基于VR的建筑與城市虛擬實驗平臺設計研究

劉鑄

摘 要：隨著科學技術不斷進步，人們想象中的事物很多都進入了現(xiàn)代人的視線，其中最引人矚目的是VR技術和人工智能技術。文章重點探討VR技術應用，相對講VR技術仍存在很大的發(fā)展空間，但是基于VR技術建筑與城市虛擬實驗平臺建設在2014年已開始，是最早提出“虛擬現(xiàn)實技術，搭建智慧城市平臺的基礎應用”觀點的一年。基于VR建筑與城市虛擬實驗平臺具多優(yōu)勢，利用VR技術可使研究者在一個虛擬三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式在建筑或城區(qū)規(guī)劃中進行身臨其境的全方位審視。VR技術是整個建筑規(guī)劃，也是城市規(guī)劃的設計者不斷完善設計新技段，更是建筑專業(yè)學習教學的得力具，還能讓學習更加貼近實際，是智慧城市運營者和管理者們在日常工作中的一項重要輔助手段。

關鍵詞：VR技術；虛擬實驗平臺建設；建筑與城市規(guī)劃

無論是對于大學生還是學校來說，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術應用的普及無疑都是擁有很深遠的影響的。VR技術應用不僅僅能夠在課堂上帶來更多的互動屬性，同時更加真實地模擬場景，也讓學生們在課程設計的時候更加投入和高效。德國大學的VR技術應用是建筑和城市設計項目。他們利用InstaVR平臺，在一個名為“歷史開羅的虛擬現(xiàn)實”的項目中，創(chuàng)建了歷史建筑的沉浸式旅行。在開羅，一些幾千英里之外的最古老、最有趣的建筑通過VR虛擬現(xiàn)實技術應用可以栩栩如生地呈現(xiàn)在體驗者眼前。因此，基于VR的建筑與城市虛擬實驗平臺設計研究能夠將抽象的內容形象地展現(xiàn)在研究者學習者面前，能夠為他們提供一個統(tǒng)一的畫面，在高等教育中，虛擬現(xiàn)實的核心是利用這項技術來擴展和改進已經(jīng)教授的內容，以及讓課堂變得更有參與性。

1 基于VR的建筑與城市虛擬實驗平臺設計

1.1 輔助城市建筑設計創(chuàng)新模式功能

VR技術作為一項前沿科技，在建筑設計、景觀設計、城市規(guī)劃、房地產(chǎn)營銷等領域已經(jīng)體現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢和前景[1]。本報告提出通過軟硬件的一體化整合形成VR深度體驗廳，項目特點包括：以深度體驗為概念，硬件上將HTCVIVI頭顯，VR大屏映射，中央控制系統(tǒng)，全景音響系統(tǒng)進行一體化整合，形成了一套完整的硬件行業(yè)解決方案；軟件方面以強大Unreal Engine 4為開發(fā)平臺，呈現(xiàn)出逼真的畫面，身臨其境的沉靜感和流暢的交互體驗；內容方面打破VR就是樣板間的一貫概念，擴展為融合區(qū)域規(guī)劃，建筑外觀/結構，園林景觀，室內設計等行業(yè)內容全覆蓋。城市VR技術的最大難點和工作量最大的地方就在于城市建模。由于城市建筑數(shù)量極多，規(guī)模極大，如果利用傳統(tǒng)的建模技術去逐個建模，將會耗費極大的人工和物力，資金投入太大。所以，如何快速建模，是城市VR技術研究的一個重要課題。利用衛(wèi)星的遙感DSM數(shù)據(jù)，是進行城市快速建模的一個最佳途徑[2]。城市VR技術研究路線是，首先，利用衛(wèi)星獲取城市DSM數(shù)據(jù)，利用GIS軟件快速將整個城市由二維的衛(wèi)星圖片轉換成三維的立體圖像數(shù)據(jù)。其次，針對GIS軟件自動生成的立體圖像數(shù)據(jù)導入3D軟件，利用3D軟件進行材質貼圖美化以及渲染、烘焙，形成VR的基礎三維數(shù)據(jù)。再次，將該基礎三維數(shù)據(jù)模型利用VR交互引擎進行交互設計。最后，將已制作完畢的城市VR內容在平臺上進行發(fā)布并應用。

針對建筑設計行業(yè)領域現(xiàn)狀，在VR+建筑設計這一細分領域，整合VR服務輸出、軟件平臺、硬件設備，為建筑設計提供VR服務能力。主要表現(xiàn)為建筑設計院在成果表現(xiàn)形式上將從傳統(tǒng)平面圖形和立體模型過渡到利用VR技術升級為沉浸式的三維空間。這將有效提高設計院方案溝通效率，節(jié)省成果表現(xiàn)成本。同時，通過開設VR教學實驗平臺，開發(fā)VR教學內容，培養(yǎng)VR專業(yè)人才，全面助力建筑設計服務升級。

