虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑類(lèi)課程教學(xué)中的研究與應(yīng)用

董春華 趙昆明 胡建平 王 麗

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；2，天津城建大學(xué)，天津 300384）

一、引言

隨著信息社會(huì)的到來(lái)，實(shí)現(xiàn)教育的現(xiàn)代化，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用及共享，已成為我國(guó)教育發(fā)展的目標(biāo)。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的引入，使得教學(xué)方式不再單純地依靠書(shū)本和教師授課的形式，多媒體改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程教育的發(fā)展，這些信息化技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)所不能及的諸多方面。但對(duì)于建筑學(xué)等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，仍然無(wú)法體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的真實(shí)情景，致使授課效果打了折扣[1]。

建筑設(shè)計(jì)所需的創(chuàng)造力主要由三種能力構(gòu)成，即創(chuàng)造性思維能力、創(chuàng)造性想象力和想象的物化能力。在建筑設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中，創(chuàng)造力和想象力的挖掘培養(yǎng)是至關(guān)重要，將為未來(lái)建筑設(shè)計(jì)形成一個(gè)良好的思考習(xí)慣和堅(jiān)實(shí)的表達(dá)能力[2]。因此，在有關(guān)空間與形體的教學(xué)中，如何幫助學(xué)生建立正確的空間感和形式感，如何培養(yǎng)學(xué)生的空間形體構(gòu)思能力，是建筑設(shè)計(jì)類(lèi)課程的重點(diǎn)。建筑圖是建筑設(shè)計(jì)的最后成果的表達(dá)，是建筑師之間相互交流的圖示語(yǔ)言工具，構(gòu)思設(shè)計(jì)的過(guò)程也是以圖解思維方式來(lái)完成的。在建筑設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中主要以建筑圖作為教學(xué)媒介，這種方式對(duì)建筑信息的整體感表達(dá)存在一定局限性，難以滿足教學(xué)過(guò)程中的交互性及體驗(yàn)性。

現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，促使學(xué)習(xí)環(huán)境呈智能化、互動(dòng)化和虛擬化等多種方式發(fā)展[2]。作為一種有效創(chuàng)造力的手段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域當(dāng)中。它是一種全新意義上的教學(xué)媒體，能夠促使教育形態(tài)、教育環(huán)境、教學(xué)過(guò)程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變化，使教學(xué)過(guò)程中的教師、媒體、學(xué)生之間的關(guān)系形成一種新的結(jié)構(gòu)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到建筑教學(xué)之中，呈現(xiàn)建筑物的立體化信息，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)資源，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使建筑教學(xué)由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式升級(jí)為學(xué)生通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。李文基于虛擬平臺(tái)EON對(duì)三維建筑模型進(jìn)行了仿真及光照分析[3]，劉夕榕研究并實(shí)現(xiàn)了慢城寧海展示中心的虛擬漫游[4]，蘇陽(yáng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity3D實(shí)現(xiàn)了婺源徽派建筑的虛擬漫游[5]。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，章立基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Virtools建立了建筑遺產(chǎn)的簡(jiǎn)單交互系統(tǒng)[6]。這些研究為建筑設(shè)計(jì)提供了更好的發(fā)展空間，但如何將虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)交互的優(yōu)勢(shì)充分運(yùn)用到建筑類(lèi)課程教學(xué)過(guò)程中仍有待進(jìn)一步研究。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是一種綜合應(yīng)用各種現(xiàn)代信息技術(shù)，有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，是當(dāng)前教育技術(shù)中的前沿技術(shù)[7]。虛擬教學(xué)的三維展現(xiàn)形式能夠?yàn)閷W(xué)生提供逼真、生動(dòng)的感性學(xué)習(xí)資源，使學(xué)習(xí)過(guò)程形象化，學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受者變成虛擬環(huán)境中的一名參與者，這種學(xué)習(xí)方式對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生的技能以及突破教學(xué)的難點(diǎn)、重點(diǎn)能夠起到積極作用[8]。

