基于虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的未來建筑空間場景設(shè)計
——以賓大Simon Kim 教學(xué)作品為例

文／劉耿哲 賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計學(xué)院

劉小文 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

勾昭元 賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計學(xué)院

1 VR 虛擬現(xiàn)實和AR 增強現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)，是指利用二維或者三維技術(shù)進行整體設(shè)計，以及運用一些設(shè)計軟件（如Unity3D、UE4 等）進行虛實模擬。目前在游戲方面技術(shù)已經(jīng)成熟，但是在建筑交互展示領(lǐng)域還是一種比較創(chuàng)新的方法。把建筑空間或者裝置的模擬信息在特定的三維模擬環(huán)境中進行改造，可以直接顯示材料的質(zhì)地，同時也可以使用掃描設(shè)備來創(chuàng)建更清晰的圖片。在現(xiàn)實中戴上眼鏡模擬，只需移動操控設(shè)備即可完成復(fù)雜場景的切換。當(dāng)需要復(fù)雜的動作時，可以用外置操作手柄來操控它們。同時，可以插入視頻、聲音等，讓更多用戶積極參與并深度體驗空間氛圍。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)，是指利用計算機生成的二維、三維的物體或者信息資源，經(jīng)過手機或者其他設(shè)備的攝像頭，疊加到真實場景中，從而達到真實的感官體驗。通過傳感器感知環(huán)境情況，定位目標的具體位置，并以此作為現(xiàn)實世界的根據(jù)，顯現(xiàn)虛擬的物體，使其達到更為逼真的融合效果[1]。

2 場景設(shè)計——Simon Kim 教學(xué)作品的概念解析

文章利用Simon kim 教授在賓夕法尼亞大學(xué)的建筑研究課程作為案例進行討論。Simon kim 教授從建筑協(xié)會設(shè)計研究實驗室（AA School)畢業(yè)后，擔(dān)任扎哈·哈迪德辦公室的設(shè)計師和項目建筑師，也是蓋里科技的顧問，是當(dāng)代先鋒建筑設(shè)計的探索者。

Simon kim教授最近的研究涉及電子設(shè)備、動態(tài)環(huán)境和城市空間。他在麻省理工學(xué)院的研究生課程是關(guān)于控制論、機器、建筑以及它們通過界面交互的設(shè)計經(jīng)驗。同樣的，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)也是計算機生成的虛擬物體或是將信息疊加到真實場景中，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗，這也正是他正在研究教學(xué)的主要項目之一。

項目的主要場地和概念源自于韓國首爾的污染。韓國的污染每年都在加速。由于污染物在環(huán)境中具有耐久性，它們會不斷積累，使得整個空氣和環(huán)境具有潛在的健康問題。而污染場地的清理工作主要集中在軍區(qū)、鐵路相關(guān)場地和小型石油泄漏場地。

本項目旨在通過一個個小型空氣氣腔處理現(xiàn)場遺留的大量污染物，并將關(guān)鍵組成部分通過過濾-凈化-精制產(chǎn)品提供給附近的人們。在未來，這些類建筑的角色不再被它們的創(chuàng)造者——人，所占據(jù)。人在其中，僅作為一個觀賞者存在。先進的基礎(chǔ)設(shè)施及控制系統(tǒng)能夠保障內(nèi)部的處理空間吸收裝置在沒有監(jiān)督的情況下獨立運作。隨著時間的推移，場地的不斷修復(fù)將為首爾恢復(fù)一種新的合成自然。它們的改進和凈化機制將形成新的氛圍和環(huán)境。而其他動植物生命最終也會找到在這復(fù)雜環(huán)境中生長的方法（圖1）。

