虛擬現實技術在建筑類課程教學中的研究與應用

董春華 趙昆明 胡建平 王 麗

（1.中國礦業大學（北京），北京 100083；2，天津城建大學，天津 300384）

一、引言

隨著信息社會的到來，實現教育的現代化，加強優質教育資源的開發、應用及共享，已成為我國教育發展的目標。計算機輔助教學的引入，使得教學方式不再單純地依靠書本和教師授課的形式，多媒體改變了傳統的教學方式，網絡促進了網絡化遠程教育的發展，這些信息化技術彌補了傳統教學所不能及的諸多方面。但對于建筑學等實踐性較強的課程，仍然無法體現現實教學中的真實情景，致使授課效果打了折扣[1]。

建筑設計所需的創造力主要由三種能力構成，即創造性思維能力、創造性想象力和想象的物化能力。在建筑設計學習中，創造力和想象力的挖掘培養是至關重要，將為未來建筑設計形成一個良好的思考習慣和堅實的表達能力[2]。因此，在有關空間與形體的教學中，如何幫助學生建立正確的空間感和形式感，如何培養學生的空間形體構思能力，是建筑設計類課程的重點。建筑圖是建筑設計的最后成果的表達，是建筑師之間相互交流的圖示語言工具，構思設計的過程也是以圖解思維方式來完成的。在建筑設計、建筑結構、城市規劃與設計等專業課教學中主要以建筑圖作為教學媒介，這種方式對建筑信息的整體感表達存在一定局限性，難以滿足教學過程中的交互性及體驗性。

現代信息技術的進一步發展，促使學習環境呈智能化、互動化和虛擬化等多種方式發展[2]。作為一種有效創造力的手段，虛擬現實技術應用到教育領域當中。它是一種全新意義上的教學媒體，能夠促使教育形態、教育環境、教學過程的基本要素及相互關系發生重大變化，使教學過程中的教師、媒體、學生之間的關系形成一種新的結構。將虛擬現實技術引入到建筑教學之中，呈現建筑物的立體化信息，為學生提供生動、逼真的感性學習資源，有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力，使建筑教學由傳統的“以教促學”的學習方式升級為學生通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

目前虛擬現實技術在建筑設計領域的應用已經非常廣泛。李文基于虛擬平臺EON對三維建筑模型進行了仿真及光照分析[3]，劉夕榕研究并實現了慢城寧海展示中心的虛擬漫游[4]，蘇陽利用虛擬現實軟件Unity3D實現了婺源徽派建筑的虛擬漫游[5]。在建筑遺產保護領域，章立基于虛擬現實平臺Virtools建立了建筑遺產的簡單交互系統[6]。這些研究為建筑設計提供了更好的發展空間，但如何將虛擬現實實時交互的優勢充分運用到建筑類課程教學過程中仍有待進一步研究。

二、虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality）是一種綜合應用各種現代信息技術，有效地模擬人在自然環境中的各種感知系統行為的高級人機交互技術，是當前教育技術中的前沿技術[7]。虛擬教學的三維展現形式能夠為學生提供逼真、生動的感性學習資源，使學習過程形象化，學生由知識的被動接受者變成虛擬環境中的一名參與者，這種學習方式對調動學生的學習積極性、培養學生的技能以及突破教學的難點、重點能夠起到積極作用[8]。

目前，用于虛擬現實制作和虛擬現實系統開發的軟件非常多，其中Skyline是國內制作真三維數字場景的首選軟件。作為成熟的三維網絡數字地球平臺軟件，Skyline能夠創建出具有實景照片效果的三維場景，并能夠實現在三維場景中進行實時瀏覽、規劃和分析等各種應用，實現了對幾乎所有空間對象的虛擬仿真、模擬顯示及各種分 析 。 Skyline 主 要 由 TerraBuilder、TerraGate 和TerraExplorer Pro三個產品組成。其中，TerraBuilder實現三維地形數據集的生成，TerraGate實現三維地形及空間數據的發布，TerraExplorer Pro實現三維場景的構建和瀏覽功能，三者將不同的地理空間數據有效地組織起來，再結合具體的業務專題，構建完整的虛擬GIS平臺[9]。