目前，用于虛擬現(xiàn)實(shí)制作和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件非常多，其中Skyline是國(guó)內(nèi)制作真三維數(shù)字場(chǎng)景的首選軟件。作為成熟的三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地球平臺(tái)軟件，Skyline能夠創(chuàng)建出具有實(shí)景照片效果的三維場(chǎng)景，并能夠?qū)崿F(xiàn)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽、規(guī)劃和分析等各種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)幾乎所有空間對(duì)象的虛擬仿真、模擬顯示及各種分 析 。 Skyline 主 要 由 TerraBuilder、TerraGate 和TerraExplorer Pro三個(gè)產(chǎn)品組成。其中，TerraBuilder實(shí)現(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)集的生成，TerraGate實(shí)現(xiàn)三維地形及空間數(shù)據(jù)的發(fā)布，TerraExplorer Pro實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的構(gòu)建和瀏覽功能，三者將不同的地理空間數(shù)據(jù)有效地組織起來(lái)，再結(jié)合具體的業(yè)務(wù)專(zhuān)題，構(gòu)建完整的虛擬GIS平臺(tái)[9]。

三、虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

1.虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

為了探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑教學(xué)模式中的應(yīng)用，本文嘗試以天津市歷史風(fēng)貌建筑為研究目標(biāo)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Skyline 6.0開(kāi)發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建筑的內(nèi)部及外部造型特征的三維可視化展示，以及網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的信息查詢、量測(cè)以及日照分析、統(tǒng)計(jì)分析等功能，使學(xué)生在暢游三維虛擬環(huán)境的過(guò)程中與建筑學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，激發(fā)學(xué)生的造性思維和空間形體構(gòu)思能力。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如下。

（1）創(chuàng)建并發(fā)布三維地形場(chǎng)景

運(yùn)用TerraBuilder將遙感影像與數(shù)字高程模型DEM融合疊加，生成一個(gè)現(xiàn)實(shí)影像的、帶地理參考的三維地形場(chǎng)景[9]。為實(shí)現(xiàn)多用戶實(shí)時(shí)共享三維地形數(shù)據(jù)，利用TerraGate將三維地形數(shù)據(jù)集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[10]。

（2）創(chuàng)建三維地物模型

地塊、道路、綠化景觀及建筑等地物模型是構(gòu)成三維場(chǎng)景不可或缺的要素之一。利用三維制作軟件3D Studio MAX創(chuàng)建三維幾何模型，使用圖像處理軟件Photoshop進(jìn)行地物的紋理處理。建模過(guò)程包括處理紋理、導(dǎo)入CAD底圖、建立模型、映射貼圖以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出[11]。模型建好后，導(dǎo)出為微軟的.x格式模型文件。

（3）創(chuàng)建三維場(chǎng)景

三維場(chǎng)景是虛擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)和研究對(duì)象。利用TerraExplorer Pro將上述三維地形數(shù)據(jù)、地物模型、以及矢量數(shù)據(jù)、文本、圖片標(biāo)注、多媒體信息等相關(guān)要素進(jìn)行整合，創(chuàng)建并發(fā)布三維工程FLY文件，生成一個(gè)具有真實(shí)感的虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景。

（4）空間分析功能開(kāi)發(fā)

利用 Vistual Studio 2010、SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)和TerraExplorer Pro提供的二次開(kāi)發(fā)API組件TerraDeveloper，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景漫游、導(dǎo)航、查詢、定位、量測(cè)等空間分析功能[12]。例如，導(dǎo)航功能如圖1所示，左下角的二維地圖與三維視圖實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)；查詢功能如圖2所示，通過(guò)信息樹(shù)模型列表和點(diǎn)擊模型兩種方式進(jìn)行雙向信息查詢，點(diǎn)擊模型查詢目標(biāo)建筑物，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

圖1 建筑外部結(jié)構(gòu)

圖2 查詢功能

2.虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用

天津是一座兼具中西文化交匯特點(diǎn)的、具有豐富歷史文化資源的大都市。天津的歷史風(fēng)貌建筑凝固了天津城市的歷史與文化，記錄著這座城市的成長(zhǎng)軌跡。其中，五大道歷史文化街區(qū)更是被譽(yù)為世界建筑博覽苑，英式、意式、法式、西班牙式、文藝復(fù)興式、古典主義以及中西合璧式等各種建筑風(fēng)格匯集一處，成為建筑學(xué)者感受世界多元建筑文化的魅力、了解各國(guó)建筑藝術(shù)與特色的博物館。

