虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)在建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

方 舟，廖一聯(lián)

(1.四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川音樂(lè)學(xué)院 環(huán)境藝術(shù)系，四川 成都 610021)

當(dāng)前，建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的數(shù)字化革命已完成，各類輔助設(shè)計(jì)軟件、建模軟件、能耗分析軟件、建筑信息模型軟件被廣泛應(yīng)用到設(shè)計(jì)生產(chǎn)、教學(xué)和研究中，設(shè)計(jì)者能夠把計(jì)算、制圖、數(shù)據(jù)歸類和分析等繁重工作交給計(jì)算機(jī)完成，而把主要精力用于創(chuàng)造性構(gòu)思[1]，大幅提高了建筑設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。近年來(lái)，又一類數(shù)字技術(shù)越來(lái)越展現(xiàn)出應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的巨大潛力，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的數(shù)字技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真[2]，可借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設(shè)備，讓用戶進(jìn)入虛擬空間，實(shí)時(shí)感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等獲得身臨其境的真實(shí)感受[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的方案創(chuàng)作、對(duì)比、表達(dá)環(huán)節(jié)都有著廣泛應(yīng)用前景。

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院于2011年起，以“985”二期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目為契機(jī)，開始了 “虛擬空間表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)，其核心為一套將建筑數(shù)字模型呈現(xiàn)于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中并可對(duì)其進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)和交互式操作的設(shè)備集成，即 “虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)”。實(shí)驗(yàn)室于2013年建成，由學(xué)院建筑系3個(gè)一級(jí)學(xué)科 (建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、風(fēng)景園林學(xué))共同使用，本文將就其在建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用情況作介紹。

1 虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)是一套針對(duì)建筑設(shè)計(jì)類專業(yè)使用需求開發(fā)的系統(tǒng)集成解決方案，系統(tǒng)整體外觀如圖1所示，布局如圖2所示。涉及的設(shè)備共12類21臺(tái)，由編輯端、渲染端和追蹤端3部分組成，如圖3所示。

圖1 虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)

圖2 實(shí)驗(yàn)室平面圖

圖3 系統(tǒng)拓?fù)鋱D示

1)編輯端。

編輯端設(shè)備為HP Z800型專業(yè)圖形工作站一臺(tái)，安裝有虛擬現(xiàn)實(shí)編輯軟件，可利用其搭建建筑的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，也可實(shí)現(xiàn)主流格式的建筑數(shù)字模型導(dǎo)入和編輯，如圖4所示。

圖4 常規(guī)模型導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)模型

2)渲染端。

渲染端設(shè)備有主動(dòng)立體投影儀一臺(tái)、反射鏡、背投幕布系統(tǒng)一套、安裝有虛擬現(xiàn)實(shí)渲染軟件的HP Z800型專業(yè)圖形工作站一臺(tái)、立體音響系統(tǒng)一套。

3)追蹤端。

追蹤端設(shè)備有紅外相機(jī)4部、交互手柄1臺(tái)、主動(dòng)立體眼鏡10副、追蹤系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)1臺(tái)，如圖5所示。

圖5 追蹤端主控機(jī)設(shè)置界面

3個(gè)部分的設(shè)備由有線局域網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)時(shí)交換、處理數(shù)據(jù)、協(xié)同工作。

1.2 系統(tǒng)工作方式

系統(tǒng)的工作方式是，編輯端導(dǎo)入并處理建筑虛擬現(xiàn)實(shí)模型后，通過(guò)局域網(wǎng)將模型發(fā)送到渲染端置于虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，并通過(guò)立體投影儀展示到幕布上，觀察者佩戴立體眼鏡手持交互手柄，站立于幕布前，進(jìn)入追蹤端的檢測(cè)范圍，4部紅外相機(jī)定位觀察者眼鏡和手柄上的傳感器，確定觀察者與模型的空間相對(duì)關(guān)系，觀察者頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、位置移動(dòng)或操作手柄發(fā)出移動(dòng)指令時(shí)，追蹤端主控計(jì)算機(jī)將收到指令并協(xié)調(diào)渲染端，調(diào)整虛擬現(xiàn)實(shí)模型的狀態(tài)，配合觀察者的動(dòng)作，如此實(shí)現(xiàn)帶有沉浸感、交互感的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

以系統(tǒng)的基本功能為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑學(xué)教學(xué)需求和目標(biāo)，可發(fā)展出豐富的教學(xué)應(yīng)用形式。

