建筑实验虚拟现实,基于VR建筑与城市虚拟实验平台设计探讨写作

[摘 要] 伴随计算机技术的进展，虚拟仿真教学建筑教育领域的的探讨课题，建立虚拟现实实验仿真系统解决建筑专业教育中实验教学手段陈旧、效果不佳的理由。但集合了立体技术、分布式计算、多感官人机交互、仿真、面向的编程等新技术的教学实验平台如何构建，也给以事建筑专业实验教学的教师了新的困难。文章以软硬件的角度实例讨论了虚拟现实实验平台的设计。
[词] 虚拟现实；实验平台设计；建筑与城市规划
[中图分类号] G434[文献标识码] A
[作者介绍] 李丽（1969—），女，河南开封人。副教授，硕士生导师，以事建筑设计及论述探讨。E-mail：lylylee@16

3.com。

一、引 言
虚拟现实技术（Virtual Reality）又称为“灵境技术”，用立体设备、传感器等交互设备构造出计算机软硬件环境，肢体动作向计算机发送命令，并计算机在视觉、听觉及触觉等多种感官信息上的反馈，它是高逼真度地模拟人在自然环境中视、听、触等的人机界面技术。虚拟现实技术一门涉及计算机图形学、计算机仿真技术、人工智能、人机接口技术、多媒体技术、图像处理与方式识别、传感技术、网络技术并行实时计算技术等众多学科的交叉技术，已广泛运用于工程设计、城镇规划、科学计算、可视化、教育、电子商务、医学、军事、艺术与娱乐等诸多领域。在建筑设计领域，虚拟现实技术独特的技术手段，地解决了人类抽象思维与所产生的实体之间的联系理由。
当代建筑教育的培养方式可分为三种，即技能型、观念型和素质型。而虚拟现实技术的全新的设计表达方式，转变初中数学教学论文在设计中对空间的认识和对建筑程序化的理解，它也将转变初中数学教学论文在建筑与城市规划设计思维习惯和思维方式，对培养设计师的建筑技能、建筑观念和建筑设计的素质与能力都有作用。
虚拟现实技术技术手段，以建筑与城市规划设计的不同辅助设计者的构思。而建筑与城市规划设计本身理性思维和感性思维相的，虚拟现实技术的运用对这两都有推动初中语文教学论文作用：一是它减少设计中二维、三维思维转换的限制，以而于设计者创造性思维的发挥，使设计者仅受制于图纸、模型等，还能建筑物的真实性和临场感为设计者的创造性思维启迪，挖掘灵感；另一辅助理性思维，它让设计者沉浸式地未来的建筑物中，设计师浅析、综合其设计构思科学，设计理念有规可循，设计作品用户的需求。

二、建筑与城市虚拟实验

平台系统的需求浅析
（一）需求
建筑学是一门实践性学科，设计者的设计意图将建筑物的建成来，而一座称之为艺术品的建筑，是在设计者头脑中若干失败的构想后完成的，建筑学一门经验性学科。建筑与城市规划设计教学活动中对于如何展示教师的设计意图学生的设计思想是较为复杂的，传统的做法是使用实物展示来加深对抽象的理解，如模型。模型虽能较好地体现建筑物的外观及结构，但建筑的使用者——“人”来说，却在亲身体验。构建实际到达的、而学生亲身体验的环境，以而观测到现实中也的现象在教学中就显得尤为，是在培养技能型、操作型复合人才为教学目的的建筑与城市规划设计教学中将主流方向。[3]
虚拟实验平台以对自然环境的仿真实验人员同仿真环境的交互为，模拟真实的建筑场景是建筑物性特点等来建筑学科中认知革新性的实验。，要求该平台在硬件上应具有同实验人员在视觉、听觉、触觉等层面交互的功能，并且能达到较好的真实性及沉浸感；在软件上应具有开放的数据接口，以方便使用者构建虚拟场景，制约小学语文教学论文场景中，是对自然界的常见物理环境较为完善的仿真，如光照、气象、重力、速度等。

