第二节 设计过程
一、第一次迭代：概念设计
最初的概念设计从虚拟现实数字影像的情感基调入手。基于本研究第二章的分析讨论，由于虚拟现实技术能够提供将参与者与所处真实环境完全剥离的体验环境，因此虚拟现实数字影像在真实感的传达上有着先天的优势。而从理论上来说，通过情感表达与交互体验为参与者提供获取真实感的过程本身在题材的选择上是没有限制的。经过三轮头脑风暴，共产生了9个符合虚拟现实技术特性并有着明确情感基调的初期概念，如表4.1所示：
表4.1 原型概念一览
基于本研究第三章对虚拟现实数字影像的交互品质的分析，对以上概念进行适用性评估。首先由概念提出者从丰富的、自由的、迅捷的、有趣的、友善的、自然的六个维度进行描述，随后进行评估，以1-5分评估概念在该项交互品质中的分数，1为最弱，5为最佳，结果如表4.2所示。
表4.2 概念适用性评估
续表
在适用性评估过程中，考虑到对交互行为设计的描述基于对概念的描述，以及当前虚拟现实技术的实际能力，再加上初期概念与实际完成效果存在一定偏差，因此本研究选取了分数排名前三的概念（按原序号排列）：无限循环、太空一夜、故宫修文物进行第二次迭代。
二、第二次迭代：视听设计
在视听设计阶段，本研究分组对三个概念进行了文字概述、视觉设计、交互设计、音乐与音效设计。
（一）《无限循环》
1.文字概述
影像以第一人称视角呈现。参与者本是某宗教的虔诚信徒和传教士，向被瘟疫折磨的人们宣传教义并带领他们虔诚地祈祷，希望能够得到救赎。可神未降临，却引来了撒旦的注意。撒旦以参与者内心的绝望为源，引诱其接近魔鬼圣经。本意为救人的参与者却由于魔鬼圣经上的黑魔法害病患们一个个凄惨地死去。被参与者害死的人们的怨灵想将他一起永远束缚在医院内。
作品设想在与真实环境隔绝的情况下，营造无法逃离的循环空间感，使参与者感受到从兴奋到恐慌再到绝望的情感变化。身处破旧医院的环境中，参与者能够通过头戴式显示器观察所处环境，并通过手势等自然交互实现空间的移动，还可以对某些特定物品进行拾取，以便近距离观看。在与某些特定物品交互时，系统会给予符号化提示。除参与者外，整个空间内只有一个像玩具娃娃的活动角色。
推动参与者参与叙事的是一首古老的儿歌，歌词如下：
在那古老的楼梯上，有五个可爱的小姑娘。
肚子太饿在哭泣，等待好心人来帮忙。
红帽子吃肉不会胖，黄帽子三下拍头上，
蓝帽子不想别人吵，白帽子转身面对墙。
还有一个紫帽子，走上楼梯去找汤，
就算听到她说话，千万别看她哪里藏。
在影像完成后进行定量与定性研究测试，如参与者能够坚持完成几次循环；在每次循环中有哪些差异化的交互方式；在不同循环中，参与者对于相同的交互有何种差异反应等均可作为交互研究素材。
2.视觉设计
影像分为三个相连又独立的空间，分别是手术室与隔离病房、狭长的有床位的大病房、楼梯间（如图4.2）。影像开始于手术室与隔离病房，空间整体氛围昏暗，X光观片灯箱为主光源，忽明忽暗的三组单管灯为辅助光源，出入口的灯箱闪烁红光作为引导提示。角色以冷色调出现（如图4.3），营造诡异氛围（如图4.4），楼梯结构为“Z”字形（如图4.5、图4.6）。
图4.2 《无限循环》空间设计
图4.3 《无限循环》角色设计
图4.4 《无限循环》氛围设计
图4.5 《无限循环》楼梯结构图
图4.6 《无限循环》楼梯透视图
3.交互设计
通过手部动作识别进行较为自然的交互，可利用Leap Motion作为行为输入硬件，降低初次参与者对手柄或键盘类实体交互学习的成本。但对于手势代表的含义需要参与者额外记忆。交互主要实现在虚拟空间中移动观察、物品拾取、物品使用的功能。交互对象在影像显示中以明确的HUD（Head Up Display）形式展现，参与者手中物品（最多一个）在右上角显示（如图4.7）。
图4.7 交互效果参考图
影像最基本的交互方式是其呈现的内容随着参与者转头而改变，即参与者通过头戴式显示器控制视角，通过双手的手势动作进行交互输入。通过完成影像提供的各种交互，决定影像呈现哪个分支内容，进而决定影像的画面。动作输入与对应的交互结果如表4.3所示。
