虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的運用

馮躍 張文博 張宗宇

【摘要】虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的信息技術(shù)，其集成了計算機圖形學(xué)、多媒體、人工智能、網(wǎng)絡(luò)、傳感器及并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，并以其典型的特征影響著現(xiàn)代建筑設(shè)計的方法和觀念。本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念與技術(shù)特征為出發(fā)點，重點論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于建筑設(shè)計的應(yīng)用，以為其具體實踐提供參考。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；建筑設(shè)計

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一項以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)，具有交互性、想象性和沉浸性的特點，強調(diào)人在虛擬現(xiàn)實中的主導(dǎo)作用。建筑設(shè)計是技術(shù)、藝術(shù)和創(chuàng)新相結(jié)合的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)為建筑設(shè)計開辟了新思路，將其應(yīng)用于建筑設(shè)計能夠打破傳統(tǒng)表現(xiàn)模式，虛擬現(xiàn)實和計算機技術(shù)的結(jié)合，能夠大大提高設(shè)計人員的工作效率和設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，減少投資成本。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

一、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實，Virtual Reality ，簡稱VR，最初由美國Jaron Lanier 于上世紀(jì)80年代提出，當(dāng)時主要應(yīng)用在宇航局和國防部。虛擬現(xiàn)實是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它借助計算機技術(shù)及傳感裝置所創(chuàng)建的一種嶄新的模擬環(huán)境。虛擬環(huán)境由計算機生成，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。虛擬現(xiàn)實集成計算機圖形學(xué)、圖像處理、模式識別、多傳感器、語音處理、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有交互性、想象性和沉浸性。交互性，In-teraction，指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)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(xiàn)實系統(tǒng)并非真實系統(tǒng)，它反映了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計者的構(gòu)想，虛擬現(xiàn)實可把這種構(gòu)思變成看得見的虛擬物體和環(huán)境，使以往只能借助傳統(tǒng)沙盤的設(shè)計模式提升到數(shù)字化的即看即所得的境界，提高了設(shè)計和規(guī)劃的質(zhì)量與效率；沉浸感，Immersion，則指虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機圖形構(gòu)成的三維數(shù)字虛擬環(huán)境真實感極強，使用戶在視覺上產(chǎn)生沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的形式及沉浸程度，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可分為沉浸式、分布式、增強現(xiàn)實性和桌面虛擬式，其為建筑設(shè)計帶來了全新的表現(xiàn)手段。

二、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

建筑設(shè)計綜合性極強，設(shè)計人員在運用自身思維進行設(shè)計的同時，還應(yīng)考慮客戶的整體感受，使建筑設(shè)計更具真實感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠幫助設(shè)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(xiàn)實進行模擬、創(chuàng)造和體現(xiàn)虛擬世界，降低勞動量，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計科學(xué)性和精確性。

（1）展示建筑物整體信息

現(xiàn)階段的二維、三維表達(dá)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(xiàn)實技術(shù)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(shè)計不僅是設(shè)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(xiàn)實技術(shù)在設(shè)計者和用戶之間能起到一種溝通的橋梁作用。

（2）遠(yuǎn)距離瀏覽

設(shè)計者進行建筑設(shè)計，通常需要跟工程單位不斷進行溝通交流，而虛擬現(xiàn)實作品可以通過VRML的方式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上去，工程單位可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠(yuǎn)距離瀏覽，將虛擬現(xiàn)實方式的建筑設(shè)計應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)中，利用虛擬現(xiàn)實方式進行遠(yuǎn)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(dǎo)航設(shè)置，在場景中指定活動控件和觸發(fā)器等，大大豐富了實時瀏覽的內(nèi)容。

（3）實時多方案比較

建筑設(shè)計時，往往會設(shè)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(xiàn)實設(shè)計，可將不同設(shè)計方案通過模型表達(dá)出來，并可隨時切換，利于設(shè)計者觀察某一點或某一部位中的設(shè)計，更快的比較出不同方案的優(yōu)缺點，從而為改進方案提供便利。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用中，不僅能夠比較不同方案的建筑設(shè)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(xiàn)實技術(shù)對建筑設(shè)計進行實時多方案比較，可較好的提高建筑設(shè)計的工作效率和設(shè)計質(zhì)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(zhuǎn)換及計算機程序的執(zhí)行，良好的人機接口可減少使用者對系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時間和增強系統(tǒng)的效率。虛擬現(xiàn)實技術(shù)建筑設(shè)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(xiàn)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(xiàn)實的沉浸觀察，隱藏的接口只在使用時才出現(xiàn)；代理者模式，即在虛擬現(xiàn)實中常因沉浸環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)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(xiàn)實中的狀態(tài)，以空間代理者的虛擬環(huán)境信息的提供，以第一和第二人稱的觀察方式進行虛擬環(huán)境觀測；監(jiān)控模式，使用者以第三人稱的方式監(jiān)控虛擬現(xiàn)實中的現(xiàn)實狀態(tài)，并進行虛擬物的監(jiān)視與控制，接口的產(chǎn)生與虛擬現(xiàn)實的種類并無絕對關(guān)系；浸入操作模式，將控制虛擬現(xiàn)實物的接口置于虛擬現(xiàn)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(xiàn)實系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要有模型式和圖像式。模型式虛擬現(xiàn)實以虛擬現(xiàn)實造型語言為主要描述語言，使建筑設(shè)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(xiàn)實技術(shù)連結(jié)資料庫實時模擬操作。虛擬現(xiàn)實造型語言可用在萬維網(wǎng)（3W）中定義與更多信息相關(guān)聯(lián)的三維世界布局和內(nèi)容，使之能夠在交互的三維空間中容易地被表達(dá)。當(dāng)虛擬現(xiàn)實造型語言瀏覽器啟動后，它會將虛擬現(xiàn)實造型語言中的信息解釋成虛擬現(xiàn)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(xiàn)一個活動的場景。

三、應(yīng)用實例

洛杉磯虛擬建筑三維模擬系統(tǒng)被認(rèn)為是全球最成功的虛擬建筑模擬系統(tǒng)之一。各國對虛擬現(xiàn)實技術(shù)都在研究和應(yīng)用，我國在虛擬世界建筑方面也不斷探討并制作復(fù)雜的虛擬世界模型。北京CBD 規(guī)劃設(shè)計，允許一種完全的設(shè)計探索，從任意角度和方位觀察設(shè)計本身。在虛擬現(xiàn)實的設(shè)計環(huán)境中，組成一幢建筑的各個部分并不固定，而可在設(shè)計過程中予以改變和發(fā)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(jié)語

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用會不斷深入和廣泛。利用計算機科技和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，呈現(xiàn)建筑設(shè)計成果，已成為新的發(fā)展要求和趨勢。

參考文獻

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