圖1 空間剖面（圖片來源：作者自繪）

同時，在其中一些包含氣腔的環(huán)境中，微生物生命形式甚至可能在新合成的世界中生存和繁衍。氣腔作為一個有知覺的、主動的、深思熟慮的超對象存在，是開墾土地并為首爾人民創(chuàng)造空間的一種手段，從一個中心點開始，通過網(wǎng)絡(luò)連接到整個站點的較小節(jié)點。它們提取和處理留下的污染物，同時沉浸在從處理過的土地上產(chǎn)生的新的合成自然中。氣腔的性質(zhì)與先前居住者留下的基礎(chǔ)設(shè)施殘余物深深地交織在一起。它們被放置在這個基礎(chǔ)設(shè)施中，成為了巨大建筑景觀裝置。

隨著時間的不斷流逝，建筑與當(dāng)?shù)丨h(huán)境進入了一個增長-反饋的循環(huán)，在這個環(huán)境中，它們排放出化學(xué)加工的副產(chǎn)品，隨著時間的推移，這些副產(chǎn)品會腐蝕它們并使其變形。但正是這種腐蝕使生命能夠占據(jù)并覆蓋它們：建筑修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的本地化分階段的成長變形。隨著每次更迭，建筑和場地促進相互變化，由此產(chǎn)生的物理景觀既提醒人們幾個世紀的資源浪費和污染，也提醒人們即將到來的新機會。

本項目對當(dāng)代藝術(shù)和建筑實踐中的新興概念提出了新的想法：從物理到虛擬的空間城市概念。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

如前所述，基于這種生態(tài)建筑裝置空間設(shè)計，傳統(tǒng)的建模技術(shù)是基于幾何形體雖有所改進，但如果建造稍微復(fù)雜的生態(tài)建筑模型也耗時耗力，并且建造的模型仿真度較低，難以達到設(shè)計概念本身需要的程度。所以本項目先運用基于圖像的建模技術(shù)來進行基礎(chǔ)的建模，也就是Photogrammetry。因為這樣的手段不僅具有方便、逼真度高等優(yōu)點，并且近些年已經(jīng)逐漸成為計算機視覺和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的一個新的研究熱點[1]。所以通過圖像建立模型來生成虛擬場景是一個很好的方法（圖2）。

圖2 模型（圖片來源：作者自攝）

當(dāng)做完實體模型，再進行掃描形成電腦三維模型后，如何進行建筑空間的體驗也是非常重要的問題。當(dāng)生成很難用傳統(tǒng)的形式進行觀演模擬的生態(tài)建筑和空間時，使用基于VR/AR技術(shù)的數(shù)字化去中心的建筑虛擬空間便是非常有必要的[2]。

（1）VR 鑒于項目將基于移動平臺互動展示，具體實現(xiàn)方式則是用之前構(gòu)筑的模型，以Unity3D 及Steam VR 插 件 和VRTK 來 具 體實現(xiàn)氣腔模型的虛擬現(xiàn)實的手機和智能設(shè)備應(yīng)用，并將其打包成便于運用的格式（.apk），使其能夠在安卓平臺運行。用戶可以在虛擬世界里縮放、旋轉(zhuǎn)氣腔。在Unity3D 中，使用FingerGestures 插件功能，可以利用各種手勢在觸摸屏中實現(xiàn)吸收腔模型的縮小、放大及旋轉(zhuǎn)等操作[3]。

接著需要在場景中添加多種特效和材質(zhì)。比如，將風(fēng)沙的特效引入生態(tài)氣腔建筑的空間之中（圖3）。使用Unity3d 軟件中的Environment Weather Effect 2.0 插件來模擬風(fēng)沙的生成，然后對粒子系統(tǒng)中的風(fēng)沙進行篩選與調(diào)整，再結(jié)合成面進行深化。將虛無縹緲的特效轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實世界的、具體的、可觸碰的物質(zhì)形態(tài)（圖3）。