表4.3 《无限循环》动作输入与对应的交互结果
4.音乐与音效设计
影像的音乐与电影《寂静岭》的配乐风格类似，低沉、缓慢、若有似无。影像利用双声道立体声效果，以音乐作为指引，引导参与者向剧情关键方向前进。参与者在楼梯间时，音乐音量增加，使参与者可以听清歌词以便其发现更加明确的引导和提示。
（二）《太空一夜》
1.文字概述
概念来源于小说《三体》，或可作为电影《三体》的扩展交互体验版本。剧情在小说原著中没有体现，参与者“扮演”的也是原创角色。希望通过与历史大事件同期发生的小人物的故事展现大事件对普通人的影响。
时代背景：以《三体》为参照的近未来，即危机纪元205年（公元2212年）。影像开始于末日之战当天的早些时候，结束于末日之战告终，地球上居住的新人类陷入混乱。
科技背景：基于纳米技术设计建造的太空电梯已经是成熟的地空交通设施；危机纪元初期“冬眠”了两个世纪的人类逐渐苏醒，重新进入人类社会。
影像以第一人称视角呈现，参与者扮演的角色在冬眠前是中国国家太空生物实验研究院院士，苏醒后进入重新建立的太空生物实验研究院进行研究工作。为庆祝参与者重新加入太空生物实验研究院，同时也为了完成回收AG-X370号实验样本的任务，参与者乘坐太空电梯进入太空近地轨道完成一系列交互体验并领略太空深邃静谧的神奇景象。
参与者乘坐太空电梯进入太空后，需要在地面指挥中心的指导下完成实验样本回收。返程途中因为一架飞船违规航行，距离太空电梯过近且速度极快导致电梯损坏，参与者需要手工启动应急装置才能使电梯恢复正常运行。完成任务后，参与者乘坐电梯返回地球，途中将目睹末日之战的遥远闪光，并通过地面指挥中心得知地球舰队在接触“水滴”后全军覆没的消息。此时地球上一片混乱，地面指挥中心的联络人员也因为过于震惊与绝望而与参与者断开了联系，参与者突然陷入孤寂无助的环境中，只能静静地等待电梯的下落。影像在太空电梯停稳开门的一瞬间结束，参与者即将面对未知的、陷入混乱的地球。
影像剧情如表4.4所示，剧情设计与交互体验的设计紧密结合：交互推动剧情的进展，剧情和语音提示将交互任务合理化，二者相辅相成。同时语音还肩负着为参与者提供交互与引导剧情发展的任务，为第一次体验虚拟现实影像的参与者提供良好的交互引导，为有经验的参与者提供更丰富的感官与交互体验。
表4.4 《太空一夜》剧情
2.视觉设计
《三体》电影制作方尚未有空间与太空电梯设计图可参考，故从影像展现角度与体验角度出发，设计团队设计空间与太空电梯外观如图4.8与图4.9所示。
图4.8 《太空一夜》空间示意图
图4.9 《太空一夜》太空电梯概念图
影像以第一人称视角呈现，参与者转动头部可见深邃悠远的太空景象。考虑到参与者对虚拟现实的体验经历不同，加之模拟太空环境失重与惯性会为参与者控制镜头带来一定的难度，因此光源始终固定，时间流逝不影响太阳与地球的位置关系，以此减少参与者因光线变化引起的时间感、压迫感与空间方向的混乱。
考虑到在有限的可视范围内需要呈现较多内容，而HUD二维用户界面又会对叙事产生影响，因此用支持空气投影等科技手段的近未来科技背景，达到以叙事化界面对参与者进行必要提示与信息传达的目的。
参与者在影片中身着宇航服并戴宇航头盔，这与虚拟现实头盔设备带来的重量感在认知上可以取得一致，增加了环境体验的真实感。如NASA空间站的出舱作业录像那样，参与者看不到自身影像，但能通过头盔看到戴着手套的双手，如图4.10所示。整个视觉空间氛围的模拟渲染如图4.11所示。
图4.10 参与者视野
图4.11 气氛效果图
3.交互设计
绝大多数参与者没有真正的太空行走体验，更没有在太空中进行实物操作的经验，这对于影像真实感的模拟来说是有利的。我们可以进一步在语音引导和视觉上强调太空服的厚重、不便来弥补当下交互硬件在拟真性上的不足。同时，还可以使用数据手套或游戏手柄作为交互输入硬件，模拟徒手操作或机械臂操作，提高交互硬件使用的合理性。在影像中，参与者可以在语音引导下，与剧情有关的关键元素进行交互，也可以暂时不理会引导，纯粹体验身处太空的感受，与身边的非关键元素进行交互。
