浙江大学学报(工学版), 2025, 59(10): 2175-2185 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.10.018

计算机技术

虚拟环境下的光照体验设计

邹宁,, 侯志鹏, 柴一伟, 孔文琦, 赵博, 龚卿, 方强

1. 浙江大学 计算机科学与技术学院,浙江 杭州 310007

2. 陕西飞机工业有限责任公司,陕西 汉中 723200

3. 浙江大学 软件学院,浙江 宁波 315100

4. 浙江大学 长三角智慧绿洲创新中心未来设计实验室,浙江 嘉兴 314102

5. 浙江大学 机械工程学院,浙江 杭州 310030

Lighting experience design in virtual environments

ZOU Ning,, HOU Zhipeng, CHAI Yiwei, KONG Wenqi, ZHAO Bo, GONG Qing, FANG Qiang

1. College of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310007, China

2. Shaanxi Aircraft Industry Limited Company, Hanzhong 723200, China

3. School of Software Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China

4. Innovation Center of Yangtze River Delta, Zhejiang University, Jiaxing 314102, China

5. School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310030, China

收稿日期: 2024-08-30  

Received: 2024-08-30  

作者简介 About authors

邹宁(1981—),男,副教授,博导,博士,从事虚拟仿真与智能交互、数字创意与交互设计、智能设计研究.orcid.org/0000-0002-3275-8030.E-mail:zn007@zju.edu.cn , E-mail:zn007@zju.edu.cn

摘要

在虚拟现实(VR)环境下,特别是精细作业场景中,研究照明对用户操作和视觉感知的影响. 在VR环境中模拟不同光照条件,通过控制光照强度、色温和照明角度测试用户对于虚拟物体的感知精度变化,提升虚拟环境中用户的交互体验和认知效率. 在虚拟光照实验中,进行操作对象的图形分析和细节提取以优化虚拟环境中的照明设计方案,使虚拟环境更加真实,进一步指导虚拟光照环境的搭建与VR环境中的交互设计. 在三维场景设计中,通过实验表明照明在增强数字展品的视觉效果和用户交互体验中的积极作用,论证光照作为互动媒介进行细节展示在沉浸感、专注度方面的优势. 结果表明,特定的光照组合(如较高强度、中性色温、侧向45°照明)能显著提升用户的操作精度和细节辨识能力,有效增强沉浸感与任务专注度.

关键词: 虚拟现实 ; 照明感知 ; 照明设计 ; 交互设计 ; 引导识别

Abstract

The impact of lighting on user operations and visual perception was studied in virtual reality (VR) environments, particularly in scenarios requiring fine motor tasks. Different lighting conditions were simulated in a VR environment, testing the users’ perception accuracy of virtual objects by adjusting light intensity, color temperature, and lighting angles, to enhance users’ interaction experience and cognitive efficiency in virtual settings. The graphical analysis and detail extraction of operational objects were carried out to optimize lighting design in virtual environments and create a more realistic virtual space, which guided the development of virtual lighting environments and the interaction design in the VR environment. In 3D scene design, experiments were conducted to show the positive role of lighting in enhancing the visual effects of digital exhibits and the user interaction experiences, arguing the advantages of lighting as an interactive medium for detailed presentation in terms of immersion and focus. The results indicate that specific lighting combinations (such as higher intensity, neutral color temperature, and 45-degree side lighting) can significantly enhance users’ operational accuracy and detail recognition capabilities, while effectively improving immersion and task focus.

Keywords: virtual reality ; lighting perception ; lighting design ; interaction design ; guided recognition

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本文引用格式

邹宁, 侯志鹏, 柴一伟, 孔文琦, 赵博, 龚卿, 方强. 虚拟环境下的光照体验设计. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(10): 2175-2185 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.10.018

ZOU Ning, HOU Zhipeng, CHAI Yiwei, KONG Wenqi, ZHAO Bo, GONG Qing, FANG Qiang. Lighting experience design in virtual environments. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(10): 2175-2185 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.10.018

