虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用

郭瑞麗 唐海波 趙垠婷 張立麗

摘 要：城市環(huán)境設(shè)計涉及的學(xué)科和內(nèi)容較多，包括建筑學(xué)、人類學(xué)、景觀設(shè)計等，具有綜合性、多樣性的特點。隨著科技的發(fā)展，城市環(huán)境設(shè)計的方式、方法也得到了不斷優(yōu)化。當(dāng)下，人們對現(xiàn)代城市環(huán)境設(shè)計有了更高的要求，不僅要求城市環(huán)境設(shè)計作品環(huán)保、美觀，還要求城市環(huán)境設(shè)計作品具備較強的功能性。因此，設(shè)計師可采用現(xiàn)代化科技手段，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在城市環(huán)境設(shè)計中，以提升城市環(huán)境設(shè)計效果和效率。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);城市環(huán)境設(shè)計;實時模擬演示

基金項目：本文系黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項目（SJGY20200717）研究成果。

在進(jìn)行城市環(huán)境設(shè)計的過程中，設(shè)計師常用的技術(shù)方法有三維動畫、實體模型、效果圖渲染等。這些設(shè)計方法雖然改變了傳統(tǒng)的純?nèi)斯ぴO(shè)計模式，提升了設(shè)計效率，但也存在著一些不足。以實體模型為例，其雖然立體感較強，但由于是按比例縮小的模型，設(shè)計師很難了解具體的設(shè)計細(xì)節(jié)，導(dǎo)致評估結(jié)果不夠準(zhǔn)確。效果圖渲染只能表現(xiàn)離散的、靜止的效果，缺少總體性。三維動畫雖然結(jié)合了前兩種方式的優(yōu)點，但其提供的運動路線具有固定性特點，無法對其進(jìn)行隨意調(diào)整，人機交互性不強。因此，設(shè)計師應(yīng)進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在城市環(huán)境設(shè)計中，對圖像、聲音、動畫等要素進(jìn)行整合，實現(xiàn)詳細(xì)、全面的模擬展示，在強化作品表現(xiàn)力的同時，增強其人機交互效果，使自身產(chǎn)生身臨其境的感受。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用特征

（一）基本特征

相較于傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以營造出還原度更高的虛擬環(huán)境，具有更強的交互性特征。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市環(huán)境設(shè)計中，可以使參與者和仿真環(huán)境之間產(chǎn)生相互作用。設(shè)計師可以根據(jù)自身的感知能力和認(rèn)知能力，在虛擬環(huán)境中獲得啟發(fā)，并利用虛擬環(huán)境中的空間和邏輯信息進(jìn)行分析和設(shè)計。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸感、交互性、想象力三大基本特征。所謂沉浸感，就是用戶以第一視角的身份在環(huán)境中存在，而存在的真實程度就是沉浸感[1]。如果沉浸感較強，則說明場景的真實程度較高。理想的虛擬環(huán)境甚至?xí)褂脩綦y以辨別真假。虛擬場景可以隨著用戶視角的變化而變化，并配合照明、音響等實現(xiàn)效果的最優(yōu)化。交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，在虛擬環(huán)境中，用戶若直接抓取物體，此時手的觸感、物體的重量感都會隨著手的移動而發(fā)生變化，這些都是通過人機交互技術(shù)完成的。想象力是用戶沉浸在多維信息空間中時，通過自身的感知能力和認(rèn)知能力獲得更多信息，從而激發(fā)自身的思維潛能，對時空環(huán)境產(chǎn)生現(xiàn)實的構(gòu)想，更加主動地進(jìn)行想象。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種集成技術(shù)，其結(jié)合了計算機、傳感與測量、仿真等技術(shù)。計算機技術(shù)主要涉及人工智能、信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和學(xué)科。其中，環(huán)境建模技術(shù)最為重要，可以說是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的一種核心技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用旨在獲取更加詳細(xì)的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)來構(gòu)建環(huán)境模型。計算機模型可以用于制作圖形圖像。如果模型精準(zhǔn)、時間充足，設(shè)計師可以根據(jù)不同的光照條件，生成不同的圖像信息。立體聲合成和立體聲顯示技術(shù)也十分重要。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，消除聲音的方向和與用戶頭部運動的相關(guān)性已成為聲學(xué)專家們研究的熱點。研究表明，人可以通過聲音在水平方向上的相位差、強度差別來判定聲源方位。所謂立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現(xiàn)的，能夠給人一種方向感。但目前在VR系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關(guān)[2]。立體視覺也運用了類似的原理，主要運用了眼睛焦距、大小對比等方式來呈現(xiàn)距離感、空間感。在VR系統(tǒng)中，立體視覺發(fā)揮著十分重要的作用。顯示器不同，用戶雙眼看到的圖像也不同。一些系統(tǒng)采用的是單獨的顯示器。用戶在戴上VR眼鏡之后，兩只眼鏡分別能夠看到奇數(shù)幀圖像和偶數(shù)幀圖像，從而產(chǎn)生立體感。三維圖形和立體圖形的生成技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的專家學(xué)者還在進(jìn)行更多復(fù)雜場景的研究。此外，觸覺反饋技術(shù)、交互技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等也十分重要，因此相關(guān)人員需要對其進(jìn)行深入的研究和開發(fā)。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用方式