主要的交互方式与对应反馈情况，如表4.5所示。
表4.5 《太空一夜》交互内容设计
图4.12 《太空一夜》精细交互设计图
关键交互中的电路修复部分精细交互设计如图4.12所示。
参与者可通过手柄左摇杆选中黑色圆点，按圈键确认选择。确认选择黑色圆点后，与该黑色圆点相连的线向黑色圆点收回；当线与方形的回扣相碰时，修复失败；顺序回收每一条线且不发生碰撞时，修复成功。回收顺序为A1，A2；B1，B2，B3；C1，C2，C3。
交互效果描述：选中黑色圆点时如图4.12中A1所示的方框；确认选择后与黑色圆点相连的黑线向黑色圆点收回；如果与方形回扣相碰则当前黑线震动，手柄作出震动反馈；初始化当前电路组；A组与B组回收完成后，分别显示文字“第一阶段能源转化完成”和“第二阶段能源转化完成”；C组回收完成后显示文字“能源转化完成”。画面布局如图4.13所示，右侧虚线内为电路部分，左侧如图所示形状。初始为空，每完成一个电路组增加一个格子（类似手机电量显示），完成C组后三个格子充满。
图4.13 面板充电示意图
4.音乐与音效设计
女声扮演地面指挥员，全程进行语音引导。前期音乐基调为霍尔斯特《行星》组曲中的《木星》，为参与者营造面对浩瀚宇宙的敬畏感以及进入太空的仪式感。
电梯故障后音乐渐隐，只剩故障音效。地面混乱后声音从混乱的人声逐渐变成电流白噪声，留下空白和可能性，给参与者更多的想象空间。
（三）《故宫修文物》
1.文字概述
概念来源于纪录片《我在故宫修文物》，原纪录片受到片长与现场拍摄限制，对文物修缮的过程介绍较为粗略。本片作为纪录片的交互延伸版，在虚拟现实环境中，让参与者在文物专家的指导下通过交互体验文物修复的过程。总体来看，本片分为观赏与交互两部分。参与者可以在观赏部分跟随摄像机移动观察欣赏文物，在交互部分修复文物。
2.视觉设计
本片观赏部分的视觉风格与《我在故宫修文物》一致，但没有套用原片素材，而是使用全景摄像机进行空景移动拍摄，对故宫建筑环境进行建模复制和渲染输出，参与者可以获得漫游故宫的观赏体验，场景氛围如图4.14所示。交互部分以真实文物为基础，制作三维模型，以便进行修复交互。修复文物时，参与者能看到自己手的对应位置，交互部分视觉体验如图4.15所示。
图4.14 《故宫修文物》场景氛围
图4.15 《故宫修文物》交互画面
3.交互设计
本片交互类型分为两部分：播放交互与进程交互。
播放交互：在观赏阶段，参与者跟随摄像机进行空间移动，并通过转动头部改变摄影机角度，自由转换视角。当参与者希望停下时，需要通过手势输入停止命令；当参与者希望沿既定路线前进时，需要通过手势输入前进命令。观赏阶段的移动不是完全自由的，影像主要展示故宫博物院内建筑外观，不呈现室内展览部分。参与者在空间移动时被设定为乘坐车辆，以此减少参与者在虚拟现实状态下没有真实移动却发生了空间移动的不适感，同时也避免了选择固定点进行空间跳跃造成的束缚感。
进程交互：主要体现在文物修复阶段。参与者在文物专家的语音引导下，通过手势输入动作，对显示视野中的文物进行修复。由于修复文物是非常精细的工作，准确捕捉手部的动作姿态非常重要，因此硬件考虑使用Leap Motion。《故宫修文物》的主要交互与反馈如表4.6所示。
表4.6 《故宫修文物》动作输入与对应的交互结果
4.音乐与音效设计
录制自然音效，无背景音乐。音效以鸽哨、钟声、鸟鸣等为主。文物修复阶段语音引导根据所修复文物而不同，如钟表修复时为王津老师语音引导，木柜修复时为王有亮老师语音引导。
（四）视听设计评估
在视听设计的基础上，设计团队再次从丰富的、自由的、迅捷的、有趣的、友善的、自然的六个维度对概念进行评估，以1-5分评估概念在该项交互品质上的分数，1为最弱，5为最佳。结果如表4.7所示。
表4.7 视听设计评估
从评估结果来看，三个概念在交互的自然性设计方面分数相差最多。因为在现阶段的交互硬件支持下，做到完全的自然交互尚不现实，而《太空一夜》将虚拟世界中的影像交互与当下硬件的交互方式进行了内在机制层面的连接，使得参与者产生了虚拟现实的交互与影像呈现的机械交互方式等同的错觉，更加符合虚拟现实语境下数字影像交互品质的描述，适合进行后续迭代。