随着信息技术的不断进步,虚拟现实(virtual reality,VR)技术在众多领域展现出独特的应用潜力. 特别是在文化遗产保护与数字展览领域,VR技术以其沉浸式体验和交互性,为用户提供了全新的探索和学习方式. VR在如场景重现、信息融合的应用中具有巨大优势,照明作为昏暗环境中易被捕捉的信息来源,在注意力捕捉、流程引导以及突发状况警示等方面都发挥着重要作用(如虚拟装配环境中的作业涉及多种组件结构,能否对组件结构进行准确识别是开展装配工作的前提[1]). 虚拟环境中高质量的照明设计可以为用户提供良好的感官体验和操作指引. 主观评估被认为是理解虚拟环境与物理环境间差异的有力工具,沉浸式虚拟现实(immersive virtual reality, IVR)被证明是较好的照明环境呈现技术,相比于其他媒介,它提供了更高的沉浸感、用户满意度和物理空间协调性[2].

增材制造集合了计算机辅助设计、计算机辅助制造以及计算机数控等技术,能够让设计师精确地在虚拟环境中模拟和实现复杂的照明方案[3]. 现有研究多聚焦于单一照明参数的优化,如色温或明暗对比度,对于综合考虑光照强度、色温和照明角度等多维度因素的研究相对较少. 此外,如何根据用户的个性化需求和感知差异进行照明设计,以提升用户在虚拟环境中的交互体验和认知效率,仍是值得探讨的问题.

多数虚拟场景的光照设计研究仅聚焦于交互界面的体验分析,忽略了如何以灯光作为互动媒介对数字展品进行细节展示的技术路径和实现方法. 本研究将虚拟模型数据库成熟且细节丰富的青铜器作为实验观测材料,1)从光照强度、色温、照明角度3个维度,分析在VR环境中用户对三维物体个性化照明设计的体验与感知差异;2)提取展品细节,以照明作为引导线索,探讨在VR环境中,多细节的目标物体在展示与认知方面的有效交互形式. 本研究以VR环境下的照明体验设计为对象,探索光照强度、色温和照明角度等因素如何综合作用于用户的感知体验;提出基于照明引导的细节展示设计,验证照明对用户的操作体验和感知精度的增强作用.

1. 理论研究和设计方法

光照是呈现物质形态的基本要素,在操作展示中发挥着重要作用(如渲染气氛、引导视线、照亮目标主体等). 在展览阐释方面,有研究者通过光照构建信息空间,实现多元感知渠道获取信息[3];在信息表达方面,照明设计涉及照明方案评估[4]、认知任务测试、注意力引导等内容;在情感体验方面,照明设计涉及情况叙述、个性化体验定制. 真实空间中的光照设计主要依靠视觉渠道向受众诠释真实物理空间,包含的设计要素有空间形态与布局、场景灯光照明、视觉导视系统等[5-6]. 除了满足视觉需求,光照会对人的内在层次(如认知和情绪)产生何种影响逐渐成为研究热点.

1.1. VR场景下的照明设计应用

在实际的照明设计中,照明布局以展览设计师、照明设计师的视角进行规划,对照明设计的用户满意度研究集中在单一参数(如色温、照度)的固有配置下. 当目标物体在造型外观、细节方面存在独有的特征信息时,统一的光照设置极易忽略观看者体验和需求的差异性.

VR场景下的照明设计主要利用计算机图形学技术进行模拟与优化(如通过灯光模型和实时渲染技术在头戴显示设备中模拟照明环境). Marzouk等[7]通过IVR调查不同天窗的解决方案对遗产建筑的影响,证明VR可以实现快速收集用户对照明系统的偏好数据,结合建筑性能模拟工具进行评估设计选择及用户对不同控制策略的互动,为研究照明系统对个人感知的影响提供快捷便利的实验环境. 在商业场景中,有效利用VR技术开发照明可视化工具能够提供体验式营销服务,使消费者在虚拟环境中预览并选择灯具[8]. VR还允许在无风险的环境中测试和评估照明设计,扩展并优化用户体验. 在操作体验中,Ma等[9]利用VR技术重现《韩熙载夜宴图》的场景,体验者可以通过移动虚拟蜡烛来观察画中细节;Sommer等[10-11]提出实时将虚拟物体嵌入室内场景的新方法,通过深度学习实现光照估计和相应的柔性阴影生成,显著提升了增强现实(augmented reality, AR)应用的逼真度. 总而言之,VR环境不仅为照明设计提供了突破传统限制的新方式,而且支持个性化和高效的照明研究.