2 教學(xué)應(yīng)用介紹

建筑設(shè)計(jì)類課程教學(xué)的核心內(nèi)容是空間形態(tài)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠細(xì)致真實(shí)地呈現(xiàn)這種空間形態(tài)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為城市和建筑環(huán)境的設(shè)計(jì)研究提供了一種新的有力工具，在此基礎(chǔ)上開展建筑設(shè)計(jì)類課程教學(xué)的研究，具有十分重要的意義[4]。自2013年起，環(huán)境藝術(shù)系嘗試在建筑系3個(gè)本科一級(jí)學(xué)科 (建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風(fēng)景園林)的一些課程中利用虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)開展教學(xué)，其中建筑學(xué)專業(yè)的應(yīng)用形式最為豐富，下面具體介紹幾類應(yīng)用方向。

2.1 建筑設(shè)計(jì)系列課程中的應(yīng)用

建筑設(shè)計(jì)系列課程課是建筑學(xué)專業(yè)最核心的課程，是學(xué)生理論類課程、技術(shù)類課程和美術(shù)類課程學(xué)習(xí)成果的綜合應(yīng)用，同時(shí)也是學(xué)習(xí)效果的全面反映，其在建筑學(xué)全部課程中所占學(xué)分最高、學(xué)時(shí)最多。目前，虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)圍繞建筑設(shè)計(jì)系列課程主要有以下2種應(yīng)用模式。

1)輔助設(shè)計(jì)。

圖6 系統(tǒng)參與下的設(shè)計(jì)流程

如圖6所示，學(xué)生可在設(shè)計(jì)作業(yè)進(jìn)行的任意階段，將在個(gè)人計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建的建筑數(shù)字模型(SketchUp或3DsMax模型等)導(dǎo)入虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)，生成虛擬現(xiàn)實(shí)模型，設(shè)置場(chǎng)景、編輯材質(zhì)和光照參數(shù)后，佩戴追蹤設(shè)備開展場(chǎng)景漫游，對(duì)建筑的幾何形體、內(nèi)外部空間和體量間相互關(guān)系等設(shè)計(jì)要素進(jìn)行觀察和體驗(yàn)，評(píng)估其是否達(dá)到預(yù)期效果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯，對(duì)不足和錯(cuò)誤進(jìn)行修正。在觀察計(jì)算機(jī)屏幕中的傳統(tǒng)數(shù)字模型或是工作臺(tái)面上的手工模型時(shí)，人們只能獲得建筑的鳥瞰形象，無(wú)法以正常工作生活的視角來(lái)感受建筑空間，無(wú)法獲得在建成建筑中人的真正感受[5]。而虛擬現(xiàn)實(shí)模型很好地彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，觀察者身在建筑中、與建筑互動(dòng)的感受極為真實(shí)，若模型足夠精細(xì)，還可進(jìn)一步體驗(yàn)到建筑的細(xì)部、氛圍、空間尺度、場(chǎng)所感等。在虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)的幫助下，設(shè)計(jì)方案非?？陀^和完整地呈現(xiàn)在學(xué)生和指導(dǎo)老師面前，這對(duì)于學(xué)生反思設(shè)計(jì)想法和老師及時(shí)給予指導(dǎo)都非常有利，顯著提高方案溝通效果，凸顯了設(shè)計(jì)教學(xué)中學(xué)生的主體地位。如圖7所示，學(xué)生在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)建筑漫游的過(guò)程當(dāng)中，全新的視角和觀察方式會(huì)刺激產(chǎn)生全新的設(shè)計(jì)想法，這是傳統(tǒng)數(shù)字模型在推敲設(shè)計(jì)時(shí)所不能做到的。

圖7 虛擬現(xiàn)實(shí)建筑漫游

2)集體評(píng)圖。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)課評(píng)圖的形式是學(xué)生依次上臺(tái)匯報(bào)方案，其余學(xué)生和老師聆聽(tīng)后提問(wèn)或點(diǎn)評(píng)。集體評(píng)圖的目的是為了激發(fā)師生間充分討論互動(dòng)，在交流、辯論中學(xué)習(xí)。但在實(shí)施時(shí)，由于學(xué)生的方案演示手段簡(jiǎn)陋、匯報(bào)時(shí)間緊張、語(yǔ)言表達(dá)能力不佳等原因，易導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果無(wú)法充分展現(xiàn)，想法溝通不暢，無(wú)法進(jìn)一步互動(dòng)和學(xué)習(xí)。借助虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)圖，情況則大為改觀。進(jìn)行匯報(bào)的學(xué)生佩戴3D眼鏡、操作手柄，直接帶領(lǐng)同學(xué)和老師進(jìn)行模型漫游，在浸入式體驗(yàn)過(guò)程中一步步講解設(shè)計(jì)思路、介紹空間和體量關(guān)系，甚至可以深入分析和展示建筑材料的色彩 、紋理及質(zhì)感、光照模型、光照效果、陰影生成等方面[6]，隨時(shí)回應(yīng)提問(wèn)，設(shè)計(jì)說(shuō)明和作品展示渾然一體。評(píng)圖過(guò)程生動(dòng)有趣，互動(dòng)和討論也十分熱烈。