(二)功能需求

对于建筑与城市规划设计教学，虚拟实验平台将功能：
1． 展示三维空间、物体
在建筑与城市规划设计教学中展示的三维空间（物体）指的是在现实世界里有着着的空间或是自然界的客观规律有着的空间。使用虚拟现实技术来构建因受到条件局限学生的空间，使学生在视觉、听觉触觉上达到身临其境的真实感受，将大大增强对空间的及知识点的理解，克服了学生空间想象力不或是对教师描述的空间有不同的理解的教学困难。
2． 虚拟场景的构造
虚拟现实技术，是沉浸式的虚拟现实技术，使学生到虚拟的场景中，让去游历场景，去感受优秀城市、建筑、景观所给观赏者的感受。这样使学生对于建筑物的体量、色彩、光影，建筑间的陪衬、比较、位置的相对性、外观空间的相对性和深度排列等这些知识去细细体味，较好地对于“隔景”、“分景”、“借景”等以往在课堂中表述的设计理念的教学。
3． 开展虚拟实验
虚拟实验是对虚拟实验平台在建筑与城市规划设计教学实践手段中最具有革命性的技术，用于普通学校在现有条件下，根本完成的实验。分为：
自验设计结果，学生在虚拟实验平台“建立场景→虚拟体验→完善设计”流程来体验、完善的设计。
引入物理参数对建筑（及构件）浅析实验，如全年采光实验、高层建筑的玻璃幕墙防护波、维护结构的热流传导等实验。这些实验在空间、时间、成本上代价太高或是具有的危险其探讨观测（如热流）等理由在以往教学中有着限制。[4]
虚拟安装、装配实验，虚拟实验平台对于施工现场的工艺再现，使学生对于建筑结构施工的知识掌握得更好，如古建筑的营造或是网架、钢构的构造、施工。
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(三)性能需求浅析

虚拟实验平台的功能模拟现实世界，而感受现实世界的途径视觉、听觉、触觉。，最大限度地使实验者在视觉、听觉、触觉上再现现实世界虚拟实验平台的性能需求，实验平台的分为硬件及软件系统。[5]
在硬件，三维立体视觉以展现三维的现实世界是虚拟实验平台的功能，三维立体视觉的手段分和被动，式系统其资金将随实验人数的增加而大幅增加，所以在人数较多的场合宜被动式立体视觉。在视觉要素中，人双眼不动的视角为180度，但双眼视看范围为120度，实际的全景产生为±100度，垂直±30度视场，即可有很强的沉浸感。[6]故三维立体视觉多120度视角的设计，要求较高的180度视角的系统。为了再现自然环境，三维立系统统具有较高的表观亮度，虚拟实验平台教学系统为实验室，为使学生在实验室中操作，实验室照度E最小应为10Lux，若实验室墙面深色处理反射比ρ为0.3，则环境亮度（即墙面亮度）L=ρE/π，为0.96cd/m2，亮度感觉曲线，三维立体视觉系统的亮度应达到200cd/m2才能达到满意的表观亮度；[7]人眼分辨256级的灰度，故三维立体视觉系统的比较度应达到500∶1。为流畅地展示运动的场景，系统的计算速度应达到普通摄像机的帧率，即30pfs，在听觉，系统应能5.1声道环绕声达到高保真音响系统的标准；虚拟现实的交互，系统应具有沉浸式交互设备用于实验参与者与虚拟系统互动。在软件，虚拟实验平台应完成虚拟场景的制作、播放、漫游、互动、光影、烟雾等特效物理参数的模拟。在建筑与城市规划设计教学中，强调虚拟场景的制作，场景真实才能达到较高的临场感，这就要求系统具有较高的实时渲染分辨率，的色彩和的细节展现。虚拟场景的制作过于复杂繁琐使实验者把时间和精力大量耗费于制作，则削弱了对设计构思的体验，使实验完成，软件系统应具有较好的可操作性，易学易用，是应建筑与城市规划设计领域有专用的组件、模块如“光照浅析”，以特定的实验目的。

三、基于V R的系统架构与功能结构设计

(一)系统的架构设计

虚拟实验平台由硬件系统和软件系统构成，硬件系统核心为三维立体，高分辨率的大幅面影像只能投影的形式，故虚拟实验平台的三维立体视觉使用多通道被动立体投影来。，出于增强立体感、减小观看时变形节省空间的考虑，投影幕为弧形柱面系统。系统硬件的组成结构如图1所示。
图1 虚拟实验平台硬件系统图
，计算集群由多台高性能图形工作站组成，完成虚拟场景的实时渲染处理、声像输出、用户交互等功能，集群计算完成的图像信息输出到融合机，由融合机曲面校正和边缘融合处理后的左右眼图像数据分为三个通道送到六台投影机，左眼图像和右眼图像在投影机上安装偏振镜头的策略教学论文被及垂直极化后投射到柱面环幕。实验人员佩戴相应的偏振眼镜来再现左右眼不同的图像，立体视觉。