1.2 BIM與VR可視化項目和信息管理功能

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是建筑行業(yè)當前最熱門技術新貴。VR，仿真技術，計算機圖形學與人機交互的新革命。如果將VR+BIM兩者結合，會對建筑行業(yè)產(chǎn)生怎樣顛覆性的化學反應？基于BIM和VR的結合，BIM與VR的可視化和信息化管理的應用效益，BIM+VR項目制作要點和成本控制方法，在實際項目中的BIM與VR可視化項目管理的應用等。BIM+VR的融合與創(chuàng)新也將是建筑學科的發(fā)展趨勢，多平臺BIM融合是一個長期而艱巨的任務，但是意義很重大，讓BIM從工作站設計電腦遷移到設計者的瀏覽器和桌面端，用一般的辦公電腦來做應用和后期運維等工作，實現(xiàn)設計和運維一體化，有效拓寬了行業(yè)范圍和業(yè)務領域[3]。針對BIM數(shù)據(jù)的小范圍高密度的數(shù)據(jù)特點，提出了一套算法來精簡、簡化BIM數(shù)據(jù)，統(tǒng)一格式到CityMaker平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)工廠的工作，海納百川，當設計者需要對接其他平臺的時候，我們能有效輸出中間格式，對接多平臺。VR雖好，但成本太高，交互型VR體驗系統(tǒng)的落地成本都不低，針對這一點，提出輕VR客戶端，一鍵對接VR，造價低，速度快，效果好。

此外，BIMVR（Building Information Modeling in Virtual Reality）在工程施工中的應用探索，BIMVR通過將BIM信息模型技術與VR的視覺表現(xiàn)技術和交互技術結合，在建筑全生命周期的實施過程中皆可有其用武之地。針對施工階段，BIM具有的數(shù)據(jù)信息與VR的沉浸式表現(xiàn)和交互能力，可以用來做復雜施工流程的模擬培訓和施工安全教育培訓。報告從現(xiàn)狀分析出發(fā)，介紹BIMVR在施工階段應用的項目開發(fā)流程和項目實踐成效。

1.3 繪制建筑效果圖適宜性技術（3D工具+Vray+Lumion）效果檢驗功能

當前建筑效果圖制作一般借助媒體制作公司，在一定程度上存在方案效果修改不便和成本過高等問題，基于上述行業(yè)痛點，結合軟件技術的進步，報告提出效果圖制作回歸設計單位的可能性；針對建筑設計不同階段的時效性和效果質量的需求，提出SU+Lumion，SU+Vray和Revit+Enscape等3種效果圖制作技術方案，并比較優(yōu)缺點；根據(jù)當前設計單位工作流程和團隊組建特點，探索設計單位內部繪制效果圖的適宜工作方法和模式。設計出的成果可通過實驗平臺投射到虛擬現(xiàn)實中，進行全方位的檢測比較，從而確定出最合適的方案，這樣能夠在現(xiàn)有的設計技術上進一步縮小城市建筑的可執(zhí)行性風險。

2 結語

實現(xiàn)一個基于VR的建筑與城市虛擬實驗平臺設計，大體需要3方面的技術，即：建模、表現(xiàn)與交互。建模方法與所要模擬的對象類有關，也與應用領域密切相關。針對所要模擬對象的不同方面，建模方法分為幾何外觀建模、基于物理的建模、行為建模和虛實融合建模等。虛擬環(huán)境對象的表現(xiàn)，包括視、聽、觸/力、嗅/味等的表現(xiàn)。VR表現(xiàn)技術將虛擬環(huán)境中的各種對象模型通過不同的表現(xiàn)方法、算法渲染在表現(xiàn)設備上，以沉浸方式呈現(xiàn)給建筑設計者學習者。交互問題主要涉及人或外部世界與虛擬環(huán)境之間互相作用的信息交換方式與人機交互設備，其最終目的就是獲得更加具有實用性的建筑設計。

[參考文獻]

[1]李金.基于VR的農(nóng)業(yè)虛擬實驗室設計和研究[J].科技視界，2016（23）：14.

[2]蒙劍.基于VR技術的視頻會議設計[J].電子設計工程，2017（12）：166-169.

[3]馮珊珊.國內外虛擬實驗室建設的比較研究[J].新校園（閱讀），2016（5）：9.