基于VR的建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

劉鑄

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，人們想象中的事物很多都進(jìn)入了現(xiàn)代人的視線，其中最引人矚目的是VR技術(shù)和人工智能技術(shù)。文章重點(diǎn)探討VR技術(shù)應(yīng)用，相對(duì)講VR技術(shù)仍存在很大的發(fā)展空間，但是基于VR技術(shù)建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)在2014年已開始，是最早提出“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建智慧城市平臺(tái)的基礎(chǔ)應(yīng)用”觀點(diǎn)的一年。基于VR建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具多優(yōu)勢，利用VR技術(shù)可使研究者在一個(gè)虛擬三維環(huán)境中，用動(dòng)態(tài)交互的方式在建筑或城區(qū)規(guī)劃中進(jìn)行身臨其境的全方位審視。VR技術(shù)是整個(gè)建筑規(guī)劃，也是城市規(guī)劃的設(shè)計(jì)者不斷完善設(shè)計(jì)新技段，更是建筑專業(yè)學(xué)習(xí)教學(xué)的得力具，還能讓學(xué)習(xí)更加貼近實(shí)際，是智慧城市運(yùn)營者和管理者們?cè)谌粘９ぷ髦械囊豁?xiàng)重要輔助手段。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)；建筑與城市規(guī)劃

無論是對(duì)于大學(xué)生還是學(xué)校來說，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)應(yīng)用的普及無疑都是擁有很深遠(yuǎn)的影響的。VR技術(shù)應(yīng)用不僅僅能夠在課堂上帶來更多的互動(dòng)屬性，同時(shí)更加真實(shí)地模擬場景，也讓學(xué)生們?cè)谡n程設(shè)計(jì)的時(shí)候更加投入和高效。德國大學(xué)的VR技術(shù)應(yīng)用是建筑和城市設(shè)計(jì)項(xiàng)目。他們利用InstaVR平臺(tái)，在一個(gè)名為“歷史開羅的虛擬現(xiàn)實(shí)”的項(xiàng)目中，創(chuàng)建了歷史建筑的沉浸式旅行。在開羅，一些幾千英里之外的最古老、最有趣的建筑通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用可以栩栩如生地呈現(xiàn)在體驗(yàn)者眼前。因此，基于VR的建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究能夠?qū)⒊橄蟮膬?nèi)容形象地展現(xiàn)在研究者學(xué)習(xí)者面前，能夠?yàn)樗麄兲峁┮粋€(gè)統(tǒng)一的畫面，在高等教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是利用這項(xiàng)技術(shù)來擴(kuò)展和改進(jìn)已經(jīng)教授的內(nèi)容，以及讓課堂變得更有參與性。

1 基于VR的建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 輔助城市建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)新模式功能

VR技術(shù)作為一項(xiàng)前沿科技，在建筑設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、房地產(chǎn)營銷等領(lǐng)域已經(jīng)體現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢和前景[1]。本報(bào)告提出通過軟硬件的一體化整合形成VR深度體驗(yàn)廳，項(xiàng)目特點(diǎn)包括：以深度體驗(yàn)為概念，硬件上將HTCVIVI頭顯，VR大屏映射，中央控制系統(tǒng)，全景音響系統(tǒng)進(jìn)行一體化整合，形成了一套完整的硬件行業(yè)解決方案；軟件方面以強(qiáng)大Unreal Engine 4為開發(fā)平臺(tái)，呈現(xiàn)出逼真的畫面，身臨其境的沉靜感和流暢的交互體驗(yàn)；內(nèi)容方面打破VR就是樣板間的一貫概念，擴(kuò)展為融合區(qū)域規(guī)劃，建筑外觀/結(jié)構(gòu)，園林景觀，室內(nèi)設(shè)計(jì)等行業(yè)內(nèi)容全覆蓋。城市VR技術(shù)的最大難點(diǎn)和工作量最大的地方就在于城市建模。由于城市建筑數(shù)量極多，規(guī)模極大，如果利用傳統(tǒng)的建模技術(shù)去逐個(gè)建模，將會(huì)耗費(fèi)極大的人工和物力，資金投入太大。所以，如何快速建模，是城市VR技術(shù)研究的一個(gè)重要課題。利用衛(wèi)星的遙感DSM數(shù)據(jù)，是進(jìn)行城市快速建模的一個(gè)最佳途徑[2]。城市VR技術(shù)研究路線是，首先，利用衛(wèi)星獲取城市DSM數(shù)據(jù)，利用GIS軟件快速將整個(gè)城市由二維的衛(wèi)星圖片轉(zhuǎn)換成三維的立體圖像數(shù)據(jù)。其次，針對(duì)GIS軟件自動(dòng)生成的立體圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D軟件，利用3D軟件進(jìn)行材質(zhì)貼圖美化以及渲染、烘焙，形成VR的基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)。再次，將該基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)模型利用VR交互引擎進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。最后，將已制作完畢的城市VR內(nèi)容在平臺(tái)上進(jìn)行發(fā)布并應(yīng)用。