三、虛擬建筑教學系統的開發及應用

1.虛擬建筑教學系統開發

為了探索虛擬現實技術在建筑教學模式中的應用，本文嘗試以天津市歷史風貌建筑為研究目標，基于虛擬現實平臺Skyline 6.0開發了基于B/S結構的虛擬建筑教學系統，實現了建筑的內部及外部造型特征的三維可視化展示，以及網絡虛擬環境下的信息查詢、量測以及日照分析、統計分析等功能，使學生在暢游三維虛擬環境的過程中與建筑學知識進行實時交互，激發學生的造性思維和空間形體構思能力。系統實現流程如下。

（1）創建并發布三維地形場景

運用TerraBuilder將遙感影像與數字高程模型DEM融合疊加，生成一個現實影像的、帶地理參考的三維地形場景[9]。為實現多用戶實時共享三維地形數據，利用TerraGate將三維地形數據集進行網絡發布[10]。

（2）創建三維地物模型

地塊、道路、綠化景觀及建筑等地物模型是構成三維場景不可或缺的要素之一。利用三維制作軟件3D Studio MAX創建三維幾何模型，使用圖像處理軟件Photoshop進行地物的紋理處理。建模過程包括處理紋理、導入CAD底圖、建立模型、映射貼圖以及數據導出[11]。模型建好后，導出為微軟的.x格式模型文件。

（3）創建三維場景

三維場景是虛擬系統的基礎和研究對象。利用TerraExplorer Pro將上述三維地形數據、地物模型、以及矢量數據、文本、圖片標注、多媒體信息等相關要素進行整合，創建并發布三維工程FLY文件，生成一個具有真實感的虛擬現實三維場景。

（4）空間分析功能開發

利用 Vistual Studio 2010、SQL Server2008數據庫和TerraExplorer Pro提供的二次開發API組件TerraDeveloper，實現三維場景漫游、導航、查詢、定位、量測等空間分析功能[12]。例如，導航功能如圖1所示，左下角的二維地圖與三維視圖實時聯動；查詢功能如圖2所示，通過信息樹模型列表和點擊模型兩種方式進行雙向信息查詢，點擊模型查詢目標建筑物，具體實現代碼如下。

圖1 建筑外部結構

圖2 查詢功能

2.虛擬建筑教學系統應用

天津是一座兼具中西文化交匯特點的、具有豐富歷史文化資源的大都市。天津的歷史風貌建筑凝固了天津城市的歷史與文化，記錄著這座城市的成長軌跡。其中，五大道歷史文化街區更是被譽為世界建筑博覽苑，英式、意式、法式、西班牙式、文藝復興式、古典主義以及中西合璧式等各種建筑風格匯集一處，成為建筑學者感受世界多元建筑文化的魅力、了解各國建筑藝術與特色的博物館。

天津五大道官網等多個網站對五大道街區進行了豐富詳細的圖片和視頻講解，虛擬建筑課程教學系統結合這些網站數據，以五大道歷史文化街區為研究區，以虛擬交互結合圖片、音頻、視頻等多種方式進行歷史風貌建筑信息的輔助教學。系統的應用能夠打破傳統建筑教學的時間與空間的局限性，增強學生對學習對象的真實感受。

（1）虛擬五大道街區的格局與空間規劃藝術展示

建筑教學通常利用建筑設計圖、圖片及視頻等方式為學生展示建筑區或單體建筑的文化與風格特征。這種方式表達具有抽象性和片面性，難以直觀形象地展示整個區域或建筑單元的規劃與空間布局。虛擬教學系統的直觀性、真實模擬性等特點，可以實現區域局部與整體關系的展示，為城市規劃與設計、居住區規劃、外部空間設計等多門建筑教學課程提供了更好的教學手段。

建筑教學系統建立了虛擬五大道歷史街區，漫游在該虛擬環境中，學生能夠直觀地感受到五大道的街區格局與空間關系的和諧性。從高空俯視整個街區，由于街區被九國劃分各自建設，使得整個街區格局具有明顯的拼接特征，但近觀局部，各租界區域的規劃建設，尤其是英租界新區自成一體，體現了獨特的風格。街區道路組織整體呈方形均質組織，南北向道路主要解決區域交通，東西向道路增加街坊間的聯系，加上單行道的限制，保證了交通的暢通。作為居住區，其功能的完整性和規劃布局的先進性仍值得借鑒和思考。