1.2. 光照感知与注意力引导机制

研究者已确认人体存在第三类感光细胞——内在光敏性视网膜神经节细胞[12]. 这一发现不仅说明了光照的视觉图像功能[13],而且将光照的感知效应拓展到非视觉功能[14],即光照不仅帮助人们获取视觉信息,还会影响人的情绪和深层次的认知行为(如视觉舒适度与照明条件的满意度紧密相连,眩光可能对心理功能造成负面影响). 光照塑造了人类对空间的感知和情感反应,甚至通过评价、动机或关联机制影响个体的心态和行为[15]. 在认知心理学中,光照感知可以由刺激(stimulus)—机体(organism)—反应(response)模型(简称SOR模型)解释,即外界刺激会引起内在情绪变化,进而影响行为和认知状态[16],如图1所示. SOR模型可被应用在展馆照明设计中,展览场景的照明可作为刺激源,影响观众的操作体验和感官认知.

图 1

图 1   照明刺激下的用户反应过程

Fig.1   User response processes under illumination stimuli


1.2.1. 照明与视觉感知评价

越来越多的研究聚焦于受众对照明环境的主观情感评价上,光环境的效用研究由信息展示层面逐渐过渡到复杂的情感诱发层面. Wang等[17]提出空间(space)—照明(optics)—视觉(vision)—情感(emotion)照明设计理论模型(简称SOVE模型),表明不同照明条件会造成参观者的情绪感知差异. 在实际应用中,Leccese等[18]使用不同配置的灯具为绘画作品和雕塑作品定制出4种照明方案,论证用户在对比度感知、艺术品的美化效果和个人偏好3个方面均表现出视觉体验差异. 色温作为光源的重要参数,色温感知在展品欣赏中也表现出显著偏好. 数字空间不仅可以高度还原真实场景,还可以模拟光线对具体场景进行渲染. 徐超等[19]将色温TC= 3 000~6 500 K分成8个梯度,让被试分别在真实环境和虚拟环境中进行偏好排序,结果表明对色温偏好的评价不存在显著差异. 后续不断有研究将VR、视频以及图片3种备选媒体技术呈现的照明效果分别与真实光环境进行比较,指出VR技术更加有效,且与真实光环境的适配度最高[20]. VR场景可以复刻现实光照的动态属性,相关的照明交互设计可以此为技术手段开展.

1.2.2. 照明引导注意力

视觉是响应光源刺激的首要感知渠道,通过有效设置光源特性,设计者能够快速引导参与者识别照明环境中的信息主次关系[21],通过明暗对比和色温变化将这种关系强化. 相比认知或记忆任务,注意力任务对照度变化的反应更敏感. 相关实验显示,通过调整展品的立体照明效果,可以增强观众对细节的关注. 静态灯光只能提供1种总体满意的灯光,当参与者自由移动时,被照物局部的表面细节或结构无法清晰地呈现出来,对细节的实际增强效果始终有限;动态灯光能够打破壁垒,帮助观看者识别展品的潜藏信息,诱发更加明显的心理认知活动[22]. 阿姆斯特丹的凡·高博物馆通过动态照明技术来提升展览的互动性和沉浸感:先进的LED照明和动态投影映射技术有助于展示凡·高的画作,光影变化呈现其中细节(如夜空中的星星)以增强观众的感受力和情感共鸣. 聚焦立体展品须借助更加丰富的照明手法来表现三维造型和细节. 小型件展品通常被集中放置在平柜中,依托垂直方向上的漫射灯光来修饰展品轮廓. 一些器形硕大、纹饰精美的展品通过漫射照明与定向照明相结合的方式[23]打造整体均衡的照明效果,但展品部分被遮挡区域无法接收到光线,甚至成为信息盲区,如图2所示.

图 2

图 2   大型件的照明效果

Fig.2   Illumination effect of large items


2. 基于三点照明的虚拟光照实验

2.1. 实验维度

照明设计包含强度和色温,光照强度是指物体被照亮的程度,色温用来描述光线中含有颜色成分. 游越等[22]把光照照度、色温、显色性作为评价展览灯光的3个指标. 本研究从光照强度、色温、照明角度3个维度,分析观看者对展品照明感知差异的具体表现.

