视听设计及实现
一、模型与渲染
《太空一夜》的视觉实现主要依靠三维美术软件Autodesk、3d Max和二维美术软件Adobe Photoshop以及渲染引擎Unity协同实现。三维美术软件主要负责绘制影像中较近物品的模型，二维美术软件则负责绘制影像中的远景及模型的贴图，两部分美术素材在渲染引擎中进行虚拟空间的搭建与渲染。
《太空一夜》使用Unity本身的渲染系统，充分利用其自带的渲染功能：全局光、预渲染、模糊与曝光效果来完成虚拟太空世界所需要的视觉呈现内容与画面质量。材质方面则根据太空电梯、连接通道、实验平台等不同需求，制作与Unity自带的基于物理渲染——PBR（Physically Based Rendering）相匹配的若干纹理，包括漫反射纹理、法线纹理、自发光纹理等。为了保证最终的渲染质量，纹理的绘制与模型设计保持同步的状态，并进行多次渲染效果实验与高质量模型的影像帧数监控实验，最大限度地将美术基础工作与渲染引擎的计算工作相结合，达到最佳的视觉输出效果。
为了使《太空一夜》的影像视觉效果更加符合预期设想，创作组参考了大量宇航题材的纪录片与图片资料，针对影像中最重要的视觉元素进行了表现力与相关技术的研究，在不同场景的美术设计上注重细节的表现。
（一）太阳与阳光
在研究太空实景拍摄影像的过程中我们发现，身处太空中回望太阳与在地球上仰视太阳有着明显的区别。其中最明显的区别在于，在太空中看到的太阳亮度更强。因此，在制作阳光效果的过程中，创作组从视觉效果的需求与不同状态出发，首先明确了影像对太阳的需求。
1.作为空间标志物的装饰性点光源
太阳在影像中的状态更接近点光源的光线传播状态。但在虚拟现实影像中，并不能真正依靠太阳光作为主要的照明方式。从还原真实的角度来说，依赖太阳光作为主要照明方式更加接近真实的宇宙空间行走体验，但过于追求真实的太阳光源效果很容易使没有经过宇航训练的虚拟现实影像参与者陷入被强光刺激得无法睁眼，或被自身阴影阻挡视线难以确定自身姿态与方位的境地。因此在虚拟现实影像中，太阳是参与者身处太空这一情境的标志物，以便其以符合大众认知的方式提升影像的真实感。
2.不同状态下的不同视觉效果
考虑到太阳作为标志物的设计定位，创作组在太阳及其光线的设计上主要从视觉效果出发，对阳光的纹理进行分层处理，如图5.3所示。
图5.3 阳光纹理分层
太阳的美术形象以一个六边形的散射效果作为基础呈现形态，同时模拟宇航员在太空作业中透过玻璃面罩看到太阳的效果，还有参与者在直视太阳时出现的阳光闪耀的光晕效果。而当太阳被太空电梯等影像内的障碍物遮挡时，所有附加在太阳的散射效果都随之消失。最终呈现效果的不同状态如图5.4所示。
图5.4 太阳光效果
（二）地球模型渲染
在Unity的常规解决方案中，对天空等外围环境的处理以背景化的方法最为常见。背景化的原理是用二维的绘画将参与者无法到达的远景区域呈现出来，使参与者能够通过几乎不动的远景与跟随自身运动变化的其他景物来获得对中景与近景的距离感，从而构建对整个虚拟世界的空间认知。
在不同的虚拟空间中，对天空等外围环境的表现有不同的呈现方式，主要方式有：
1.天空板（Sky Plane），天空背景作为贴图被放在一个平面上；
2.天空穹（Sky Dome），天空背景作为一个曲面内穹顶的贴图；
3.天空盒（Sky Box），用一个立方体来包裹虚拟世界，在其内部各面贴图。
在不同的交互设计条件下，考虑到渲染能力与表现效果的差异，虚拟世界选用的天空表现方式也不同。如果参与者视角仅在两个维度内变化，根据视觉风格二维化或三维化的不同，使用天空板或天空穹就能够达到预期效果。而当参与者要在三维空间的三个坐标方向上都移动时，就要使用天空盒来对虚拟世界进行包裹。天空盒通常是由六个面组成的立方体，其中心点与参与者的视点绑定，并要随着参与者视点的移动而移动，以免出现移动超出天空盒边界的情况。