天津五大道官網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)站對(duì)五大道街區(qū)進(jìn)行了豐富詳細(xì)的圖片和視頻講解，虛擬建筑課程教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合這些網(wǎng)站數(shù)據(jù)，以五大道歷史文化街區(qū)為研究區(qū)，以虛擬交互結(jié)合圖片、音頻、視頻等多種方式進(jìn)行歷史風(fēng)貌建筑信息的輔助教學(xué)。系統(tǒng)的應(yīng)用能夠打破傳統(tǒng)建筑教學(xué)的時(shí)間與空間的局限性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象的真實(shí)感受。

（1）虛擬五大道街區(qū)的格局與空間規(guī)劃藝術(shù)展示

建筑教學(xué)通常利用建筑設(shè)計(jì)圖、圖片及視頻等方式為學(xué)生展示建筑區(qū)或單體建筑的文化與風(fēng)格特征。這種方式表達(dá)具有抽象性和片面性，難以直觀形象地展示整個(gè)區(qū)域或建筑單元的規(guī)劃與空間布局。虛擬教學(xué)系統(tǒng)的直觀性、真實(shí)模擬性等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域局部與整體關(guān)系的展示，為城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)、居住區(qū)規(guī)劃、外部空間設(shè)計(jì)等多門(mén)建筑教學(xué)課程提供了更好的教學(xué)手段。

建筑教學(xué)系統(tǒng)建立了虛擬五大道歷史街區(qū)，漫游在該虛擬環(huán)境中，學(xué)生能夠直觀地感受到五大道的街區(qū)格局與空間關(guān)系的和諧性。從高空俯視整個(gè)街區(qū)，由于街區(qū)被九國(guó)劃分各自建設(shè)，使得整個(gè)街區(qū)格局具有明顯的拼接特征，但近觀局部，各租界區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)，尤其是英租界新區(qū)自成一體，體現(xiàn)了獨(dú)特的風(fēng)格。街區(qū)道路組織整體呈方形均質(zhì)組織，南北向道路主要解決區(qū)域交通，東西向道路增加街坊間的聯(lián)系，加上單行道的限制，保證了交通的暢通。作為居住區(qū)，其功能的完整性和規(guī)劃布局的先進(jìn)性仍值得借鑒和思考。

虛擬系統(tǒng)可以幫助學(xué)生快速了解整個(gè)區(qū)域的功能布局。利用虛擬環(huán)境中對(duì)虛擬對(duì)象的標(biāo)注和信息查詢等多種功能，學(xué)生可識(shí)別居住區(qū)與周邊商業(yè)、教堂、醫(yī)院、體育館、音樂(lè)廳、公園綠地等公共設(shè)施的功能布局，整個(gè)區(qū)域功能的完整性及完善的公共設(shè)施組織一目了然，對(duì)學(xué)生理解和學(xué)習(xí)居住區(qū)的規(guī)劃有很好的指導(dǎo)意義。

（2）街區(qū)內(nèi)建筑與道路等的布局及空間關(guān)系展示

虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)能夠更好地表達(dá)建筑教學(xué)中區(qū)域布局的空間層次感，使人沉浸到區(qū)域環(huán)境中感受區(qū)域的舒適度。虛擬系統(tǒng)為學(xué)生提供了沉浸在街區(qū)街道上任意漫游的體驗(yàn)功能，如同真實(shí)地走在林蔭街道上，學(xué)生能夠愜意地感受到街道的空間尺度與建筑布局的和諧。五大道歷史街區(qū)內(nèi)建筑多為2-3層，道路寬度多為12米左右，道路寬度與建筑高度的比例控制在1∶1以內(nèi)，尺度舒適宜人。建筑與院落、圍墻、街道之間形成較強(qiáng)的層次遞進(jìn)感，學(xué)生通過(guò)虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)不僅能了解街區(qū)內(nèi)的各種空間尺度關(guān)系，而且透過(guò)茂密的樹(shù)叢可以隱約看到掩映的建筑，感受到深幽寂靜的五大道街市風(fēng)格，這不僅為城市規(guī)劃調(diào)研、道路與交通規(guī)劃等課程塑造了便捷的體驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)對(duì)專(zhuān)業(yè)美術(shù)、景觀生態(tài)規(guī)劃等課程的教學(xué)也具有重要的美學(xué)啟示意義。