（一）實時模擬演示

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在城市環(huán)境設(shè)計中，不僅可以構(gòu)建虛擬空間，還有助于設(shè)計師采用實時模擬演示技術(shù)在虛擬空間中檢查城市環(huán)境設(shè)計效果，分析方案的可操作性，具有實時模擬演示的作用。目前，VR技術(shù)在影視、游戲等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但隨著技術(shù)的優(yōu)化、應(yīng)用成本的下降以及計算機性能的不斷提升，VR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛，使得VRML語言應(yīng)運而生。這種虛擬現(xiàn)實建模語言可以用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實的物體，通過VRML插件可以實現(xiàn)網(wǎng)頁在線觀看，采用旋轉(zhuǎn)、移動等瀏覽工具觀看物體，獲得較好的動態(tài)效果。在VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們娛樂生活中的同時，其他領(lǐng)域?qū)R技術(shù)的研究也在不斷深入。在建筑行業(yè)中，采用VM（電子模型）技術(shù)，可有效提升建筑設(shè)計、建設(shè)的質(zhì)量和效率。需要注意的是，在以此為基礎(chǔ)探索VRML技術(shù)、描畫數(shù)據(jù)問題的同時，要對速度進(jìn)行改進(jìn)[3]，同時也要對夜景識別技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，使其與VR技術(shù)表現(xiàn)方式進(jìn)行結(jié)合，在VR影像中呈現(xiàn)出城市建設(shè)規(guī)劃內(nèi)容。通過真實的模擬，設(shè)計師能夠了解城市建設(shè)的實際情況、存在的問題，解決建筑街道改造等問題，這可以促進(jìn)城市環(huán)境設(shè)計水平的提升。

目前，已經(jīng)有半圓屏幕型VR產(chǎn)品、便攜式VR產(chǎn)品在城市環(huán)境設(shè)計中得到了應(yīng)用，其效果明顯高于傳統(tǒng)CG模型，可以更加自由地改變物體的行走空間。設(shè)計師能夠通過這些產(chǎn)品來對比多個設(shè)計方案，最后選擇最佳的方案。

（二）實時模擬演示的應(yīng)用

在進(jìn)行城市環(huán)境設(shè)計的過程中，設(shè)計師可以利用實時模擬演示的方式，模擬真實的環(huán)境，然后再實施相關(guān)的城市環(huán)境設(shè)計方案。同時，設(shè)計師可以對各類設(shè)計方案進(jìn)行討論分析，深入研究設(shè)計方案的細(xì)節(jié)和方法，最后再選取最佳的設(shè)計方案，并針對設(shè)計的結(jié)果、目的、內(nèi)容，向顧客反饋，使顧客能夠根據(jù)自身的需求和模擬效果來評價設(shè)計方案。另外，由于設(shè)計師或顧客對工程概念有著不同的理解，其切入點、關(guān)注點也有所不同。因此，設(shè)計師應(yīng)對計劃的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析，與顧客交流意見，最終達(dá)成一致，保障設(shè)計方向的準(zhǔn)確性。設(shè)計師應(yīng)通過對真實具體的環(huán)境進(jìn)行分析，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實世界，并將其展示出來，以滿足顧客的想象，與顧客在理念、方向上達(dá)成一致。此外，在進(jìn)行實時模擬演示的過程中，設(shè)計師需要運用視覺媒介、動態(tài)媒介、即時性媒介、Virtools Dev等。這些媒介的應(yīng)用可以促進(jìn)實時模擬演示的真實性和完整性。在視覺媒介上，與具有靜止化、動態(tài)化特征的CG動畫展示相同，實時模擬演示可以在視覺角度為用戶提供更加準(zhǔn)確的信息，加強用戶對信息的理解。在動態(tài)媒介方面，其主要包括qrVR、CG、VRML等。即時性媒介具有交互性，能夠使實時模擬演示在城市環(huán)境設(shè)計中具有更強的操作性。Virtools Dev有著對基本場景的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的接口，能夠通過視覺編程的方式，完成與虛擬對象的對話互動，具有輸入、輸出、處理等功能。