2.2. 照明设计原则

人能明确感知到光源相对于物体发生移动而造成的阴影模式的改变,这种变化有助于观看者评估被照物体的几何形状和材料属性[8]. 在实际的场景照明设计中,通常依靠3盏灯光对目标物体进行静态建模,利用如明暗对比度感知、主辅光比例的光照布局特性突出表现物体的三维形态[24],如图3所示. 以三点照明为基础,过往对空间照明效果的研究论证了照明作为新的媒介在展览引导中的显著效果与积极作用[25]. 研究者关注主光亮度和主辅光比例对识别展品的情感表达程度和整体吸引力的影响,以论证照明设计与参与者情感的关联性[24]. 可见,在实验过程中,三点照明理论能够起到指导参数设置、明确实验目标的作用.

图 3

图 3   三点照明布局

Fig.3   Three-point lighting layout


2.3. 实验材料

青铜器表面的材料特性和工艺复杂度高,具有极大的探索空间,对于虚拟环境中三维模型细节呈现具有良好的泛化意义[26],青铜器的三维空间信息受灯光变化的影响较为显著,为此选取青铜器作为实验材料. 在对青铜器模型资源进行审查和调研后,选取在 Sketchfab 平台上公开分享的 3D 模型数据,选定如图4所示的4件器皿(鸮形卣、簋食器、觥酒器以及斝酒器)作为实验对象. 基于摄影测量的三维重建使所选模型的精度和渲染效果基本满足用户对虚拟场景的期望.

图 4

图 4   青铜器模型示意图

Fig.4   Schematic diagrams of bronze models


2.4. 交互功能开发

依托Unity3D、SteamVR软件平台实现虚拟环境搭建和交互方案设计, PC 硬件端稳定平台运行.

2.4.1. 光强度及色温调节

为了控制实验中的变量,参考真实场景,设置辅光与主光的强度比为1∶2,背光与主光的强度比为1∶5[27]. 在实验设置中,光照强度通过调整聚光灯的强度和照射角实现,设定取值范围为0~30,主光默认强度为15;色温通过滑块控制灯光RGB实现,取值范围在3 000~6 500 K从暖光到冷光线性变化,如图5所示.

图 5

图 5   虚拟环境中的照明强度、色温交互界面

Fig.5   Interactive interface of light intensity and color temperature in virtual environment


2.4.2. 照明角度调节

所有目标物体的摆放环境和照明灯光控制均一致,如图6所示. 主光、背光、辅光类型均是聚光灯,光照距离为3 m,锥形角度为15. 如图7所示,背光相对位置固定;主光经纬度调节范围均为15°~45°;辅光经度调节范围为0~30°,纬度调节范围为1°~60°. 主光、背光、辅光与模型中心的距离为4.5(单位为Unity 中对象缩放比例的单位).

图 6

图 6   虚拟环境中的照明角度交互界面

Fig.6   Interactive interface of lighting angles in virtual environment


图 7

图 7   三点照明的灯光布局

Fig.7   Lighting layout of three-point lighting


2.4.3. 数据记录

被试轻触VR实验设备的输入多功能触摸面板点击“结束体验”,系统后端输出所有数据(青铜器模型的色温、光照强度、主光和辅光的经纬度)并生成相应文件.

2.5. 实验设计
2.5.1. 被试

征集15名被试,平均年龄为24岁,所有被试均无色盲色弱,在实验人员讲解后能够熟练使用手柄进行交互操作,佩戴头盔显示器后3D晕眩症状未对实验过程造成干扰.

2.5.2. 实验设备

采用HTC Vive Pro系列产品作为虚拟交互工具. 设备包含1个高清头戴式显示器(head-mounted display, HMD)、2个定位器和2个手持控制器. 头戴显示器双眼分辨率为 4 896×2 448,能够较好满足用户的视觉感知需求;定位器用于规划实验场地的位置和有效探索范围;手持控制器是与虚拟对象及UI元素进行直接交互的组件,它包括3个类别的按键:输入多功能触摸面板(Touchpad)、抓握键(Grip)、二段式扳机(Trigger). 1)主要交互功能集成:轻触多功能触摸面板的对应位置,打开相应的控制面板,显示具体的控制按钮;控制面板跟随主体视线移动. 2)主体移动与传送:按住手柄抓握键,移动手柄位置选择传送地点,松开抓握键完成传送. 3)与UI元素交互:按住二段式扳机,发出射线,与虚拟场景中的UI组件进行碰撞检测. 实验环境的平面尺寸为2.5 m×3.0 m,被试可以在此空间范围内进行合理的身体移动. 如图8所示,在被试进行虚拟博物馆照明交互的过程中,使用计算机自带的录屏功能对头戴显示器视野进行录制记录,保存为实验数据.