圖3 Unity3D 過程（圖片來源：作者自攝）

最后需要美化場景。如運用貼圖和光照烘培技術(shù)，來構(gòu)造環(huán)境地形和營造氛圍，表達藝術(shù)氣息。最重要的是添加光源和光效。光效主要通過各種氣腔周圍的局部細節(jié)光照和整體環(huán)境照明光照襯托出來，對整體環(huán)境而言，只需要在場景內(nèi)添加點光源或者面光源，調(diào)整光源方向和強度，將光線照射到需要照亮的區(qū)域即可[4]。

對于VR 內(nèi)容的呈現(xiàn)，作品中除了使用了基于VR 頭盔的交互式實驗外，設(shè)計者也采用了三維虛擬全景漫游的模式。體驗者使用3D 眼罩在氣囊虛擬漫游的路線中，聆聽旁白對此設(shè)計理念和知識的講解。使用者既能通過頭戴VR 頭盔進行體驗，也能利用鼠標或鍵盤控制瀏覽的方向，上下左右全方位地觀賞場景和物體，具有較好的沉浸感和儀式感。

（2）AR 增強現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)則是通過AWE 網(wǎng)絡(luò)平臺。AWE 平臺能夠完成基礎(chǔ)的AR技術(shù)，并且在不需要其他設(shè)備輔助的前提下，通過手機掃描其生成的二維碼，便可以快速實現(xiàn)AR 效果。實現(xiàn)原理是：首先通過手機攝像頭采集實景，確認到特征物體的位置之后，將偵測到的現(xiàn)實景象數(shù)字化成圖像導(dǎo)入Awe（圖4）；然后通過特征點匹配技術(shù)找到識別的特征，便以此為參考找出需要生成的AE 智能動畫，在AR 環(huán)境中處于何種位置或方向，并確定提前存入手機中的標識圖的位置；最后通過手機攝像機和傳感器感知環(huán)境的光照，并以此為依據(jù)調(diào)整虛擬物體的材質(zhì)亮度等，使其達到更為逼真的效果。

圖4 AR 效果和Awe 平臺使用截圖（圖片來源：作者自攝）

以其中一個模塊“實景照片”為例，在AR增強現(xiàn)實技術(shù)的設(shè)計中，最重要的開始是交互影音的設(shè)計和UI 的設(shè)計。主要涉及平面設(shè)計領(lǐng)域的圖形圖案之類。設(shè)計師應(yīng)先在Photoshop中制作好相同大小的平面UI，如“開始”“暫?！薄敖Y(jié)束”等，并整合紋理貼圖，擬合氣囊空間類似效果（如凹凸貼圖、金屬貼圖、法線貼圖、高光貼圖等），使其逼真。

以使用Awe 網(wǎng)頁版軟件進行模型、視頻、UI 界面和定位圖片擬合為例，在放置擬合過程中要考慮銜接問題以及之后交互設(shè)計時的需要。全部素材以居中方式設(shè)置中心點，縮放比例設(shè)置為同一大小，設(shè)置固定按鈕。同時還需注意項目圖片的精確大小和視頻的清晰程度，越高的DPI 帶來的問題是越慢的處理時間。以表現(xiàn)需求為基點，若低分辨率就能表現(xiàn)，則采用低分辨率。同時還可以采用一些其他方式優(yōu)化模型，從而控制整體項目大小在要求范圍之內(nèi)。

當(dāng)項目中的視頻和UI 以及定位圖片互相擬合后，通常要設(shè)計交互的操作。設(shè)計人員需要考慮使用者對視頻點擊屏幕即可開始交互操作，在顯眼處放置開始UI 界面和相應(yīng)動作。視頻上也可以按照不同的需求加入暫停動作或者繼續(xù)動作。在這個過程中，也可以根據(jù)人們一般的操作習(xí)慣進行設(shè)置，比如按照普通安卓放大模式：雙指張開方式，縮小相應(yīng)的便是雙指收縮方式，旋轉(zhuǎn)則是雙指按住方式。同時，Awe 還有自帶的一些視頻處理效果，如局部放大，出現(xiàn)閃爍等等。

