論虛擬與現實技術在建筑工程領域方面的運用

摘要：伴隨著信息化技術、云計算以及數字媒體領域新技術在中國的興起，一項改變人的視覺、觸覺、聽覺、味覺的技術正在中國悄然興起，并且被越來越多的用戶所接受——虛擬現實技術，它廣泛的應用到我們生活的各個方面。網上世博會、網上看房、網上瀏覽三維數字城市等越來越多的用戶所熱衷，在建筑工程領域，運用虛擬與現實的手段，一方面可以讓設計師更快的表現出自己的設計意圖，發現設計過程中的問題，另一方面也可以讓用戶能夠直觀的了解到建筑周邊的環境，空間的布局以及結構，同時交互式的設計更是增加了用戶與建筑之間的溝通，各種傳感設備的使用，使軟件跟硬件的結合發揮到了極致，讓用戶如同在真實的空間中一樣。

關鍵詞：虛擬現實；建筑；軟件開發

一 虛擬與現實技術的定義以及主流開發平臺

虛擬與現實又稱靈境技術—簡稱VR。它是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者視覺、 聽覺、觸覺、甚至味覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時沒有限制地、直觀地觀察三度空間內的事物，并能夠通過語言、手勢等自然的方式與之進行實時交互，創建了一種適人化的多維信息空間。虛擬現實是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。虛擬與現實是一個軟件跟硬件完美結合的產物，因此在開發虛擬與現實中我們除了使用必要的硬件設備滿足我們的感官需要外，同時我們也要配合軟件進行開發。目前主要使用的是三維軟件以及交互式的開發平臺，三維軟件主要用Autodesk3DMAX以及AutodeskMaya、XSI、C4D等。現今在虛擬現實行業內出現的編輯軟件不計其數，而比較熱門的有四款軟件，他們分別是：Unity3d、Virtools、VR-Platform、EON Studio。在這四款軟件中，Unity3d尤為突出，穩穩的把握住了虛擬現實，獨領風騷。

Unity3D是由Unity Technologies開發的一個讓玩家輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。Unity類似于Director，Blender game engine，Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發環境為首要方式的軟件其編輯器運行在Windows 和Mac OS X下，可發布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone和Android平臺。Virtools是一種構建三維交互式虛擬系統十分便捷、非常有效的軟件。特有的“可視化腳本交互設計界面”大大的降低了學習門檻。學者無須鉆研艱深的程序語言，就能完成虛擬現實的制作，它也因為獨具的游戲交互式功能，多被用于游戲的開發和制作。

VR-Platform三維互動仿真平臺，是一款互動仿真能力較強的軟件，現多被使用于實現場景的模擬和制作。EON Studio是一個完全基于GUI的設計工具，能夠開發出許多實用性的訓練、培訓軟件。在教育和技術培訓行業運用較為廣泛。

二 虛擬與現實技術在建筑設計方面的應用

虛擬與現實技術被廣泛的運用到生活的各個方面，其中在建筑設計方面得到極大地運用。傳統的建筑設計工程一般是設計師通過草圖、文字以及個人的經驗進行設計，然而對于一些復雜程度較高或者設計師未曾設計過的建筑而言，設計師很難對其進行詳細的定位于分析，有些設計方案太過于概念化，無法跟實際環境進行關聯。虛擬與現實技術幫我們解決了這樣的難題，我們以大華房地產開發作項目為案例進行講解，在大華房地產項目開發中，為了讓用戶能夠切實的感受到虛擬世界與現實世界的差別，我們主要采用了比較頂端的兩套開發軟件：Autodesk3Dmax以及Unity3D。

（1）前期工作準備階段

通過實地的考察，了解建筑工地所在的環境以及周邊的設施，建立詳細的數據庫資料，為我們模擬周邊真實的環境提供詳細的數據。

（2）三維數字模型的制作階段

項目方案確定之后，我們通過詳細的施工圖并結合拍攝的現場資料，以及前期所獲得的數據資料，在三維軟件中制作數字模型，在此我們使用的三維軟件主要是3DMAX，采用多邊形建模的方式，在運用三維軟件模擬虛擬環境的時候，盡可能做到按照實際尺寸在我們電腦上等比例制作模型。在建模過程中要盡量完善，力求能夠達到逼真環境的效果。我們通過三維軟件建造模型，并通過燈光、貼圖、材質、渲染等技術，讓電腦制作出的三維模型能夠達到逼真環境的效果。

（3）三維數字模型的烘焙制作

為了能夠實現對三維場景中的建筑模型進行交互，我們需要對三維軟件中制作的模型進行二次加工，只有這樣方可進入到Unity3d，為了能夠達到真實的環境效果我們需要對建筑模型進行烘焙，模型的烘焙是在3Dmax中進行的，采用的是Vray的烘焙方式，采用Vray烘焙可以獲得比較真實的烘焙效果。烘焙的目的就是將顏色、材質、貼圖、燈光信息直接記錄在一張貼圖上，這樣我們在Unity3d中可以減少我們電腦的運算速度，更快的實時渲染，而不需要在后臺進行渲染合成，減少運算的時間，烘焙后的貼圖是將所有的信息（包括顏色、材質、燈光、貼圖）都集中在了一張貼圖的上面，我們將貼圖的格式存儲為TGA格式，我們后期也可以采用Photoshop軟件將貼圖中有瑕疵的信息進行修改，進而能夠達到一種更加完美的效果。

（4）虛擬與現實程序的開發以及運用

通過計算機語言的編寫，控制可視化的場景模型，實現人機交互。讓用戶更大程度的感知建筑空間。由于Unity3d為我們提供了一個開放性的開發平臺，支持C+語言、JS語言等多種計算機語言，那我們就可以通過計算機語言對我們虛擬中的建筑物體進行程序開發，通過計算機語言讓虛擬中的物體執行我們想要的交互效果。

（5）交互式設備的開發

為了讓用戶能夠更好的與建筑之間進行交互，我們需要一些傳感設備，以此滿足虛擬世界的3I特性：多感知性（Multi-Sensory）所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于相關技術，特別是傳感技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。浸沒感（Immersion）又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，交互性（Interactivity）指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。構想性（Imagination）強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。由于浸沒感、交互性和構想性三個特性的英文單詞的第一個字母均為I，所以這三個特性又通常被統稱為3I特性。

為此我們需要專門的一些接受設備、傳感設備等其他的感知設備。通過這些設備的運用讓我們可以更大程度的與建筑之間進行互動，達到虛擬與現實交互的目的。

三 虛擬與現實在建筑方面的發展前景以及趨勢

現在各個國家都在加強對虛擬現實技術的應用以及開發，我國也一樣，在虛擬建筑世界方面，都已經制作出了復雜的建筑模型，并且已經應用到城市生活中來，虛擬現實技術所涉及的領域十分的廣泛，技術潛力巨大，在建筑方面的前景更是十分的廣闊。隨著數字化城市建設的蓬勃發展和網絡技術的發達以及計算機軟硬件的進展，虛擬現實技術在建筑設領域的應用將會更廣，特別是隨著三維可視化地理信息系統、真實與虛擬現實的集成、視景仿真和海量數據漫游等關鍵技術完善和走向實用，為在真實三維環境中實現虛擬建筑，提供了良好的技術條件和拓展空間。

參考文獻

[1] 沈金良.虛擬與現實技術在工程設計方面的運用[J]科技交流，2004（3）.

[2] 聶昕.淺談虛擬現實建筑設計的定位以及發展方向[J]商業文化（學術板），2009（1）.

[3] 張松濤.虛擬與現實技術在城市規劃方面的應用問題[J]黑龍江科技信息，2004（3）.