图 8

图 8   虚拟博物馆照明的交互实验环境

Fig.8   Interactive experimental environment of virtual museum lighting


2.5.3. 实验任务

在VR 场景中布置4件高保真青铜器重建模型,要求被试在标记位置进行采集物品影像资料的情境任务,须使用系统中的3种照明交互功能设计合适的照明方案. 情境任务为1)在特定位置明确获取目标物体的轮廓形状与色彩信息;2)目标物体的纹样清晰可辨,在较短时间内与目标花纹象征建立映射;3)尽量规避生理不适现象(如视觉晕眩)出现. 完成情境任务无需具备照明设计的相关知识,从用户感知角度构建最佳照明方案即可. 收集被试在实验结束时提交的照明设计方案,通过访谈获取被试对实验的自我评价与反馈.

2.6. 实验数据分析

根据照明体验的参数设置,使用SPSS分析软件从光照强度、色温和照明角度3个方面对实验数据进行分析整理. 通过方差齐性检验进行均值显著性分析,探讨被试对不同目标主体的照明视觉感知是否存在差异性,并为交互应用设计中的照明模块提供数据支持. 目标主体照明效果的部分示例如图9所示.

图 9

图 9   部分照明效果图像数据收集说明

Fig.9   Explanation of partial image data acquisition for lighting effects


2.6.1. 光照强度

通过描述性统计分析,得到4件目标主体光照强度I均值的95%置信区间,如图10所示. 目标主体的主光照度参数分布情况的测试结果显示,4件主体在光照强度上不存在显著性差异,被试在虚拟现实环境中欣赏其他展品时均有较为明显的照明调节需求. 虚拟环境的照明参数选择呈现出多样性的原因分析:1)目标主体自身的造型或纹饰要借助灯光表达进行美化和强调;2)被试对照明效果的控制主动性得到提升,可以按照个人视觉感知的偏好进行设计.

图 10

图 10   目标主体光照强度箱式图及光照强度均值的95%置信区间

Fig.10   Box plot of light intensity and 95% confidence interval for mean light intensity on target subject


2.6.2. 色温

目标主体的照明色温参数分布情况如图11所示. 4组数据中的色温均服从正态分布(p > 0.05),方差齐性检验结果显示p=0.536 > 0.05,可以使用方差分析,单因素方差分析结果p=0.977 > 0.05,组间不存在显著性差异. 通过描述性统计分析,得到色温均值的95%置信区间. 可能是实验中仅以铜锡合金材质的青铜器为照明对象,被试对色温渲染表现出一定倾向性,之后的研究可以考虑使用不同材质、工艺的展示物品,以探究照明空间设计中参与者对不同材质的色温偏好差异.

图 11

图 11   目标主体色温箱式图及色温均值的95%置信区间

Fig.11   Box plot of color temperature and 95% confidence interval for mean color temperature on target subject


2.6.3. 照明角度

目标主体主光调节角度的数值变化情况如图12所示. 在允许用户控制照明角度的情况下,被试乐于构建个性化体验,以获得“理想”的照明条件. 调整灯光角度可以打造均匀、轻松的照明场景,但是主光、辅光在经纬度方向的调整须通过手柄控制器拖动UI滑块进行,在实验过程中,被试通常会反复切换、测试,繁重的操作成本会对被试情绪造成消极影响. 在整理数据时发现,被试对照明角度的位置选定上均呈现临近边界值的趋势. 在以往研究中,实验人员也常以被照物体和摄像机的连线为基准,将主、辅光分别安置在连线左、右偏移45°,均向上偏移45°的位置[24].