針對(duì)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀，在VR+建筑設(shè)計(jì)這一細(xì)分領(lǐng)域，整合VR服務(wù)輸出、軟件平臺(tái)、硬件設(shè)備，為建筑設(shè)計(jì)提供VR服務(wù)能力。主要表現(xiàn)為建筑設(shè)計(jì)院在成果表現(xiàn)形式上將從傳統(tǒng)平面圖形和立體模型過渡到利用VR技術(shù)升級(jí)為沉浸式的三維空間。這將有效提高設(shè)計(jì)院方案溝通效率，節(jié)省成果表現(xiàn)成本。同時(shí)，通過開設(shè)VR教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)VR教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)VR專業(yè)人才，全面助力建筑設(shè)計(jì)服務(wù)升級(jí)。

1.2 BIM與VR可視化項(xiàng)目和信息管理功能

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是建筑行業(yè)當(dāng)前最熱門技術(shù)新貴。VR，仿真技術(shù)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人機(jī)交互的新革命。如果將VR+BIM兩者結(jié)合，會(huì)對(duì)建筑行業(yè)產(chǎn)生怎樣顛覆性的化學(xué)反應(yīng)？基于BIM和VR的結(jié)合，BIM與VR的可視化和信息化管理的應(yīng)用效益，BIM+VR項(xiàng)目制作要點(diǎn)和成本控制方法，在實(shí)際項(xiàng)目中的BIM與VR可視化項(xiàng)目管理的應(yīng)用等。BIM+VR的融合與創(chuàng)新也將是建筑學(xué)科的發(fā)展趨勢，多平臺(tái)BIM融合是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)，但是意義很重大，讓BIM從工作站設(shè)計(jì)電腦遷移到設(shè)計(jì)者的瀏覽器和桌面端，用一般的辦公電腦來做應(yīng)用和后期運(yùn)維等工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)維一體化，有效拓寬了行業(yè)范圍和業(yè)務(wù)領(lǐng)域[3]。針對(duì)BIM數(shù)據(jù)的小范圍高密度的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了一套算法來精簡、簡化BIM數(shù)據(jù)，統(tǒng)一格式到CityMaker平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)工廠的工作，海納百川，當(dāng)設(shè)計(jì)者需要對(duì)接其他平臺(tái)的時(shí)候，我們能有效輸出中間格式，對(duì)接多平臺(tái)。VR雖好，但成本太高，交互型VR體驗(yàn)系統(tǒng)的落地成本都不低，針對(duì)這一點(diǎn)，提出輕VR客戶端，一鍵對(duì)接VR，造價(jià)低，速度快，效果好。

此外，BIMVR（Building Information Modeling in Virtual Reality）在工程施工中的應(yīng)用探索，BIMVR通過將BIM信息模型技術(shù)與VR的視覺表現(xiàn)技術(shù)和交互技術(shù)結(jié)合，在建筑全生命周期的實(shí)施過程中皆可有其用武之地。針對(duì)施工階段，BIM具有的數(shù)據(jù)信息與VR的沉浸式表現(xiàn)和交互能力，可以用來做復(fù)雜施工流程的模擬培訓(xùn)和施工安全教育培訓(xùn)。報(bào)告從現(xiàn)狀分析出發(fā)，介紹BIMVR在施工階段應(yīng)用的項(xiàng)目開發(fā)流程和項(xiàng)目實(shí)踐成效。

1.3 繪制建筑效果圖適宜性技術(shù)（3D工具+Vray+Lumion）效果檢驗(yàn)功能

當(dāng)前建筑效果圖制作一般借助媒體制作公司，在一定程度上存在方案效果修改不便和成本過高等問題，基于上述行業(yè)痛點(diǎn)，結(jié)合軟件技術(shù)的進(jìn)步，報(bào)告提出效果圖制作回歸設(shè)計(jì)單位的可能性；針對(duì)建筑設(shè)計(jì)不同階段的時(shí)效性和效果質(zhì)量的需求，提出SU+Lumion，SU+Vray和Revit+Enscape等3種效果圖制作技術(shù)方案，并比較優(yōu)缺點(diǎn)；根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)單位工作流程和團(tuán)隊(duì)組建特點(diǎn)，探索設(shè)計(jì)單位內(nèi)部繪制效果圖的適宜工作方法和模式。設(shè)計(jì)出的成果可通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投射到虛擬現(xiàn)實(shí)中，進(jìn)行全方位的檢測比較，從而確定出最合適的方案，這樣能夠在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)技術(shù)上進(jìn)一步縮小城市建筑的可執(zhí)行性風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于VR的建筑與城市虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，大體需要3方面的技術(shù)，即：建模、表現(xiàn)與交互。建模方法與所要模擬的對(duì)象類有關(guān)，也與應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)。針對(duì)所要模擬對(duì)象的不同方面，建模方法分為幾何外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實(shí)融合建模等。虛擬環(huán)境對(duì)象的表現(xiàn)，包括視、聽、觸/力、嗅/味等的表現(xiàn)。VR表現(xiàn)技術(shù)將虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象模型通過不同的表現(xiàn)方法、算法渲染在表現(xiàn)設(shè)備上，以沉浸方式呈現(xiàn)給建筑設(shè)計(jì)者學(xué)習(xí)者。交互問題主要涉及人或外部世界與虛擬環(huán)境之間互相作用的信息交換方式與人機(jī)交互設(shè)備，其最終目的就是獲得更加具有實(shí)用性的建筑設(shè)計(jì)。

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