虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

肖梓潤(rùn)

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性建筑設(shè)計(jì)方法，減輕設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)省投資。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的建筑物與工程單位可在萬(wàn)維網(wǎng)上相互溝通交流。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；建筑設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；建筑物

1 前言

計(jì)算機(jī)技術(shù)用于建筑設(shè)計(jì)已有多年，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD） ，主要是幫助設(shè)計(jì)者把設(shè)計(jì)、計(jì)算、畫圖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理等繁重工作交給計(jì)算機(jī)完成，而設(shè)計(jì)者把主要精力用于創(chuàng)造性構(gòu)思。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可通過(guò)圖形設(shè)備向設(shè)計(jì)者展示，并可模擬，允許設(shè)計(jì)者作出修改。虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱 VR） 技術(shù)能創(chuàng)造身臨其境的感覺(jué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)也稱虛擬環(huán)境或虛擬真實(shí)環(huán)境，是迅速發(fā)展的一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)、圖形交互技術(shù)，它集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)并行處理，利用計(jì)算機(jī)生成的三維空間形象實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)合成技術(shù)，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)，以圖表及動(dòng)畫方式呈現(xiàn)，讓觀看者“眼見(jiàn)為明”。它改變了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)被動(dòng)靜態(tài)的信息傳遞方式。它的特性包括：交互性（interactive） ；想像性（imagination） ；沉浸性（immersion） .虛擬現(xiàn)實(shí)就建筑視覺(jué)模擬的可行性而言，應(yīng)用領(lǐng)域可包括：建筑物模擬、室內(nèi)設(shè)計(jì)模擬、城市景觀模擬、施工過(guò)程模擬、物理環(huán)境模擬、防災(zāi)模擬、歷史性建筑模擬等。在建筑設(shè)計(jì)中既要進(jìn)行空間形象思維，又要考慮到以用戶的感受為核心，是一連串的創(chuàng)新過(guò)程，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、維護(hù)等。巨大的成本和不可逆的執(zhí)行程序，不能出現(xiàn)過(guò)多的差錯(cuò)，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)造和體現(xiàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，虛擬世界是整體虛擬環(huán)境或給定仿真的對(duì)象的全體，充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)，可減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)省投資。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

2 展示建筑物的整個(gè)信息

現(xiàn)階段的二維、三維的表達(dá)方式，只能傳遞建筑物部分屬性的信息，并且只能提供單一尺度的建筑物信息，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可展示一棟活生生的虛擬建筑物，使人產(chǎn)生身臨其境之感，設(shè)計(jì)不僅僅是設(shè)計(jì)者的事，住戶、管理部門都可起到輔助決策的作用。

3 遠(yuǎn)距離瀏覽

設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的建筑物與工程單位可以相互溝通交流，通過(guò)萬(wàn)維網(wǎng)達(dá)到遠(yuǎn)距離瀏覽，也可以以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)與虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言整合，虛擬現(xiàn)實(shí)用于Internet 網(wǎng)中提高其普遍性與實(shí)用性。

4 實(shí)時(shí)多方案比較

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的建筑物提出不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)未來(lái)建筑物的形象做多種設(shè)想，在虛擬的建筑三維空間中，可以實(shí)時(shí)地切換不同的方案，在同一個(gè)觀察點(diǎn)或同一個(gè)觀察序列中感受不同的建筑外觀，這樣，有助于比較不同的建筑方案的特點(diǎn)與不足，以便進(jìn)一步進(jìn)行決策。事實(shí)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但能夠?qū)Σ煌桨高M(jìn)行比較，而且可以對(duì)某個(gè)特定的局部作修改，并實(shí)時(shí)地與修改前的方案進(jìn)行分析比較

5 專用的人機(jī)接口交互

人機(jī)接口是使用者與計(jì)算機(jī)溝通的橋梁，它是代表使用者意圖的轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行，良好的人機(jī)接口的建立，可減少使用者對(duì)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時(shí)間和增強(qiáng)系統(tǒng)的使用效率。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建筑設(shè)計(jì)中，必須有特定的人機(jī)接口模式：

使用者模式。使用者直接進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)中，進(jìn)行觀測(cè)與互動(dòng)操作，以第一人稱的觀測(cè)方式，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸觀察，隱藏的接口，只有在使用時(shí)才出現(xiàn)；