（三）實例分析

在進(jìn)行城市環(huán)境設(shè)計的過程中，設(shè)計師可以對環(huán)境設(shè)計方案進(jìn)行合理的分析和優(yōu)化，對工程的概要、建筑功能、建筑結(jié)構(gòu)、背景接口、工程特征等進(jìn)行考察和分析。在運用實時模擬演示技術(shù)進(jìn)行城市環(huán)境設(shè)計的過程中，為了完成更加系統(tǒng)的構(gòu)建，相關(guān)人員需要采用多種環(huán)境要素，包括樹木、車輛、行人等，因此應(yīng)輕量化CG數(shù)據(jù)[4]。在功能和結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方面，應(yīng)注重對自由飛行、自由奔跑、沖突檢測、重力設(shè)定、數(shù)據(jù)輕量化等方面的構(gòu)建。在自由飛行方面，應(yīng)對任意地點的注視點進(jìn)行確定，并將其作為場景圖像的中心，使其具有旋轉(zhuǎn)功能，從而使設(shè)計師能夠從空中掌握整體布局。在自由奔跑方面，設(shè)計師可選擇任意一個方向，在任意一個地點以特定的速度進(jìn)行移動，并在地面上選擇自己喜歡的視點，進(jìn)行方案的討論。在沖突檢測方面，由于自由度過高，且在進(jìn)入建筑時難以進(jìn)行高難度的操作，在虛擬空間中，相關(guān)人員可對各種物體之間的沖突進(jìn)行檢測，包括墻壁、建筑物等。在重力設(shè)定方面，與沖突檢測的方式相似，需要使視點與地面保持一定的高度。在數(shù)據(jù)輕量化方面，要確保數(shù)據(jù)讀取效率，使建筑數(shù)據(jù)只能在可識別范圍內(nèi)進(jìn)行顯示，同時對造型有一定影響的部分也會得到顯示。而針對不會顯示的內(nèi)容，應(yīng)減少其內(nèi)容，達(dá)到數(shù)據(jù)輕量化的效果。

在設(shè)計機動車專用車道的過程中，相關(guān)人員可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行模擬演示，以人員之間的討論重點為制作目標(biāo)。在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的過程中，相關(guān)人員應(yīng)首先明確在虛擬場景中有哪些人物。由于道路空間的使用者主要為當(dāng)?shù)鼐用?，設(shè)計師不僅要從內(nèi)側(cè)了解建筑，也要從外側(cè)了解建筑。因此，數(shù)據(jù)定義的對象不僅是街道，還包括建筑物、周邊地形、住宅等內(nèi)容。同時，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合客戶的要求，對接口進(jìn)行制作。功能結(jié)構(gòu)除了包括自由飛行、自由行走、沖突檢測、重力設(shè)定等內(nèi)容外，還增加了LOD、車輛的自動行走等功能。這些功能能夠有效增加虛擬環(huán)境的真實感。

綜上所述，在進(jìn)行城市環(huán)境設(shè)計的過程中，設(shè)計師可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行模擬。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為設(shè)計師提供各種操作工具，幫助設(shè)計師了解工程的結(jié)構(gòu)、功能等，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化城市環(huán)境設(shè)計提供參考依據(jù)。在功能設(shè)計方面，設(shè)計師應(yīng)明確技術(shù)系統(tǒng)存在的問題，對系統(tǒng)已有的功能進(jìn)行改良，為城市環(huán)境設(shè)計提供更多支撐工具。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫旋，孫權(quán)，魏歡歡.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在環(huán)境工作中的應(yīng)用研究[J].中國化工貿(mào)易，2019（3）：162.

[2]潘鋒.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用分析[J].城市周刊，2019（14）：26.

[3]郭健含.VR技術(shù)在現(xiàn)代環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中的有效應(yīng)用[J].美術(shù)教育研究，2020（4）：88-89.

[4]陳尚軍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].百科論壇電子雜志，2019（22）：110.

作者單位：

佳木斯大學(xué)美術(shù)學(xué)院