在《太空一夜》的设计中，符合参与者认知的虚拟太空环境是影像表现中极其重要的组成部分，地球作为遥不可及的背景出现在参与者的视野中。因为参与者身处在三个维度都能自由移动的空间中，所以常规的解决方案是使用天空盒将参与者和太空电梯进行包裹，即将地球与星空作为一张纹理图赋予天空盒。但在《太空一夜》的前期迭代中我们发现，天空盒方案在技术与表现层面存在缺陷：首先，Unity引擎原生的天空盒系统支持的最大分辨率只有2K。如果使用2K的纹理图进行渲染输出，参与者很容易看到贴图被拉伸后的模糊效果，即参与者眼前的地球像被一层毛玻璃遮挡般模糊。这种模糊对于以地球为主要背景的影像来说，会严重影响其真实感。其次，使用天空盒方案需要在美术工作中额外使用建模渲染软件渲染出一张地球图像，渲染效果与引擎实机渲染出来的效果会因为电脑主机的不同产生很大差异，从而降低参与者的沉浸感。综合以上两点，创作组最终决定在虚拟太空场景中实际渲染出一个地球。
地球背景不是一个单纯的球体，而是如图5.5所示的包裹着地球地质结构并连接着宇宙空间的400公里厚的大气层。因此，地球在制作过程中最大的难点在于实现资源占用低但效果不受影响的大气散射效果。
图5.5 地球的大气层
Unity引擎中没有专门的代码用于模拟计算大气散射效果，虽然网络上有一些类似的实现方案，但因为其应用项目的需求体量太大，用在《太空一夜》中反而会影响影像渲染效率。因此创作组结合创作经验与影像的实际需求，设计开发出了适合《太空一夜》影像表现的“低成本大气散射方案”。这一解决方案需要特别准备多种美术素材，并结合引擎来实现。
1.高精度的地球纹理
地球纹理图的最佳分辨率在8K以上，国内图库并没有地球精细图像的素材。因此创作组在NASA官方网站找到了所有需要的地球纹理图，分辨率达到了8K以上。
2.不同地理环境的反光差异
地理环境最重要的差异在于陆地的阳光反射明显弱于海洋。Unity原生的PBR系统支持用反射贴图为整张纹理的不同区域设置不同的反射率，如图5.6所示。
图5.6 地球纹理与反射贴图
最终实现的陆地与海洋的反射差异效果如图5.7所示，参与者能够明显看到陆地与海洋在阳光下的不同质感，影像中的地球也极具物理上的真实感，而不是一张仅具有镜面化效果的图片。
图5.7 《太空一夜》陆地与海洋的反射差异
3.地球纹理与大气散射效果
图5.8为在太空中看地球的视觉效果。由于大气层的存在，越靠近地球边缘，地面越呈现蓝色，超出地球边缘的部分逐渐从蓝色过渡到太空的黑色。从制作的角度出发，使用粒子系统能够精确模拟这种效果。但由于参与者并不能移动到地球大气层近距离观察，而粒子系统在渲染时所占用的系统资源又太高，在不同的主机中运行可能会因为显卡的差异而出现掉帧现象，影响参与者体验，甚至导致其眩晕，因此，虽然影像需要以最终效果的视觉真实为导向，但不追求绝对的真实。最终的解决方案是使用部分球面的地球模型，配合环绕摄像机的垂直于球面切线的散射纹理来实现。
如图5.8所示，地球用一块完整的曲面来制作，围绕在摄像机周围的是一个环状的面向摄像机的带状纹理，这个纹理用来显示地球地质结构轮廓以外的大气层的散射效果。
在地球纹理的渲染部分，除了基础的地面、云朵、海洋的渲染功能之外，最重要的是确保地球边缘的颜色和大气散射的带状纹理颜色有一个完美的过渡，使大气散射的纹理与地球无缝接合为一个整体，这涉及一系列精确的调节。如图5.9所示，根据《太空一夜》影像的具体需求，创作组基于PBR渲染系统开发了影像专属的自定义着色器，可以在引擎中自由调节大气散射的颜色、强度、样式，为美术在渲染引擎中调节最终的视觉效果提供了极大便利。
图5.8 大气层散射的带状纹理
图5.9 《太空一夜》地球自定义着色器与参数
综合以上美术与程序协同的方案，《太空一夜》已经能够在保证视觉效果的前提下，尽可能降低资源占用空间与计算压力。通过对太阳与地球系统环境的仿真模拟，影像为参与者带来了既符合认知常识又具有奇观化视觉冲击的效果，同时也为参与者获得在太空漫游的沉浸感打下了基础。
二、界面与动画特效
（一）界面
长久以来，为了更好地为参与者提供虚拟世界的相关信息，游戏和其他交互产品已经习惯于使用传统HUD（Head Up Display）用户界面。HUD是源于军事领域的概念，最主要的作用是为了方便作战单位作战时，无须低头即能在视野中获取相关信息。随着技术的发展与创作的多样化，创作者对于界面的思考也趋于多元化。格雷格·威尔逊（Greg Wilson）认为，传统的HUD界面会阻碍参与者融入虚拟世界，因为透过HUD界面，参与者始终会觉得自己与虚拟世界之间存在看不见的“第四堵墙”。有些交互作品的HUD界面甚至被设计得极其复杂，这可能会将初次体验虚拟世界的参与者吓跑。但与此同时，卢卡·布雷达（Luca Breda）认为HUD界面的存在是必要的，如果没有HUD界面，参与者就无法获取虚拟世界的信息，从而陷入无所适从的境地。