虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用

    1 　前言

    計算機技術用于建筑設計已有多年，計算機輔助設計（CAD） ，主要是幫助設計者把設計、計算、畫圖、數(shù)據(jù)存儲和處理等繁重工作交給計算機完成，而設計者把主要精力用于創(chuàng)造性構思。計算機產(chǎn)生的設計結果，可通過圖形設備向設計者展示，并可模擬，允許設計者作出修改。虛擬現(xiàn)實（簡稱 VR） 技術能創(chuàng)造身臨其境的感覺。

    虛擬現(xiàn)實也稱虛擬環(huán)境或虛擬真實環(huán)境，是迅速發(fā)展的一項綜合性計算機、圖形交互技術，它集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡并行處理，利用計算機生成的三維空間形象實現(xiàn)的目標合成技術，通過視、聽、觸覺，以圖表及動畫方式呈現(xiàn)，讓觀看者“眼見為明”。它改變了傳統(tǒng)的計算機輔助設計被動靜態(tài)的信息傳遞方式。它的特性包括： （1） 交互性（interactive） ； （2） 想像性（imagination） ； （3）沉浸性（immersion） .虛擬現(xiàn)實就建筑視覺模擬的可行性而言，應用領域可包括：建筑物模擬、室內設計模擬、城市景觀模擬、施工過程模擬、物理環(huán)境模擬、防災模擬、歷史性建筑模擬等。在建筑設計中既要進行空間形象思維，又要考慮到以用戶的感受為核心，是一連串的創(chuàng)新過程，包括規(guī)劃、設計、建設施工、維護等。巨大的成本和不可逆的執(zhí)行程序，不能出現(xiàn)過多的差錯，虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)造和體現(xiàn)虛擬世界的計算機系統(tǒng)，虛擬世界是整體虛擬環(huán)境或給定仿真的對象的全體，充分利用計算機輔助設計和虛擬現(xiàn)實，可減輕設計人員的勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量，節(jié)省投資。虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中應用廣泛。

    2 　展示建筑物的整個信息

    現(xiàn)階段的二維、三維的表達方式，只能傳遞建筑物部分屬性的信息，并且只能提供單一尺度的建筑物信息，使用虛擬現(xiàn)實技術可展示一棟活生生的虛擬建筑物，使人產(chǎn)生身臨其境之感，設計不僅僅是設計者的事，住戶、管理部門都可起到輔助決策的作用。

    3 　遠距離瀏覽

    設計者設計的建筑物與工程單位可以相互溝通交流，通過萬維網(wǎng)達到遠距離瀏覽，也可以以計算機語言開發(fā)與虛擬現(xiàn)實造型語言整合，虛擬現(xiàn)實用于Internet 網(wǎng)中提高其普遍性與實用性。

    4 　實時多方案比較

    在建筑設計過程中，一般都會對設計的建筑物提出不同的設計方案，對未來建筑物的形象做多種設想，在虛擬的建筑三維空間中，可以實時地切換不同的方案，在同一個觀察點或同一個觀察序列中感受不同的建筑外觀，這樣，有助于比較不同的建筑方案的特點與不足，以便進一步進行決策。事實上，利用虛擬現(xiàn)實技術不但能夠對不同方案進行比較，而且可以對某個特定的局部作修改，并實時地與修改前的方案進行分析比較。

    5 　專用的人機接口交互

    人機接口是使用者與計算機溝通的橋梁，它是代表使用者意圖的轉換及計算機程序的執(zhí)行，良好的人機接口的建立，可減少使用者對系統(tǒng)的學習時間和增強系統(tǒng)的使用效率。在虛擬現(xiàn)實技術建筑設計中，必須有特定的人機接口模式：

    （1） 使用者模式。使用者直接進入虛擬現(xiàn)實中，進行觀測與互動操作，以第一人稱的觀測方式，進行虛擬現(xiàn)實的沉浸觀察，隱藏的接口，只有在使用時才出現(xiàn)；

