虛擬現實技術在建筑設計中的應用

肖梓潤

摘要：虛擬現實技術是一項綜合性建筑設計方法，減輕設計人員勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量，節省投資。設計者設計的建筑物與工程單位可在萬維網上相互溝通交流。

關鍵詞：虛擬現實；建筑設計；計算機輔助設計；建筑物

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、數據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造性構思。計算機產生的設計結果，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。虛擬現實（簡稱 VR） 技術能創造身臨其境的感覺。

虛擬現實也稱虛擬環境或虛擬真實環境，是迅速發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、網絡并行處理，利用計算機生成的三維空間形象實現的目標合成技術，通過視、聽、觸覺，以圖表及動畫方式呈現，讓觀看者“眼見為明”。它改變了傳統的計算機輔助設計被動靜態的信息傳遞方式。它的特性包括：交互性（interactive） ；想像性（imagination） ；沉浸性（immersion） .虛擬現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，是一連串的創新過程，包括規劃、設計、建設施工、維護等。巨大的成本和不可逆的執行程序，不能出現過多的差錯，虛擬現實是一種可以創造和體現虛擬世界的計算機系統，虛擬世界是整體虛擬環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，節省投資。虛擬現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，使用虛擬現實技術可展示一棟活生生的虛擬建筑物，使人產生身臨其境之感，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，通過萬維網達到遠距離瀏覽，也可以以計算機語言開發與虛擬現實造型語言整合，虛擬現實用于Internet 網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行，良好的人機接口的建立，可減少使用者對系統的學習時間和增強系統的使用效率。在虛擬現實技術建筑設計中，必須有特定的人機接口模式：

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

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

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

浸入操作模式。將控制虛擬現實物的接口，置于虛擬現實中，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。從系統整合的觀點來分析建筑設計，系統的接口連結不當，影響設計質量和施工程序。

虛擬現實系統基本上有兩種：模型式和圖像式。以模型式虛擬現實，以虛擬現實造型語言（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，并利用虛擬現實技術連結到資料庫作為實時模擬操作。虛擬現實造型語言，可用來在萬維網（3W） 中定義與更多信息相關聯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。當虛擬現實造型語言瀏覽器啟動后，它會將虛擬現實造型語言中的信息解釋成虛擬現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

荷蘭的虛擬現實技術起步較快，Eindoven 大學的Calibre研究院已用虛擬現實技術進行設計和咨詢，他們開發的軟件包由一組類CAD 的函數組成，稱為CAAD 軟件，為建筑結構的創建、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境中增加動畫和對象的動態行為。已用該系統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，數字化該城市的地圖，創建基本的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，如門框和窗框設計，以便標準地表現該城市的美學特征。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被認為是全球最成功的虛擬建筑模擬系統之一。各國對虛擬現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/ 制造數據庫/ 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。

結語

總之，虛擬現實技術在建筑設計中的應用隨著網絡的發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。網絡傳輸的便捷與快速處理，利用計算機科技來呈現建筑設計成果，已成為新的趨勢，而且技術日新月異。