2.2 建筑技術(shù)系列課程中的應(yīng)用

建筑技術(shù)類課程都非常重視理論講授之余的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如搭建模型、實(shí)驗(yàn)室操作、施工現(xiàn)場(chǎng)觀摩實(shí)習(xí)等。但此類實(shí)踐環(huán)節(jié)組織難度大、占用時(shí)間長(zhǎng)、效率低、花費(fèi)大，效果不容易保證，而在虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行技術(shù)類課程的虛擬實(shí)踐，則可以讓一切變得簡(jiǎn)單。如在 “建筑構(gòu)造”課程中，將一些難以通過(guò)圖紙或照片講解透徹的內(nèi)容構(gòu)件建模并導(dǎo)入系統(tǒng)，老師操作手柄引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行觀察，任意放大、縮小、旋轉(zhuǎn)構(gòu)建，甚至對(duì)構(gòu)建進(jìn)行拆分、裝配演示，以更明晰其構(gòu)成；還可讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，鞏固關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，課堂效率和效果顯著提高。如圖8所示，老師通過(guò)拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)模型，剖析輕鋼龍骨吊頂?shù)臉?gòu)造，很容易讓學(xué)生充分理解。

圖8 學(xué)生實(shí)踐輕鋼龍骨吊頂拆裝操作

2.3 建筑理論系列課程中的應(yīng)用

建筑理論類課程在闡釋設(shè)計(jì)理論和梳理設(shè)計(jì)史時(shí)，會(huì)以大量建筑案例分析來(lái)幫助學(xué)生理解。常見(jiàn)的教學(xué)方式是教師準(zhǔn)備關(guān)于案例的大量圖紙和圖片資料在課堂上展示，通過(guò)口頭描述來(lái)激發(fā)學(xué)生的想象，在學(xué)生的頭腦中創(chuàng)建出虛擬的建筑空間來(lái)[7]。受限于這一方式，學(xué)生理解案例如同盲人摸象，達(dá)不到預(yù)期效果。若老師帶領(lǐng)學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的同時(shí)針對(duì)眼前所見(jiàn)講解理論知識(shí)和設(shè)計(jì)史知識(shí)，將是一種新穎且高效的教學(xué)模式。如勒.柯布西耶的名作索丹別墅，縱向空間咬合、各層平面自由多變，僅通過(guò)平面、剖面圖紙分析，配合有限的圖片資料，很難將建筑師復(fù)雜的空間句法和所追求的空間戲劇性理解清楚。但通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)模型漫游，結(jié)合圖紙分析和老師講解，學(xué)生理解的難度將大大降低。學(xué)習(xí)建筑設(shè)計(jì)，最好的教材是建筑作品本身，最好的途徑是現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)提供了一種打破時(shí)間、空間界限體驗(yàn)任何建筑的可能性。

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)中，除在建筑學(xué)學(xué)科層面的諸多優(yōu)勢(shì)外，在教學(xué)形式改革層面也有以下4個(gè)方面的貢獻(xiàn)。

1)切實(shí)貫徹了以學(xué)生為主體的整體教學(xué)思路；

2)激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)激情、制造了自由交流討論的氛圍，有利于想法的碰撞與團(tuán)隊(duì)精神的形成；

3)通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)成果逼真的呈現(xiàn)，樹立學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)的責(zé)任心，培養(yǎng)其職業(yè)精神；

4)對(duì)任課老師的教學(xué)激情和教改熱情也有相當(dāng)程度的提升。

虛擬空間表現(xiàn)系統(tǒng)本身也有很多亟待完善的問(wèn)題。1)系統(tǒng)效率不高，在有限的工作時(shí)間內(nèi)尚不能做到讓每名學(xué)生都自由、充分地使用；2)系統(tǒng)涉及設(shè)備多，很多設(shè)備并非專為虛擬空間所開發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)故障率較高，維護(hù)工作繁瑣；3)系統(tǒng)造價(jià)昂貴、操作環(huán)節(jié)多，要熟練操作需作相應(yīng)培訓(xùn)，局限了在學(xué)生中的使用范圍。學(xué)生、任課老師、設(shè)備廠家之間充分溝通討論，研究出解決這些問(wèn)題的技術(shù)和管理方案，是下一步工作的重點(diǎn)。

在數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展并逐步覆蓋社會(huì)生產(chǎn)、生活方方面面的大趨勢(shì)和政府對(duì)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的推動(dòng)力度不斷加大的大背景下，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)結(jié)合，是具有前瞻性的嘗試，給建筑設(shè)計(jì)教學(xué)領(lǐng)域注入了新鮮技術(shù)的血液，使建筑設(shè)計(jì)在數(shù)字時(shí)代依然保有強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。

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