虛擬現實技術在建筑設計中的運用

馮躍 張文博 張宗宇

【摘要】虛擬現實技術作為一種新型的信息技術，其集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、網絡、傳感器及并行處理等技術的最新發展成果，并以其典型的特征影響著現代建筑設計的方法和觀念。本文以虛擬現實技術的概念與技術特征為出發點，重點論述了虛擬現實技術對于建筑設計的應用，以為其具體實踐提供參考。

【關鍵詞】虛擬現實；虛擬現實技術；建筑設計

虛擬現實技術作為一項以計算機技術為基礎的高新技術，具有交互性、想象性和沉浸性的特點，強調人在虛擬現實中的主導作用。建筑設計是技術、藝術和創新相結合的領域，虛擬現實技術的出現為建筑設計開辟了新思路，將其應用于建筑設計能夠打破傳統表現模式，虛擬現實和計算機技術的結合，能夠大大提高設計人員的工作效率和設計質量，縮短設計周期，減少投資成本。因此，虛擬現實技術應用于建筑設計具有重要的現實意義。

一、 虛擬現實技術

虛擬現實，Virtual Reality ，簡稱VR，最初由美國Jaron Lanier 于上世紀80年代提出，當時主要應用在宇航局和國防部。虛擬現實是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它借助計算機技術及傳感裝置所創建的一種嶄新的模擬環境。虛擬環境由計算機生成，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。虛擬現實集成計算機圖形學、圖像處理、模式識別、多傳感器、語音處理、網絡等技術，具有交互性、想象性和沉浸性。交互性，In-teraction，指在虛擬現實系統中以用戶為主，用戶能與虛擬場景中的對象相互作用，虛擬場景對于用戶來說具有可操作性；想象性，Imagination，指虛擬現實系統并非真實系統，它反映了虛擬現實系統設計者的構想，虛擬現實可把這種構思變成看得見的虛擬物體和環境，使以往只能借助傳統沙盤的設計模式提升到數字化的即看即所得的境界，提高了設計和規劃的質量與效率；沉浸感，Immersion，則指虛擬現實技術通過計算機圖形構成的三維數字虛擬環境真實感極強，使用戶在視覺上產生沉浸于虛擬環境的感覺。據用戶參與虛擬現實系統的形式及沉浸程度，虛擬現實系統可分為沉浸式、分布式、增強現實性和桌面虛擬式，其為建筑設計帶來了全新的表現手段。

二、 虛擬現實技術在建筑設計中的應用

建筑設計綜合性極強，設計人員在運用自身思維進行設計的同時，還應考慮客戶的整體感受，使建筑設計更具真實感。虛擬現實技術能夠幫助設計人員更好地完成，主要原因即在于其能夠通過計算機對現實進行模擬、創造和體現虛擬世界，降低勞動量，縮短設計周期，提高設計科學性和精確性。

（1）展示建筑物整體信息

現階段的二維、三維表達方式，只能傳遞建筑物部分屬性信息，且只能提供單一尺度的建筑物信息，而使用虛擬現實技術可展示一棟活生生的虛擬建筑物，并可在里面漫游，體驗身臨其境之感。建筑設計不僅是設計者的事，住戶、管理部門都可起到輔助決策的作用，而虛擬現實技術在設計者和用戶之間能起到一種溝通的橋梁作用。

（2）遠距離瀏覽

設計者進行建筑設計，通常需要跟工程單位不斷進行溝通交流，而虛擬現實作品可以通過VRML的方式發布到網絡上去，工程單位可以通過互聯網進行遠距離瀏覽，將虛擬現實方式的建筑設計應用于互聯網中，利用虛擬現實方式進行遠程交流。常用的建模軟件如3ds max，不僅支持VRML文件格式的輸出，還可以在VRML中通過選擇攝像機進行導航設置，在場景中指定活動控件和觸發器等，大大豐富了實時瀏覽的內容。

（3）實時多方案比較

建筑設計時，往往會設計多種方案，并進行不同方案的對比分析，以選擇最佳方案。采用虛擬現實設計，可將不同設計方案通過模型表達出來，并可隨時切換，利于設計者觀察某一點或某一部位中的設計，更快的比較出不同方案的優缺點，從而為改進方案提供便利。在虛擬現實技術應用中，不僅能夠比較不同方案的建筑設計特點，還可隨時修改方案，并將修改后的方案與修改前作以對比，分析修改效果。因此，虛擬現實技術對建筑設計進行實時多方案比較，可較好的提高建筑設計的工作效率和設計質量。

（4）專用人機接口交互

人機接口是使用者與計算機溝通的橋梁，它是代表使用者意圖的轉換及計算機程序的執行，良好的人機接口可減少使用者對系統的學習時間和增強系統的效率。虛擬現實技術建筑設計中，必有特定的人機接口模式：使用者模式，使用者直接進入虛擬現實中進行觀測與互動操作，以第一人稱的觀測方式進行虛擬現實的沉浸觀察，隱藏的接口只在使用時才出現；代理者模式，即在虛擬現實中常因沉浸環境與現實環境的感性差距而造成空間迷失，以至于使用者無法掌握虛擬現實中的狀態，以空間代理者的虛擬環境信息的提供，以第一和第二人稱的觀察方式進行虛擬環境觀測；監控模式，使用者以第三人稱的方式監控虛擬現實中的現實狀態，并進行虛擬物的監視與控制，接口的產生與虛擬現實的種類并無絕對關系；浸入操作模式，將控制虛擬現實物的接口置于虛擬現實中，進行仿真式操作模擬，使用者以第一人稱控制虛擬物。

（5）虛擬現實系統

虛擬現實系統主要有模型式和圖像式。模型式虛擬現實以虛擬現實造型語言為主要描述語言，使建筑設計可用計算機進行三維建模，利用效果圖、三維施工圖與資料庫，并利用虛擬現實技術連結資料庫實時模擬操作。虛擬現實造型語言可用在萬維網（3W）中定義與更多信息相關聯的三維世界布局和內容，使之能夠在交互的三維空間中容易地被表達。當虛擬現實造型語言瀏覽器啟動后，它會將虛擬現實造型語言中的信息解釋成虛擬現實造型語言空間中的建筑物的幾何形體的描述，一旦空間被用戶瀏覽器解釋，它將提供實時顯示，用戶機器上將會出現一個活動的場景。

三、應用實例

洛杉磯虛擬建筑三維模擬系統被認為是全球最成功的虛擬建筑模擬系統之一。各國對虛擬現實技術都在研究和應用，我國在虛擬世界建筑方面也不斷探討并制作復雜的虛擬世界模型。北京CBD 規劃設計，允許一種完全的設計探索，從任意角度和方位觀察設計本身。在虛擬現實的設計環境中，組成一幢建筑的各個部分并不固定，而可在設計過程中予以改變和發展，墻壁可被建立和刪除，地板可改變尺寸和式樣等。觀察者能以一種比查看平、立、剖面圖紙更為直觀的方式進行想象。

四、結語

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實技術在建筑設計中的應用會不斷深入和廣泛。利用計算機科技和網絡技術，呈現建筑設計成果，已成為新的發展要求和趨勢。

參考文獻

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