（3）歷史風(fēng)貌建筑藝術(shù)特寫(xiě)

五大道街區(qū)建筑形式多樣、中外風(fēng)格兼容并蓄，包羅了穆勒、保羅·鮑爾蒂等著名建筑師的許多建筑作品，其設(shè)計(jì)水平和風(fēng)格對(duì)現(xiàn)代建筑學(xué)者也很有啟迪意義。虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)對(duì)于建筑單元的展示比傳統(tǒng)方式更為直觀細(xì)膩，可分三個(gè)細(xì)節(jié)層次建模，從院落整體布局到建筑外觀結(jié)構(gòu)，再到建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)于特色的建筑造型，如巴洛克式的絞繩式立柱、意式的檐口和圓窗等，其建模尺度能夠細(xì)化到0.1米。如原文法樓建筑的外觀結(jié)構(gòu)呈飛機(jī)狀（圖1），張學(xué)銘故居畫(huà)室內(nèi)木制護(hù)墻板局部有木雕花飾（圖3）。學(xué)生能夠?qū)ㄖＰ瓦M(jìn)行定位查詢（圖2），對(duì)特色結(jié)構(gòu)或興趣點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)分析（圖4），以及對(duì)區(qū)域進(jìn)行二維和三維導(dǎo)航、日照分析和統(tǒng)計(jì)分析等。虛擬系統(tǒng)對(duì)歷史風(fēng)貌建筑的多樣化展示，能幫助學(xué)生領(lǐng)略建筑藝術(shù)中內(nèi)容與形式、色彩與環(huán)境、造型與材質(zhì)、空間與結(jié)構(gòu)等各方面的美學(xué)價(jià)值和啟示，這使得建筑設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)等課程教學(xué)的教學(xué)效果更好、更有效，且易于被學(xué)生接受[13]，同時(shí)，也為學(xué)生學(xué)習(xí)歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)、中外城市建設(shè)史、外國(guó)建筑史等課程提供了豐富的素材。

圖3 張學(xué)銘故居室內(nèi)模型

圖4 量測(cè)功能

（4）虛擬五大道街區(qū)的演變過(guò)程模擬

五大道歷經(jīng)百余年的戰(zhàn)爭(zhēng)、地震以及建設(shè)開(kāi)發(fā)的影響，其周邊和內(nèi)部區(qū)域改造不同程度地改變了其原有的面貌。虛擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬功能，能夠?qū)v史風(fēng)貌街區(qū)歷年的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，還原各階段的細(xì)節(jié)特征，展示五大道歷史遺跡的演變歷程，為今后街區(qū)的保護(hù)、修繕和復(fù)原提供數(shù)據(jù)支持。

四、結(jié)論

利用Skyline建立了虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)，能夠使學(xué)生通過(guò)虛擬漫游、查詢、量測(cè)及統(tǒng)計(jì)等實(shí)時(shí)交互功能進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，感受虛擬環(huán)境中區(qū)域的整體規(guī)劃藝術(shù)和建筑設(shè)計(jì)的真實(shí)感，極大地提高了建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于知識(shí)的建構(gòu)。同時(shí)，該系統(tǒng)還能展示天津的百年歷史文化底蘊(yùn)和大都市的文化，能夠?yàn)闅v史、旅游等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)提供歷史風(fēng)貌建筑導(dǎo)覽功能。運(yùn)用虛擬建筑教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬建筑教學(xué)具有形式多樣、教學(xué)資源容量大以及在教學(xué)中實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)，便于教學(xué)資源的更新與共享，能夠?yàn)榻ㄖ?lèi)專(zhuān)業(yè)的課程教學(xué)提供較好的補(bǔ)充和輔助作用。

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