虛擬現實：讓設計“走進”現場

文｜張兆虎

虛擬現實英文名稱是 Virtual Reality , 簡稱VR，它是一門最新的交叉技術前沿學科和研究領域，其內容主要包括環境、動作等方面的感知和反饋。利用電腦模擬產生一個三度空間，提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人們如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。當使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的世界視頻傳回產生臨場感。虛擬現實技術集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感、顯示及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

挑戰想象力的“黑科技”

虛擬現實技術一般使用專門的擬境環境，支持立體、實時的圖像顯示，包含音頻、力度反饋等多種感知信號，擁有更為豐富的人機接口(肢體位置和運動狀態跟蹤、手勢識別、語音控制等)。從概念上講，虛擬現實的特性可以用3個“I”來描述, 即沉浸( Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)。

圖1 虛擬現實技術原理

圖2 立體顯示原理

圖3 多感知交互模型

圖4 虛擬現實設備

圖5 虛擬現實展示方案

一般來說虛擬現實技術具備多種特性，包括多感知性，指除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺、嗅覺感知等；理想的虛擬現實應該具有一切人所具有的感知功能。存在感，指使用者感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度；理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。交互性，指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。如圖1。

圖6 實景模型的鳥瞰

圖7 立體圖像輸出

人在物理交互空間通過傳感器集成等設備與由計算機硬件和VR引擎產生的虛擬環境交互。立體顯示原理如圖2所示，多感知交互模型如圖3所示。來自多傳感器的原始數據經過傳感器處理成為融合信息，經過行為解釋器產生行為數據，輸入虛擬環境并與使用者進行交互，來自虛擬環境的配置和應用狀態再反饋給傳感器。

目前的VR平臺可分成兩大類，分別為“有線VR”和“無線VR”。其中“無線VR”主要以手機或者穿戴式設備實現無線顯示，由于其計算能力主要依靠便攜設備，性能上不能滿足應用要求?！坝芯€VR”是指基于PC/主機類的VR設備，例如CV1、HTC VIVE、Sony PSVR等，其特點是基于強大計算能力的極佳的綜合體驗效果；其他還包括VR的IO設備，比如手柄、手勢識別器、跑步機、運動座椅等。湖北省電力勘測設計院使用的VR設備選擇了支持面較廣的HTC VIVE。如圖4。

VIVE主要組成包括：2160×1200分辨率頭顯、Light House定位裝置、多功能操縱手柄及其它一些配套線纜。它的主要優勢在于完善的StreamVR應用平臺支持和友好的VR開發環境。

通過對虛擬現實設備的接口進行開發，可以實現在虛擬現實設備中對Bentley和CAD模型文件的支持，以及進行超大規模的三維實景模型的展示。其主要的展示平臺方案如圖5所示。

其中LumenRT和Prospect主要用于實景模型和廠區模型的展示，CADXR一般用于小型模型和復雜結構模型的展示。如圖6。

Bentley平臺目前還沒有提供對于虛擬現實設備接口的支持，但是LumRT的圖像引擎是基于微軟的DirectX，使用者可以通過訪問DirectX的接口捕獲程序輸出的圖像。通過將顯存中緩存的畫面進行兩遍渲染，可以實現程序的立體圖像的輸出。如圖7。

在系統操作反饋方面，可以通過截獲VR頭顯的運動狀態信息來模擬系統的鼠標操作，來實現虛擬現實的頭部運動感知。

圖8 利用虛擬現實技術進行設計驗證

虛擬現實技術在工程中的應用

如何在盡可能貼近真實的情況下對設計方案進行驗證從而減少設計方案的后期變更是設計行業的關注重點。虛擬現實的產生為設計方案的驗證提供了一種全新的驗證模式。通過將設計方案模擬到虛擬場景中，可以高質高效的對方案的可行性進行驗證，不僅大大降低了投入成本，縮短了驗證時間，并且可以方便的組織各專業人員進行協同驗證。如圖8。

目前，湖北省電力勘測設計院已經將虛擬現實技術逐步應用在一些工程設計工作中，包括虛擬現實環境中的市區線路漫游。通過在虛擬現實環境中加載三維實景模型，可以實現完全再現真實地理信息的虛擬場景漫游。通過這種方式的漫游，用戶在身臨其境的沉浸感中具有與真實環境完善的交互作用的能力，能最大程度對設計內容進行可行性校驗。如圖9、10。

虛擬現實環境中的機械化施工模擬。由于在虛擬現實環境中使用了實景地理模型，對于機械化施工的組織方案，可以通過在虛擬現實環境中加載三維實景模型進行設計驗證，從而可以準確的再現各種設計條件，并直觀的評估各種情況對設計的影響。如圖11、12、13。

裝配式基礎組裝。裝配式基礎組合結構復雜，其基礎零件的形狀和裝配方式及其在結構中的受力形式很難通過普通的三維設計軟件表現出來。通過在虛擬現實環境中對裝配式基礎進行展示，設計人員在虛擬現實環境中可以模擬對基礎結構進行拆卸和組合，加深了設計人員對設計基礎的理解，并能在虛擬的環境中對裝配形式進行設計驗證。如圖14、15。

圖9 市區實景模型的鳥瞰

圖10 市內道路漫游

圖11 機械化施工場景模擬

圖12 施工運輸道路檢驗

圖13 規劃塔位的選址

圖14 裝配式基礎零件組成

圖15 裝配式基礎組裝

桿塔精細放樣結果檢驗。精細放樣的鐵塔結構比較復雜，在一般的三維設計軟件中比較難以描述這種復雜的結構。通過在虛擬現實環境中對鐵塔精細放樣模型的展現，能夠增加設計人員對桿塔，特別是新式塔形結構的理解，提高設計人員在桿塔細部結構上的設計質量。如圖16、17。

圖16 通過VR檢查精確放樣的鐵塔

圖17 通過VR模型檢查連接板處的結構

圖18 混合現實的施工指導

虛擬現實技術實現了讓人們以一種自然的方式與計算機生成的虛擬對象進行交互，并以此來完成數據的流轉，它具有更友好的人機交互特性，便于實現更復雜的數據交換。虛擬現實技術現已被作為繼實驗與理論研究之后的第三種科學分析手段, 廣泛應用于數據解釋，使得我們可以實現快速的數據分析和解釋，并發現數據中隱藏的信息和知識，對解釋結果進行更快、更精確的評價和檢驗。

由于虛擬現實技術具有仿真性、開放性、針對性、自主性、安全性等特點，現在已廣泛應用于建筑結構、機械制造、娛樂業、生命科學、軍事、科學研究等各個方面。在國外，虛擬現實技術已經廣泛應用于實際生產中, 主要包括工程資料的交互解釋、儲層模型建立、平臺設計以及多學科工作組的協同工作等領域, 有效地提高了工作效率和成果的質量(正確性和準確性)。雖然虛擬現實技術被認為是未來對工業產生重要影響的關鍵信息技術之一，但是由于虛擬現實系統的建設成本較高, 導致虛擬現實技術的應用目前還未普及，國內在工程設計領域應用虛擬現實技術還處于探索階段。

在接下來的虛擬現實工程應用中，將主要實現虛擬現實下的施工指導，將專業人員與三維模型的互動拓展至計算機二維屏幕的限制之外，為復雜的施工項目創造可視化、協作、理念分享和管理變革的新方式。在虛擬現實技術的進一步發展中，將能夠以真實情景為參照物，將3D模型可視化，取代物理建模，并簡化整體設計流程。它能在現實情景中呈現出3D模型的全尺寸全息影像，能讓用戶更為深入仔細地研究模型。