虛擬現實技術在城市環境設計中的應用

郭瑞麗 唐海波 趙垠婷 張立麗

摘 要：城市環境設計涉及的學科和內容較多，包括建筑學、人類學、景觀設計等，具有綜合性、多樣性的特點。隨著科技的發展，城市環境設計的方式、方法也得到了不斷優化。當下，人們對現代城市環境設計有了更高的要求，不僅要求城市環境設計作品環保、美觀，還要求城市環境設計作品具備較強的功能性。因此，設計師可采用現代化科技手段，將虛擬現實技術應用在城市環境設計中，以提升城市環境設計效果和效率。

關鍵詞：虛擬現實技術;城市環境設計;實時模擬演示

基金項目：本文系黑龍江省高等教育教學改革研究項目（SJGY20200717）研究成果。

在進行城市環境設計的過程中，設計師常用的技術方法有三維動畫、實體模型、效果圖渲染等。這些設計方法雖然改變了傳統的純人工設計模式，提升了設計效率，但也存在著一些不足。以實體模型為例，其雖然立體感較強，但由于是按比例縮小的模型，設計師很難了解具體的設計細節，導致評估結果不夠準確。效果圖渲染只能表現離散的、靜止的效果，缺少總體性。三維動畫雖然結合了前兩種方式的優點，但其提供的運動路線具有固定性特點，無法對其進行隨意調整，人機交互性不強。因此，設計師應進一步完善相關技術，將虛擬現實技術應用在城市環境設計中，對圖像、聲音、動畫等要素進行整合，實現詳細、全面的模擬展示，在強化作品表現力的同時，增強其人機交互效果，使自身產生身臨其境的感受。

一、虛擬現實技術在城市環境設計中的應用特征

（一）基本特征

相較于傳統的模擬技術，虛擬現實技術可以營造出還原度更高的虛擬環境，具有更強的交互性特征。將虛擬現實技術應用于城市環境設計中，可以使參與者和仿真環境之間產生相互作用。設計師可以根據自身的感知能力和認知能力，在虛擬環境中獲得啟發，并利用虛擬環境中的空間和邏輯信息進行分析和設計。虛擬現實技術具有沉浸感、交互性、想象力三大基本特征。所謂沉浸感，就是用戶以第一視角的身份在環境中存在，而存在的真實程度就是沉浸感[1]。如果沉浸感較強，則說明場景的真實程度較高。理想的虛擬環境甚至會使用戶難以辨別真假。虛擬場景可以隨著用戶視角的變化而變化，并配合照明、音響等實現效果的最優化。交互性是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）。例如，在虛擬環境中，用戶若直接抓取物體，此時手的觸感、物體的重量感都會隨著手的移動而發生變化，這些都是通過人機交互技術完成的。想象力是用戶沉浸在多維信息空間中時，通過自身的感知能力和認知能力獲得更多信息，從而激發自身的思維潛能，對時空環境產生現實的構想，更加主動地進行想象。

（二）關鍵技術

虛擬現實技術是一種集成技術，其結合了計算機、傳感與測量、仿真等技術。計算機技術主要涉及人工智能、信息網絡等技術和學科。其中，環境建模技術最為重要，可以說是虛擬現實技術中的一種核心技術。該技術的應用旨在獲取更加詳細的三維環境數據，根據具體的應用需求和數據來構建環境模型。計算機模型可以用于制作圖形圖像。如果模型精準、時間充足，設計師可以根據不同的光照條件，生成不同的圖像信息。立體聲合成和立體聲顯示技術也十分重要。在虛擬現實系統中，消除聲音的方向和與用戶頭部運動的相關性已成為聲學專家們研究的熱點。研究表明，人可以通過聲音在水平方向上的相位差、強度差別來判定聲源方位。所謂立體聲效果就是靠左右耳聽到在不同位置錄制的不同聲音來實現的，能夠給人一種方向感。但目前在VR系統中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關[2]。立體視覺也運用了類似的原理，主要運用了眼睛焦距、大小對比等方式來呈現距離感、空間感。在VR系統中，立體視覺發揮著十分重要的作用。顯示器不同，用戶雙眼看到的圖像也不同。一些系統采用的是單獨的顯示器。用戶在戴上VR眼鏡之后，兩只眼鏡分別能夠看到奇數幀圖像和偶數幀圖像，從而產生立體感。三維圖形和立體圖形的生成技術雖然已經比較成熟，但計算機圖形學領域的專家學者還在進行更多復雜場景的研究。此外，觸覺反饋技術、交互技術、系統集成技術等也十分重要，因此相關人員需要對其進行深入的研究和開發。

二、虛擬現實技術在城市環境設計中的應用方式

（一）實時模擬演示

將虛擬現實技術應用在城市環境設計中，不僅可以構建虛擬空間，還有助于設計師采用實時模擬演示技術在虛擬空間中檢查城市環境設計效果，分析方案的可操作性，具有實時模擬演示的作用。目前，VR技術在影視、游戲等領域中得到了廣泛應用。但隨著技術的優化、應用成本的下降以及計算機性能的不斷提升，VR技術的應用領域也愈加廣泛，使得VRML語言應運而生。這種虛擬現實建模語言可以用于創建虛擬現實的物體，通過VRML插件可以實現網頁在線觀看，采用旋轉、移動等瀏覽工具觀看物體，獲得較好的動態效果。在VR技術被廣泛應用于人們娛樂生活中的同時，其他領域對VR技術的研究也在不斷深入。在建筑行業中，采用VM（電子模型）技術，可有效提升建筑設計、建設的質量和效率。需要注意的是，在以此為基礎探索VRML技術、描畫數據問題的同時，要對速度進行改進[3]，同時也要對夜景識別技術進行開發，使其與VR技術表現方式進行結合，在VR影像中呈現出城市建設規劃內容。通過真實的模擬，設計師能夠了解城市建設的實際情況、存在的問題，解決建筑街道改造等問題，這可以促進城市環境設計水平的提升。