图 12

图 12   目标主体主光调节范围的数值变化

Fig.12   Numerical change of main light adjustment range on target subject


综合上述实验结果,本研究采用如图13所示的照明方案进行场景实测,在设计产出中排除角度动态属性,以降低交互成本.

图 13

图 13   照明角度方案调整

Fig.13   Adjustment of lighting angle scheme


3. 照明引导识别的交互设计

调整前期实验的初始化照明状态基础数据,减少用户初期大范围的照明调整;选取物品展示场景,对于细节展示进行深入的照明引导实验,关注被试的交互操作细节.

3.1. 纹样细节提取与分析

线下博物馆主要依靠展签、图文展板传达目标主体信息,如图14所示. 这种展示形式会打断参观者的观赏流程,也无法与目标主体本身形成良好的对应关系. 本研究从展品纹样蕴含的文化内涵出发,通过在VR技术的干预下结合游戏化照明引导来提升用户认识体验.

图 14

图 14   博物馆中的图文展板

Fig.14   Graphic and textual display boards in museum


3.1.1. 照明引导下的细节展示设计

以手电筒发出的光线为视觉线索,强化光照引导作用,参考传统的图文展板,设计如图15所示的普通展示模式、纹样贴图模式分别开展实验.

图 15

图 15   照明引导下的物体展示模式

Fig.15   Display mode of subject guided by illumination


3.1.2. 复杂青铜器模型

分别对4件青铜器模型进行纹样细节特征提取,使用Adobe Illustrator软件绘制18组纹样,如图16所示.

图 16

图 16   青铜器模型的纹样

Fig.16   Patterns of bronze model


3.2. 实验设计
3.2.1. 被试

被试为30位浙江大学的研究生(男性12名,女性18名),平均年龄25岁,随机分配到实验组或对照组. 经被试同意,使用录屏、拍照记录其在虚拟博物馆中的体验过程. 采用HTC Vive Pro系列产品作为虚拟交互工具.

3.2.2. 认知任务

对比2种提示形式对被试认知效率的影响,探究视觉照明线索和纹样可视化对青铜器纹样符号识别是否具有提升作用. 被试佩戴HMD进入虚拟展示场景,在局部照明的引导下观察青铜器模型,点击交互图标触发纹样特征强化模式,其中实验组为纹样图形贴图模式,对照组为纹样展示面板模式. 要求被试在15 min内匹配4组青铜器的外形和纹样,任务结束后填写测试问卷. 问卷将答案的确认程度分为3个等级:1)R(Remember)表示对自己的答案非常确定,可以回忆起展品的模糊状况;K(Know)表示对自己的答案确认,但是记不起细节信息;G(Guess)表示对自己的答案不太确定. 根据模式变量的不同,将被试平均分成实验组和对照组,以探究照明强化刺激变量是否对用户的认知行为造成显著差异,并通过定量分析论证以下假设. 1)相比于在照明引导下发现纹样展示面板,引导观察纹样贴图状况下被试的认知偏差更小. 2)相比于在照明引导下发现纹样展示面板,引导观察纹样贴图状况下被试完成认知问卷所需的时间更少. 3)相比于纹样展示面板模式,纹样贴图状况模式下被试对展品的细节记忆更清晰,任务准确率更高.

3.3. 实验数据分析

从作答时长ta、准确答案数量、确认程度判定3个维度进行问卷填写情况整理和分析,通过Shapiro-Wilk 检验、t检验、方差齐性检验判断填写内容是否符合假设,得出统计分析结果

3.3.1. 认知偏差

问卷没有直接反映被试认知偏差的指标,且被试在作答时根据自我判定对准确程度作出回应,为此构建衡量认知偏差的方法. 将被试在问卷上标记R的数量记作Ra),标记K的数量记作Ka);将回答正确的R的数量记作Rt),回答正确的K的数量记作Kt). 认知偏差统计学检验公式为

由Shapiro-Wilk检验得出对于认知偏差的统计数据不符合正态分布(p<0.05),因此使用非参数检验中的Mann-Whitney U检验. 结果显示,在对实际判定和自我判定之间的匹配程度上,实验组(平均秩为16.93)和对照组(平均秩为14.07)之间不存在统计上的显著差异(U=91,p=0.389). 纹样引导方式对被试的认知偏差没有显著影响,假设1)不成立.