代理者模式。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，常因沉浸環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的感性差距，而造成空間迷失現(xiàn)象，以至于使用者無(wú)法掌握虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行虛擬環(huán)境中的觀測(cè)；

監(jiān)控模式。使用者以第三人稱的方式，監(jiān)控虛擬現(xiàn)實(shí)中所有的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，并進(jìn)行虛擬物的監(jiān)視與控制，而接口的產(chǎn)生與虛擬現(xiàn)實(shí)的種類并無(wú)絕對(duì)的關(guān)系；

浸入操作模式。將控制虛擬現(xiàn)實(shí)物的接口，置于虛擬現(xiàn)實(shí)中，以進(jìn)行仿真式的操作模擬，使用者以

第一人稱的操作方式，對(duì)虛擬物進(jìn)行控制。從系統(tǒng)整合的觀點(diǎn)來(lái)分析建筑設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的接口連結(jié)不當(dāng)，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工程序。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基本上有兩種：模型式和圖像式。以模型式虛擬現(xiàn)實(shí)，以虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言（簡(jiǎn)稱VRML） 為主要描述語(yǔ)言，使得建筑設(shè)計(jì)可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維建模，利用效果圖和三維施工圖與資料庫(kù)，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)連結(jié)到資料庫(kù)作為實(shí)時(shí)模擬操作。虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言，可用來(lái)在萬(wàn)維網(wǎng)（3W） 中定義與更多信息相關(guān)聯(lián)的三維世界的布局和內(nèi)容，使之能夠在一個(gè)交互的三維空間中很容易地被表達(dá)出來(lái)。當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言瀏覽器啟動(dòng)后，它會(huì)將虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言中的信息解釋成虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言空間中的建筑物的幾何形體的描述，一旦VRML 空間被用戶的瀏覽器解釋，它將提供實(shí)時(shí)顯示，一秒鐘可以顯示多次，這樣，用戶的機(jī)器上將會(huì)有一個(gè)活動(dòng)的場(chǎng)景。

6 應(yīng)用實(shí)例

荷蘭的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較快，Eindoven 大學(xué)的Calibre研究院已用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和咨詢，他們開(kāi)發(fā)的軟件包由一組類CAD 的函數(shù)組成，稱為CAAD 軟件，為建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、修改和可視化提供了工具包， 它支持Auto CADDXF 文件的輸入輸出，而且能夠用于虛擬環(huán)境中增加動(dòng)畫和對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為。已用該系統(tǒng)模型化了一座小城市，具體目標(biāo)是在河中小島上設(shè)計(jì)一棟博物館。這座城市由好幾百棟建筑物組成，坐落在河邊斜坡上，可以俯瞰小島

首先，數(shù)字化該城市的地圖，創(chuàng)建基本的Auto CAD 模型；其次，按真實(shí)三維位置安排每棟建筑物，同時(shí)也考慮山坡的輪廓；再次，加上建筑細(xì)節(jié)，如門框和窗框設(shè)計(jì)，以便標(biāo)準(zhǔn)地表現(xiàn)該城市的美學(xué)特征。該應(yīng)用實(shí)例讓人們領(lǐng)略了該領(lǐng)域和他們所取得的成果。

在美國(guó)洛杉磯和費(fèi)城的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(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都在研究和應(yīng)用，我國(guó)也一樣，在虛擬世界建筑方面，都已制作和展示了復(fù)雜的虛擬世界模型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所涉領(lǐng)域十分廣泛，技術(shù)潛力巨大，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用前景廣闊，但軟硬件投資巨大，可重復(fù)性低，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/ 制造數(shù)據(jù)庫(kù)/ 計(jì)算機(jī)輔助工程，多媒體/ 臺(tái)式視頻，圖形藝術(shù)，形象/動(dòng)畫制作，科學(xué)可視化，實(shí)時(shí)模擬等的硬件價(jià)格很高。

結(jié)語(yǔ)

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)及計(jì)算機(jī)軟硬件的進(jìn)展，應(yīng)用層面會(huì)更廣，成長(zhǎng)幅度會(huì)更大。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋憬菖c快速處理，利用計(jì)算機(jī)科技來(lái)呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)成果，已成為新的趨勢(shì)，而且技術(shù)日新月異。