虛擬系統可以幫助學生快速了解整個區域的功能布局。利用虛擬環境中對虛擬對象的標注和信息查詢等多種功能，學生可識別居住區與周邊商業、教堂、醫院、體育館、音樂廳、公園綠地等公共設施的功能布局，整個區域功能的完整性及完善的公共設施組織一目了然，對學生理解和學習居住區的規劃有很好的指導意義。

（2）街區內建筑與道路等的布局及空間關系展示

虛擬建筑教學系統能夠更好地表達建筑教學中區域布局的空間層次感，使人沉浸到區域環境中感受區域的舒適度。虛擬系統為學生提供了沉浸在街區街道上任意漫游的體驗功能，如同真實地走在林蔭街道上，學生能夠愜意地感受到街道的空間尺度與建筑布局的和諧。五大道歷史街區內建筑多為2-3層，道路寬度多為12米左右，道路寬度與建筑高度的比例控制在1∶1以內，尺度舒適宜人。建筑與院落、圍墻、街道之間形成較強的層次遞進感，學生通過虛擬建筑教學系統不僅能了解街區內的各種空間尺度關系，而且透過茂密的樹叢可以隱約看到掩映的建筑，感受到深幽寂靜的五大道街市風格，這不僅為城市規劃調研、道路與交通規劃等課程塑造了便捷的體驗環境，同時對專業美術、景觀生態規劃等課程的教學也具有重要的美學啟示意義。

（3）歷史風貌建筑藝術特寫

五大道街區建筑形式多樣、中外風格兼容并蓄，包羅了穆勒、保羅·鮑爾蒂等著名建筑師的許多建筑作品，其設計水平和風格對現代建筑學者也很有啟迪意義。虛擬建筑教學系統對于建筑單元的展示比傳統方式更為直觀細膩，可分三個細節層次建模，從院落整體布局到建筑外觀結構，再到建筑內部結構。對于特色的建筑造型，如巴洛克式的絞繩式立柱、意式的檐口和圓窗等，其建模尺度能夠細化到0.1米。如原文法樓建筑的外觀結構呈飛機狀（圖1），張學銘故居畫室內木制護墻板局部有木雕花飾（圖3）。學生能夠對建筑模型進行定位查詢（圖2），對特色結構或興趣點進行量測分析（圖4），以及對區域進行二維和三維導航、日照分析和統計分析等。虛擬系統對歷史風貌建筑的多樣化展示，能幫助學生領略建筑藝術中內容與形式、色彩與環境、造型與材質、空間與結構等各方面的美學價值和啟示，這使得建筑設計與建筑結構等課程教學的教學效果更好、更有效，且易于被學生接受[13]，同時，也為學生學習歷史文化遺產保護、中外城市建設史、外國建筑史等課程提供了豐富的素材。

圖3 張學銘故居室內模型

圖4 量測功能

（4）虛擬五大道街區的演變過程模擬

五大道歷經百余年的戰爭、地震以及建設開發的影響，其周邊和內部區域改造不同程度地改變了其原有的面貌。虛擬系統的動態模擬功能，能夠對歷史風貌街區歷年的變化進行動態模擬，還原各階段的細節特征，展示五大道歷史遺跡的演變歷程，為今后街區的保護、修繕和復原提供數據支持。

四、結論

利用Skyline建立了虛擬建筑教學系統，能夠使學生通過虛擬漫游、查詢、量測及統計等實時交互功能進行自主學習，感受虛擬環境中區域的整體規劃藝術和建筑設計的真實感，極大地提高了建筑類專業學生的學習興趣，有利于知識的建構。同時，該系統還能展示天津的百年歷史文化底蘊和大都市的文化，能夠為歷史、旅游等專業的教學提供歷史風貌建筑導覽功能。運用虛擬建筑教學系統進行虛擬建筑教學具有形式多樣、教學資源容量大以及在教學中實時交互等特點，便于教學資源的更新與共享，能夠為建筑類專業的課程教學提供較好的補充和輔助作用。

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