最后，觀賞人群掃描“實景照片”也就是目標圖片，會出現(xiàn)之前所對應(yīng)的匹配視頻和UI界面[1]。實景照片就是之前錄制視頻的其中一幀。當(dāng)視頻開始播放的時候，照片就像動起來了一樣，同時照片的位置會出現(xiàn)3D 模型，旁邊提示觀賞者需要的操作，如暫停等。耳機會發(fā)出風(fēng)沙的聲音，并且講解氣腔消化和凈化污染的過程（圖4）。

4 場景體驗

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)能將真實氣腔世界模擬出來，使得人們成為一個觀賞者，在虛擬世界中用戶也可以得到如同真實世界一樣的感受。同時，用戶能完全沉浸在氣腔的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，感受它的運轉(zhuǎn)，風(fēng)的流動，并獲得深刻的解讀?？梢栽谔摂M的場景中豐富聯(lián)想，開拓自身的思維，能顯著提高設(shè)計人員的創(chuàng)造力，從而提高空間設(shè)計效果，強化人們的認知水平[5]。

與傳統(tǒng)觸控的電腦鼠標面板等界面不同的是，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)將用戶和環(huán)境變成一個整體。利用各種傳感器，使人機交互模式發(fā)生了較大的變革，項目的觀賞者可以采取更加自然的方式進行面對面的交流。因此，這項技術(shù)能幫助設(shè)計人員和項目評價人員克服交流時的障礙，能夠讓他們更加自然地使用、接受相關(guān)信息，從而提高學(xué)習(xí)效率。

但目前VR 技術(shù)仍有著較為顯著的缺陷。一是頭戴設(shè)備供電以及數(shù)據(jù)傳輸仍然未得到很好的解決（圖5），設(shè)備需要連接主機的連接線，這樣會導(dǎo)致行動受到限制，沉浸式體驗效果會有較大影響。二是現(xiàn)有VR 系統(tǒng)對體驗者動作的追蹤很大程度上依賴攝像頭等外界設(shè)備來實現(xiàn)，這使得使用者的活動自由度和區(qū)域受到限制。

圖5 使用場景（圖片來源：作者自攝）

而AR 的實時交互也存在體驗上的不足。單單在手機設(shè)備上的體驗，用戶在操作中雖然能得到相應(yīng)的信息反饋，但是通過對現(xiàn)實平面化的物件轉(zhuǎn)變生成三維立體的實物還是會有不真實感?，F(xiàn)在最成熟的設(shè)備是利用3D 投影技術(shù)獲得的增強現(xiàn)實，雖然成型的價格還是較為高昂，但是能夠讓物件獲得多感知性，基于手機平臺而構(gòu)建一個全方位的、真實的世界用來體驗。體驗者也能夠更好地接觸設(shè)計，提出自己的意見，以此來強化設(shè)計質(zhì)量。

結(jié)語

本文以賓大教學(xué)作品為例，探索性地提出基于VR 和AR 技術(shù)的建筑空間設(shè)計的應(yīng)用，并初步進行了設(shè)計實現(xiàn)，豐富了建筑、空間設(shè)計的表達形式?；赩R 和AR 的虛擬增強現(xiàn)實技術(shù)的使用能夠呈現(xiàn)逼真的環(huán)境和對象，建筑設(shè)計人員能夠在虛擬的環(huán)境中展開設(shè)計和實驗，同時有利于實現(xiàn)在現(xiàn)實中難以完成的各種交互展示功能，并且有利設(shè)計人員的空間感知能力。

現(xiàn)如今，國外院校如賓夕法尼亞大學(xué)、英國倫敦大學(xué)學(xué)院、建筑聯(lián)盟學(xué)院等先鋒建筑院校都或多或少地采用VR 和AR 來增強設(shè)計的表達。由于空間思維能力等因素，使得部分人員在設(shè)計中難以建立良好的三維能力，無法快速地找到設(shè)計的重點。而虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)的運用，能夠很好地解決這些問題。