3.3.2. 作答时长

3被试的作答时间控制在100~300 s,如图17所示. 由Shapiro-Wilk检验得出作答时间符合正态分布(p>0.05),且服从方差齐性(p>0.05),因此使用配对样本t检验(p=0.034),实验组和对照组之间存在统计学上的显著差异,且t为负值,由此判定对照组比实验组的作答时间长,假设2)成立.

图 17

图 17   纹样识别作答时间箱式图

Fig.17   Box plot of response times for pattern recognition


3.3.3. 认知准确率

对被试认知正确的纹样数量进行SPSS分析. 由Shapiro-Wilk检验得到认知准确率不符合正态分布(p<0.05),因此使用非参数检验中的Mann-Whitney U检验. 结果显示,在对被试认知准确率的评估中,实验组(平均秩为19.00)和对照组(平均秩为12.00)之间存在统计学上的显著差异(U=60,p=0.029). 纹样引导方式对被试准确率存在显著影响,假设3)成立.

上述实验结果表明,照明引导与纹样贴图模式相结合的交互设计方式在认知效率和认知准确度方面具有明显优势.

4. 照明引导系统设计

4.1. 交互任务设计

在本研究中,虚拟环境中的交互设计以照明、纹样展示为主要功能,以青铜器为展示案例,设计出与用户交互的任务. 如图18所示,交互任务分为照明互动、纹样展示和任务模拟3个模块,分别对应虚拟博物馆用户体验类型中的探索体验、认知体验和经历体验. 如图19所示,虚拟场景照明引导系统的主要交互功能,通过径向菜单和一、二级菜单进行功能区分,构成虚拟博物馆的交互流程. 在具体交互过程中,用户通过触发手柄按键,将数据发送到虚拟系统;虚拟系统提供场景模型、目标物体模型、功能菜单界面,并结合用户的操作数据,提供有效的可视化效果和信息展示.

图 18

图 18   虚拟环境中用户体验与交互任务的对应关系

Fig.18   Correspondence between user experience and interaction tasks in virtual environments


图 19

图 19   虚拟场景交互任务流程图

Fig.19   Flowchart of interaction tack in virtual scene


4.1.1. 照明交互模块

为了简化用户在进行照明体验时使用虚拟设备的交互操作,分别对照明强度、色温及角度进行设计调整. 根据强度和色温的参数置信区间,将青铜器模型的照明方案参数按照实验数据分为3档取值. 在主光和辅光的角度调节方面,以青铜器和头戴显示器的水平连线为基准,将主光和辅光分别固定在连线左侧向上偏移45°、右侧向上偏移45°的位置,如图20所示. 虚拟场景具有三维空间的特性,使用者在物理空间中移动时,虚拟现实视角也在不断地刷新. 当被试自由参观时,进入3盏灯光的夹角区域,该区域三点照明布局与用户视角的相对位置无法维持在恒定状态,为此将VR场景中的背光、主光和辅光组合成三点光源组. 以展品的y轴为旋转轴,光源组跟随主体视角转动的角度而旋转,即三盏灯光始终朝向主体,如图20所示. 三点照明组伴随着HMD视野产生移动,会给参与者带来趣味性和游戏体验感.

图 20

图 20   虚拟场景中的交互式动态灯光角度

Fig.20   Interactive dynamic lighting angles in virtual scene


4.1.2. 纹样展示模块

对比实验发现,照明引导下的纹样贴图模式对文化信息的趣味性和有效性呈现上有积极作用,本研究在设计中沿用这一交互方式,如图21所示.

图 21

图 21   虚拟场景中的纹样贴图展示

Fig.21   Pattern map display in virtual scene


4.1.3. 虚拟任务模块

任务模拟是游戏中经常使用的故事叙述方式,以青铜器的泥范铸造法作为分析对象,把制泥模、翻外范、制内范、合范和浇铸进行交互功能的对应,使用C4D软件制定动画脚本,表现形式有溶解、消散、位移,以表达青铜器模型的产生以及原材料的损耗,关键帧如图22所示;绘制图标,如图23所示. 由Rhino软件创建主要的3D模型,借助Substance Painter软件制作纹理贴图,将素材导入Unity以更好地呈现材质的物理属性,还原虚拟场景的真实性,效果如图24所示. 被试在进入虚拟环境的青铜器制造体验区后,手指触摸输入多功能触摸面板打开任务列表菜单,按动二段式扳机键发出射线依次激活功能图标,将看到相应的演示动画以解释每个工艺步骤中的方法流程,如图25所示.