目前，已經有半圓屏幕型VR產品、便攜式VR產品在城市環境設計中得到了應用，其效果明顯高于傳統CG模型，可以更加自由地改變物體的行走空間。設計師能夠通過這些產品來對比多個設計方案，最后選擇最佳的方案。

（二）實時模擬演示的應用

在進行城市環境設計的過程中，設計師可以利用實時模擬演示的方式，模擬真實的環境，然后再實施相關的城市環境設計方案。同時，設計師可以對各類設計方案進行討論分析，深入研究設計方案的細節和方法，最后再選取最佳的設計方案，并針對設計的結果、目的、內容，向顧客反饋，使顧客能夠根據自身的需求和模擬效果來評價設計方案。另外，由于設計師或顧客對工程概念有著不同的理解，其切入點、關注點也有所不同。因此，設計師應對計劃的內容進行詳細的分析，與顧客交流意見，最終達成一致，保障設計方向的準確性。設計師應通過對真實具體的環境進行分析，構建虛擬現實世界，并將其展示出來，以滿足顧客的想象，與顧客在理念、方向上達成一致。此外，在進行實時模擬演示的過程中，設計師需要運用視覺媒介、動態媒介、即時性媒介、Virtools Dev等。這些媒介的應用可以促進實時模擬演示的真實性和完整性。在視覺媒介上，與具有靜止化、動態化特征的CG動畫展示相同，實時模擬演示可以在視覺角度為用戶提供更加準確的信息，加強用戶對信息的理解。在動態媒介方面，其主要包括qrVR、CG、VRML等。即時性媒介具有交互性，能夠使實時模擬演示在城市環境設計中具有更強的操作性。Virtools Dev有著對基本場景的模型數據進行讀取的接口，能夠通過視覺編程的方式，完成與虛擬對象的對話互動，具有輸入、輸出、處理等功能。

（三）實例分析

在進行城市環境設計的過程中，設計師可以對環境設計方案進行合理的分析和優化，對工程的概要、建筑功能、建筑結構、背景接口、工程特征等進行考察和分析。在運用實時模擬演示技術進行城市環境設計的過程中，為了完成更加系統的構建，相關人員需要采用多種環境要素，包括樹木、車輛、行人等，因此應輕量化CG數據[4]。在功能和結構的構建方面，應注重對自由飛行、自由奔跑、沖突檢測、重力設定、數據輕量化等方面的構建。在自由飛行方面，應對任意地點的注視點進行確定，并將其作為場景圖像的中心，使其具有旋轉功能，從而使設計師能夠從空中掌握整體布局。在自由奔跑方面，設計師可選擇任意一個方向，在任意一個地點以特定的速度進行移動，并在地面上選擇自己喜歡的視點，進行方案的討論。在沖突檢測方面，由于自由度過高，且在進入建筑時難以進行高難度的操作，在虛擬空間中，相關人員可對各種物體之間的沖突進行檢測，包括墻壁、建筑物等。在重力設定方面，與沖突檢測的方式相似，需要使視點與地面保持一定的高度。在數據輕量化方面，要確保數據讀取效率，使建筑數據只能在可識別范圍內進行顯示，同時對造型有一定影響的部分也會得到顯示。而針對不會顯示的內容，應減少其內容，達到數據輕量化的效果。

在設計機動車專用車道的過程中，相關人員可以采用虛擬現實技術進行模擬演示，以人員之間的討論重點為制作目標。在構建虛擬現實系統的過程中，相關人員應首先明確在虛擬場景中有哪些人物。由于道路空間的使用者主要為當地居民，設計師不僅要從內側了解建筑，也要從外側了解建筑。因此，數據定義的對象不僅是街道，還包括建筑物、周邊地形、住宅等內容。同時，相關人員應結合客戶的要求，對接口進行制作。功能結構除了包括自由飛行、自由行走、沖突檢測、重力設定等內容外，還增加了LOD、車輛的自動行走等功能。這些功能能夠有效增加虛擬環境的真實感。

綜上所述，在進行城市環境設計的過程中，設計師可以采用虛擬現實技術，對設計內容進行模擬。虛擬現實技術能夠為設計師提供各種操作工具，幫助設計師了解工程的結構、功能等，為后續進一步優化城市環境設計提供參考依據。在功能設計方面，設計師應明確技術系統存在的問題，對系統已有的功能進行改良，為城市環境設計提供更多支撐工具。

參考文獻：

[1]孫旋，孫權，魏歡歡.虛擬現實技術在環境工作中的應用研究[J].中國化工貿易，2019（3）：162.

[2]潘鋒.虛擬現實技術在城市規劃設計中的應用分析[J].城市周刊，2019（14）：26.

[3]郭健含.VR技術在現代環境藝術設計中的有效應用[J].美術教育研究，2020（4）：88-89.

[4]陳尚軍.虛擬現實技術在環境藝術設計中的應用研究[J].百科論壇電子雜志，2019（22）：110.

作者單位：

佳木斯大學美術學院