    （2） 代理者模式。在虛擬現(xiàn)實中，常因沉浸環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的感性差距，而造成空間迷失現(xiàn)象，以至于使用者無法掌握虛擬現(xiàn)實中的狀態(tài)，以空間代理者的虛擬環(huán)境信息的提供，以第一和第二人稱的觀察方式，進行虛擬環(huán)境中的觀測；

    （3） 監(jiān)控模式。使用者以第三人稱的方式，監(jiān)控虛擬現(xiàn)實中所有的現(xiàn)實狀態(tài)，并進行虛擬物的監(jiān)視與控制，而接口的產(chǎn)生與虛擬現(xiàn)實的種類并無絕對的關系；

    （4） 浸入操作模式。將控制虛擬現(xiàn)實物的接口，置于虛擬現(xiàn)實中，以進行仿真式的操作模擬，使用者以

    第一人稱的操作方式，對虛擬物進行控制。從系統(tǒng)整合的觀點來分析建筑設計，系統(tǒng)的接口連結不當，影響設計質量和施工程序。

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本上有兩種：模型式和圖像式。以模型式虛擬現(xiàn)實，以虛擬現(xiàn)實造型語言（簡稱VRML） 為主要描述語言，使得建筑設計可用計算機進行三維建模，利用效果圖和三維施工圖與資料庫，并利用虛擬現(xiàn)實技術連結到資料庫作為實時模擬操作。虛擬現(xiàn)實造型語言，可用來在萬維網(wǎng)（3W） 中定義與更多信息相關聯(lián)的三維世界的布局和內容，使之能夠在一個交互的三維空間中很容易地被表達出來。當虛擬現(xiàn)實造型語言瀏覽器啟動后，它會將虛擬現(xiàn)實造型語言中的信息解釋成虛擬現(xiàn)實造型語言空間中的建筑物的幾何形體的描述，一旦VRML 空間被用戶的瀏覽器解釋，它將提供實時顯示，一秒鐘可以顯示多次，這樣，用戶的機器上將會有一個活動的場景。

    6 　應用實例

    荷蘭的虛擬現(xiàn)實技術起步較快，Eindoven 大學的Calibre研究院已用虛擬現(xiàn)實技術進行設計和咨詢，他們開發(fā)的軟件包由一組類CAD 的函數(shù)組成，稱為CAAD 軟件，為建筑結構的創(chuàng)建、修改和可視化提供了工具包， 它支持Auto CADDXF 文件的輸入輸出，而且能夠用于虛擬環(huán)境中增加動畫和對象的動態(tài)行為。已用該系統(tǒng)模型化了一座小城市，具體目標是在河中小島上設計一棟博物館。這座城市由好幾百棟建筑物組成，坐落在河邊斜坡上，可以俯瞰小島。首先，數(shù)字化該城市的地圖，創(chuàng)建基本的Auto CAD 模型；其次，按真實三維位置安排每棟建筑物，同時也考慮山坡的輪廓；再次，加上建筑細節(jié)，如門框和窗框設計，以便標準地表現(xiàn)該城市的美學特征。該應用實例讓人們領略了該領域和他們所取得的成果。

    在美國洛杉磯和費城的虛擬建筑三維模擬系統(tǒng)被認為是全球最成功的虛擬建筑模擬系統(tǒng)之一。各國對虛擬現(xiàn)實技術都在研究和應用，我國也一樣，在虛擬世界建筑方面，都已制作和展示了復雜的虛擬世界模型。虛擬現(xiàn)實技術所涉領域十分廣泛，技術潛力巨大，在建筑設計中應用前景廣闊，但軟硬件投資巨大，可重復性低，如計算機輔助設計/ 制造數(shù)據(jù)庫/ 計算機輔助工程，多媒體/ 臺式視頻，圖形藝術，形象/動畫制作，科學可視化，實時模擬等的硬件價格很高。

    7 　結語

    總之，虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用隨著網(wǎng)絡的發(fā)達及計算機軟硬件的進展，應用層面會更廣，成長幅度會更大。網(wǎng)絡傳輸?shù)谋憬菖c快速處理，利用計算機科技來呈現(xiàn)建筑設計成果，已成為新的趨勢，而且技術日新月異。