在对界面设计进行争论的过程中，克里斯汀·乔根森（Kristine Jorgensen）针对游戏的用户界面展开了定性研究，通过观察玩家的游戏行为以及游戏后对玩家进行访谈来了解玩家对于游戏界面的态度。研究发现，除去玩家个人喜好的因素，玩家对于界面的期待与容忍度会因为游戏类型而有所不同。对于上帝视角的策略与模拟经营类游戏来说，叙事要素并不是游戏中最重要的元素，HUD界面对于玩家来说是获得交互信息、把控全局的工具，不会对玩家沉浸在游戏世界中产生过多影响。而对于第一人称游戏来说，叙事化的界面处理会将玩家拉进虚拟世界，避免了HUD界面像看不见的玻璃墙一样将玩家隔绝在外。[1]
在虚拟现实影像中，是否应该存在传统的HUD界面尚未有定论。如果按照屏幕显示的常用方式进行HUD界面设计，为了避免界面遮挡视线，界面信息需要放在屏幕的边角等不影响参与者观察最主要视野的区域。参与者只在需要了解信息时，将视线焦点转移到界面信息上即可。但如前文所述，目前虚拟现实头盔在立体视觉的模拟上采取的是依靠转动头部改变直接视野的方式，并未对转动眼球的观察视野进行跟踪，良好视野的范围有限，参与者需要通过转动头部来调整良好视野的范围。传统HUD界面集中在边角设计上，要求参与者必须转动眼球将视线焦点进行最大限度的调整。这种调整是不自然且不舒服的。在《太空一夜》最初的原型迭代阶段，创作者就已经发现了这个问题，即HUD界面并不适合本研究的影像创作。
综合以上研究与实践，《太空一夜》的界面设计采取了叙事化的界面处理方式，即将必要的信息显示在虚拟世界中，使参与者与其扮演的角色都能够意识到界面的存在，而不是只有参与者能够看到，虚拟角色却无法感知。这种方法使得参与者所见即角色所见，从而尽量降低了“操作”角色的剥离感。角色能够看到界面是通过虚拟世界中的科技发展背景作为合理化要素的。《太空一夜》虚拟世界所依存的近未来科技可以在宇航服头盔玻璃上显示信息，成为最贴合叙事化界面的呈现方式。影像并没有如硬核游戏那样需要大量的信息与道具，如图5.10所示，叙事化界面在为参与者指示移动方向与距离方面能够作出最大贡献。而配合语音对当前任务的提示信息，参与者可以减少对界面信息的依赖，更接近真实的太空行走。而在需要具体操作连线的部分，交互内容本身就以实物的形态呈现，不需要更多的界面信息。综合来说，《太空一夜》使用叙事化界面是希望能够最大限度地减少参与者与现实世界的联系，帮助参与者更好地沉浸于虚拟世界中。
图5.10 叙事化界面对任务的信息提示截图
（二）动画特效
《太空一夜》使用了大量的粒子与发光特效来增强影像的视觉冲击力。心理学研究发现，刺激驱动注意是通过对参与者施加外在刺激而使其对刺激源进行关注的一种引导注意力的常用手段，无论是动态与静态的对比，还是差异较大的互补颜色的对比都能够较好地达到引导注意力的目的。因此，在以静态太空为主要场景的影像中，为主要的交互部分添加动态的、色彩丰富的特效能够在视觉上为参与者创造刺激驱动注意的条件，从而将参与者的注意力引导至交互体验的区域。
如图5.11所示，影像中的大部分空间是暗色和漫反射材质的太空电梯构造。在这种整体视觉下，由淡蓝色的发光体构成的交互区域中的主要视觉元素展现了强烈的技术意味与科幻风格。
图5.11 《太空一夜》影像空间整体鸟瞰
如图5.12所示，在影像创作过程中，创作组运用了大量发光的、透明纹理的UV动画，以较小的资源占用实现了较好的视觉效果。UV动画本质上是在引擎渲染中通过改变二维纹理在X轴或Y轴的坐标来实现动态效果的纹理动画，这种方法除了能对参与者进行刺激驱动外，还能够避免因为影像广阔背景中参照物的缺失而造成眩晕的情况出现。
图5.12 《太空一夜》透明纹理UV动画效果截图
三、声音设计
在《太空一夜》中，创作组将精力主要放在视觉呈现上，对于声音的设计主要遵循原型阶段的设计思路，即不使用背景音乐，仅通过宇航服的声音系统接收来自空间站的语音指引，并通过呼吸、机械与电子声营造太空行走时的声音环境，再结合隔绝现实空间声音的主动降噪耳机模拟太空中静谧神秘的空间体验效果。
考虑到不存在使用声源方向进行交互指引的设计，创作组在引导语音的制作中没有使用双声道，而将重点放在把普通语音处理为通话声音的部分。通过增加电路噪声等方式进行转化，保证语音能够被参与者听清，从而达到引导参与者体验影像的目的。