、廣告設計等專業(yè)的學生進行基礎(chǔ)的應用配色學習[9]。

室內(nèi)空間色彩實驗。系統(tǒng)創(chuàng)建了一個標準的室內(nèi)家裝空間，用戶可以針對其中的墻面、家具、裝飾物等物體進行色彩填充與修改。同時可以修改所包含的燈光色溫和照度等，根據(jù)教師指定的訓練目標和要求，完成相關(guān)的實驗。實驗主要針對環(huán)境設計專業(yè)的學生進行配色實驗[10]。

戶外環(huán)境色彩實驗。選取一個街道，學生可以對街道的鋪裝、兩側(cè)的樓體、環(huán)境中的裝飾物等進行色彩調(diào)整，甚至天空的色彩和陽光的角度等。使用排除干擾的簡模，針對景觀專業(yè)的學生做單純的色彩感知訓練。

2.1.4 色彩心理趣味實驗模塊

這一部分的實驗是基于色彩心理學相關(guān)的理論和觀點，設計了兩個趣味實驗，僅作為色彩感知訓練系統(tǒng)的擴展模塊，增加學生對色彩不同維度的認知和興趣[11]。

音樂色彩聯(lián)想。實驗開始后，玩家會聽到一段音樂。音樂是簡短的片段，學生在聽音樂的同時，需要從顏色板中選擇與音樂相匹配的顏色?？梢詾槊總€顏色提供一個簡短的描述，以幫助學生進行聯(lián)想。學生需要將選擇的顏色填充到指定的模型上，并作為實驗結(jié)果截圖上傳到實驗報告中，作為最終評分的標準，實驗需要考慮學生的主觀感受，不同的人可能會將相同的音樂與不同的顏色關(guān)聯(lián)，因此實驗結(jié)構(gòu)評價僅作為整體實驗的參考。實驗是一種多維度的感知和認知訓練方式，要求學生將聽到的音樂與顏色、圖像或情感聯(lián)系起來。不僅能激發(fā)學生的想象力、認知能力、情感智慧和創(chuàng)造力，而且對個人發(fā)展和藝術(shù)欣賞都有積極的影響[12]。

色彩重量實驗。學生將面臨一系列具有不同顏色的圖像或?qū)ο?，每個對象都有一個與其顏色相關(guān)的“權(quán)重值”。學生的任務是根據(jù)自己的知覺和感知，將這些對象按照它們的色彩排列成一個序列。此部分的色彩判斷標準基于 RGB 顏色轉(zhuǎn)為灰度值的加權(quán)平均算法（Weighted Average Method）：Gray=0.299 R +0.587 G+0.114 B，這個方法根據(jù)不同顏色通道的亮度對圖像進行灰度化處理。通常情況下，紅色通道（R）、綠色通道（G）和藍色通道（B）的權(quán)重分別為0.299、0.587 和0.114，這個權(quán)重是根據(jù)人眼對不同顏色敏感度的經(jīng)驗值來確定的。這個算法使用了人眼對不同顏色通道的感知差異。因此，在保留圖像主要特征的同時，能夠?qū)⒉噬珗D像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。實驗可以幫助學生理解不同顏色對于視覺感知的影響，以及色彩的權(quán)重在視覺排列中的作用。它也可以激發(fā)學生對色彩感知的好奇心，并提高他們對色彩感知的敏感度[13]。

以上虛擬實驗通過高度擬真或優(yōu)化的圖形渲染、聲音效果和交互設計來增強色彩感知訓練的體驗。通過這些虛擬仿真訓練方法，學生可以在一個模擬的虛擬環(huán)境中進行多樣化的色彩感知訓練，提升對顏色的辨別、記憶、應用和理解能力。

2.2 用戶交互設計

系統(tǒng)針對色彩感知訓練的交互通過多種方式來設計和實現(xiàn)，其中頭顯版本主要通過手柄的操作進行，因此支持學生在虛擬環(huán)境中使用手勢識別或手柄按鍵進行導航和操作，如選擇、點擊、拖拽、抓取、涂鴉等。部分實驗需要添加虛擬鍵盤、按鈕或控制面板，用戶可以點擊這些元素來進行交互和操作。設置菜單與選項。同時提供用戶設置菜單，允許他們調(diào)整虛擬環(huán)境的參數(shù)，如亮度、對比度、顏色飽和度等。移動方式采用跳轉(zhuǎn)或固定位置，以減少頭顯設備對一部分用戶帶來的身體不協(xié)調(diào)和眩暈感[14]。

2.3 系統(tǒng)評價標準設計

系統(tǒng)與國家虛擬仿真實驗平臺聯(lián)通，可以通過平臺的賬號密碼登錄，并返回分數(shù)、實驗時間等相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，學生可以在平臺中查看。所有實驗過程都會根據(jù)學生的操作和表現(xiàn)，提供實時反饋或提示說明，幫助學生糾正錯誤，掌握方法并改進技能。實驗內(nèi)容會根據(jù)一定的目標進行分值分配，根據(jù)學生學習目標項的結(jié)果對學生進行形成性、總結(jié)性評價[15]。

3 結(jié)語

色彩教學實驗系統(tǒng)旨在探索基于虛擬仿真技術(shù)進行色彩感知訓練的可行性和效果。通過在沉浸式的虛擬環(huán)境中讓學生排除干擾，集中于色彩的單項訓練，通過虛擬建筑空間、自然環(huán)境、各種虛擬輔助工具等不同的內(nèi)容進行色彩理論與實踐的互動實驗。此外，虛擬仿真訓練具有一定的遷移效果，參與者在實際色彩感知任務中表現(xiàn)出更快的反應速度和更高的準確率。訓練效果在實際應用中具有實質(zhì)性意義。參與者的滿意度調(diào)查結(jié)果顯示，虛擬仿真訓練讓學生能有更自信地進行色彩辨別和應用?？傮w而言，學生通過沉浸式系統(tǒng)學習能夠提高對顏色的敏感度和辨別能力，并將這些能力遷移到現(xiàn)實世界中。此外，系統(tǒng)為個性化、專業(yè)化的色彩感知訓練提供了充足的擴展空間。這對于拓展沉浸式虛擬仿真技術(shù)在認知訓練領(lǐng)域的應用具有重要意義。虛擬仿真技術(shù)在色彩感知訓練領(lǐng)域的應用前景充滿了潛力和機會，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這種應用有望在各個領(lǐng)域取得更加顯著的成就。隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，色彩感知訓練可以與真實空間產(chǎn)生更多互動，為用戶提供更真實、有趣的體驗。從學校到專業(yè)培訓機構(gòu)，都可以利用虛擬仿真訓練來幫助學生和專業(yè)人士更好地理解和應用顏色。