三、第三次迭代：交互技术可行性
在交互技术可行性方面，《太空一夜》主要涉及虚拟现实头戴式显示器控制的影像视角交互与参与者双手行为的交互输入两种方式。
在头戴式显示器的选择上，Oculus Rift与HTC vive都能够满足需要；而根据前次迭代的设计，影像将通过机械交互使参与者获得自然交互的感受，这使得技术的关键在于参与者双手行为的交互输入上。
根据影像设计的交互内容，有三种硬件交互方式可以选择：
数据手套、Leap Motion：常见的数据捕捉设备，可输入五指、手掌的运动。
PS Move：索尼公司的直杆控制器，可记录手掌的运动，可震动。
游戏手柄：拥有摇杆、方向键、扳机式按键，可震动。
以上硬件交互对比如表4.8所示。
表4.8 《太空一夜》硬件交互对比
由表4.8可见，现有的交互硬件可以满足影片原型设计的基本需求。但其中PS Move需要PS3或PS4主机的支持，而PS4主机支持的PSVR尚处于实验测试阶段，未开放给开发者使用，因此数据手套或Leap Motion与游戏手柄可以作为交互中的输入技术进行配套开发。同时，相应的开发工具包与技术文档都已完备，加之设计团队有前期开发经验作为基础，因此交互技术的可行性能够得到有效保证。
在《太空一夜》的故事背景下，设计团队着力通过头盔模拟宇航员头盔的重量感，使参与者在物理感觉上将头盔重量合理化。那么利用数据手套或Leap Motion模拟自然的手势交互方式与通过游戏手柄模拟机械臂操作装置相比，哪一种更能够有效提升影像的沉浸感？带着这个问题，研究进入了第四次迭代，即原型制作阶段。
四、第四次迭代：原型制作
原型制作阶段主要完成对影像最终视听效果的模拟以及主要交互方式的可体验版本。在《太空一夜》的前三次迭代结束后，主要交互方式的选择仍存在不确定性，因此我们在原型制作阶段使用相同的美术与声音素材，制作以“手势”或“手柄”为交互方式的两个版本，通过实验与评估的结果确定正式版本的交互方式。
在本阶段，设计团队分为三组并行工作：
资源组：细化影像流程与内容，与另外两组沟通交流后完成视听效果概念呈现与包括场景搭建在内的部分视听素材的制作。
手势组：实践决定选用数据手套还是Leap Motion；在资源组对影像流程细化的基础上，与手柄组沟通决定影像流程中交互点的交互内容，并完成基于所选硬件的交互设计与实现。
手柄组：在资源组对影像流程细化的基础上，与手势组沟通决定影像流程中交互点的交互内容，并完成基于手柄的交互设计与实现。
在原型制作阶段，三组应保持密切的沟通。资源组作为组织核心，负责协调另外两组的工作并控制进度，保证两组在交互方式以外的部分不出现影响参与者体验效果的因素。这一效果的实现建立在相同视听素材的基础上，同时要求影像流程的全面一致性。在具体工作中，由于手势组在前期需要解决数据手套与Leap Motion的硬件选择问题，因此手柄组在同期承担影像流程的实现工作。同时，手柄组在技术上留出使用手势硬件交互的接口，以便给手势组接续；影像表现上做好素材替代的规格，为后续与资源组对接视听素材做好准备。
原型制作阶段的重点围绕参与者在影像中的移动及其在空间中抓取漂浮对象展开。因此在原有剧情流程中，设计团队选择了场景细节较少的太空电梯外部，配合太阳、地球与宇宙暗部空间，营造宇宙的深邃空寂感。从剧情合理性出发，参与者初始位置为太空电梯边，然后在语音提示下移动位置到达抓取漂浮对象的区域进行以抓取为主要目的的交互。影像应在较短的流程中实现两种交互的顺序出现，并在流程中逐渐增加交互操作的复合性，最终参与者通过移动到达定位点进行抓取。《太空一夜》原型剧情流程如表4.9所示。
表4.9 《太空一夜》原型剧情流程
原型制作阶段的具体内容与分工如表4.10所示。
表4.10 《太空一夜》原型制作工作表
资源组将两组完成后的项目工程进行流程一致性对比，组织两组交叉完成品质控制（Quality Control）相关工作，确保最终进入评估的两组原型除了交互方式外，其他表现层面具有高度一致性。