图 22

图 22   青铜器铸造流程动画关键帧

Fig.22   Animation keyframes of bronze casting process


图 23

图 23   任务模拟二级菜单

Fig.23   Secondary menu for task simulation


图 24

图 24   纹理制作与模型效果展示

Fig.24   Texture production and model effect display


图 25

图 25   工艺演示的交互图标

Fig.25   Interactive icons of process demonstrations


4.2. 实验设计

实验有偿招募15位浙江大学设计专业的研究生作为被试,使用HTC Vive Pro系列产品作为虚拟交互工具. 当被试示意基本掌握实验任务与操作方式后实验开始,实验任务持续15 min. 实验内容是对虚拟展示场景中的3种交互任务进行用户体验评估,验证交互工具的有效性,提出优化建议. 当体验结束后被试摘下HMD,在实验人员的引导下完成半结构化访谈. 访谈内容是通过对比式问题询问被试在体验过程中的态度、期望及建议. 具体问题包含如下. 1)联想线下的展品照明,你希望为不同的展品设计灯光效果吗?本次实验中的照明交互对你的体验有提升作用吗?2)联想线下中的图文展板,你认为这种展示形式对展品信息的解读能满足你的参观需求吗?本次实验中照明引导下纹样贴图展示对你的体验有提升作用吗?3)虚拟任务中青铜器制造工艺流程的展示对你的体验趣味性有提升作用吗?

4.3. 实验结果分析

被试在访谈中提及的线下参观痛点包括展示柜阻隔,靠墙壁摆放的展柜只能看到展品的部分信息,缺乏目标性,展线过长容易引起认知疲劳等等. 虚拟场景解决了部分痛点,VR特有的沉浸感以及青铜器模型的仿真度,能够提供被试不同于线下参观的体验,尤其是纹样贴图和照明引导,在细节增强和信息传达方面均得到被试的肯定.

经被试允许,对访谈内容进行录音,实验结束后整理成文字资料,便于编码和可视化表达. 基于扎根理论(grounded theory)对访谈结果进行深入分析;整个流程分为开放性编码、主轴性编码和选择性编码3个阶段[28]. 借助Nvivo2.0的自由编码功能,对访谈材料进行编码处理. 对应用工具优势开放性编码的初步编码结果进行合并和删减,进一步概括为3个大类的13个细分类别,分别是照明交互(个人感受、功能、立体感增强、情境代入、提升细节)、纹样贴图(联想、细节增强、新颖性、信息传达)、虚拟任务(观赏角度、沉浸感、情绪、探索欲). 在访谈回答中,13个细分范畴中情景代入、提升细节、信息传达三者的提及频次显著高于其他类别. 此外,访谈中被试提到问题与不足将在后续研究进行设计优化.

5. 结 语

本研究探索VR环境中照明对用户操作和视觉感知的影响,特别是在精细作业场景中的应用,通过在虚拟环境中模拟不同的光照条件,分析光照强度、色温和照明角度等客观因素对用户进行虚拟物体的细节识别和操作体验的影响. 实验结果表明,适宜的光照强度和色温能够在虚拟环境下显著提高用户识别虚拟对象细节的能力,合适的照明角度能够有效增强物体的立体感和纹理感知,提高操作精确性和减少视觉疲劳,有效引导用户注意力. 实验结果对虚拟工业场景中的照明方案设计,增强用户体验和沉浸感具有重要意义. 本研究发现,用户在虚拟现实环境中的感知存在差异,可为个性化照明体验的设计提供理论依据. 在基于照明引导系统设计中,本研究通过图形分析和提取操作对象优化了虚拟重建中的照明和展示策略,在模型细节的认知效率和准确度方面优势明显,为虚拟环境中的物品展示和交互操作提供了实验依据. 在未来的研究中,将完善大规模数据的采集验证,提升实验结果的泛化意义,支撑相关方向的实验深度开展.

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