(二)功能结构设计

虚拟实验平台教学实验的各项功能由软件来，不同实验项目的要求，软件将功能：

1. 制作虚拟场景，如建筑构件、单体、组团；

2. 播放虚拟场景并用户交互，如漫游、虚拟构件装配；

3. 在虚拟场景中浅析、测试，如日照参数浅析、通视浅析、天际线浅析、控高浅析、采光性能测试。
调研，尚无软件包能上述全部功能，数软件在场景制作、播放上功能较强，个别软件也能简单的建筑参数浅析。就拿国内技术领先的中视典公司和伟景行数字城市科技有限公司的产品-Digicity和CityMaker来说，也仅限于场景制作，建筑、规划案例数据库管理，建筑、规划案例比较，建筑、规划案例实时交互调整等在内的规划案例浅析等功能。这些功能在上设计类课程的实验教学（图2即为软件展现的不同风格的建筑单体案例比较，，直观的教学对于学生掌握设计思想实践设计案例有很大）。
图2 规划软件中建筑单体案例比较
但如要开展类设计课程以外的虚拟实验，如破坏性能、建筑热流浅析，就现成的软件平台使用。较为通行的策略教学论文是在虚拟物理模拟系统的SDK平台上二次开发，也可通用的3D引擎如Virtools、Quest3D、Unity3D等，使用开源的3D引擎。三种方式的不同依次更大的编程开发工作量，当然，也就依次更小的软件费用。
编程的工作量大意味着开发者拥有更大的自由度，所以情况实验人员的专业构成来决定样的系统。

(三)软件平台组建实例

综合考虑上述因素，了-Digicity+Unity3D的方式来构成虚拟现实的软件平台，由-Digicity来建筑场景的建模和常见的浅析实验，使用Unity3D来开发专业课程的实验。
-Digicity成熟的虚拟现实平台具有较好的易用性。它使用3DMax的模型来构建场景，而3DMax又是在建筑体现领域中使用最为广泛的软件，[8]使用3DMax建立的建筑、景观模型后将其导入-Digicity，由-Digicity建立场景物体和各项规划指标数据之间的联系，以而建筑规划数据和三维空间的一致性。在该软件包中对项目、案例、图层和规划元素管理和展示，如动态调整三维场景建筑物、楼层分层数和建筑；对建筑、道路、公共设施、绿化等案例双屏或多屏比较；选择城市、日期、时间，演示单体或多个建筑物的阴影变化等功能。-Digicity本身立体投影软件模块人机交互软件模块，以该软件包配合硬件系统即可较为方便地建筑、规划类课程的实验。
2[3]

图3建筑物受撞击坍塌模拟实验视频截图
类设计课程以外的课程，如“结构力学”，对其教学内容仿真模拟实验，就无的软件，而Unity3D具有高效的实时渲染引擎，且集成了PhysX物理引擎，并可Visual Studio 2008使用C#脚本编程，可对虚拟空间物体较为细腻的制约小学语文教学论文，平台上自由灵活地开发出课程的实验项目。图3即为在该系统下虚拟仿真的建筑物受撞击后坍塌的交互实验视频截图。以该实验为例，环境的构建如下：
由3Dmax建立建筑物的模型，该模型应是Unity3D制作规范并信息：场景尺寸、单位，模型归类塌陷、命名、节点编辑，纹理、坐标、纹理尺寸、纹理格式、材质球等，完成后将模型导入Unity3D后再作必要的调整如设置材质灯光等。
设置脚本，Unity3D的名称使用C#脚本语言对场景中制约小学语文教学论文，在该实验中为撞击球的速度、方位、数量人机交互即让实验人员对撞击球交互制约小学语文教学论文。
然后为PhysX物理引擎设置，现实自然界的定律，应设置重力加速度、作用力、碰撞规则等，场景中模型其在现实中对应的不同，也应具有不同的物理属性，如当物体的材质都很软的时候，在现实中就会当发生碰撞的时候物体之间就会嵌入一，对场景物体创建材质。创建的材质定义了碰撞和物体的物理属性，比如质量、反弹系数、约束、静摩擦力、滑动摩擦力；还应设置运动属性，速度、惯性、加速度、角速度，以最大限度地模拟真实环境。
使用Unity3D中UnitygetReal3D插件配合硬件系统立体影像实验交互，逼真地展现场景虚拟。
四、结语
虚拟现实实验平台的建立，给建筑学实验课程的开设了崭新的技术手段，让学生全方位地体验了建筑学以到艺术、以形状到空间、以静态到动态的全。如上述的建筑坍塌实验，过去在普通条件下能，现在在虚拟现实实验平台上得以展现。预见，方式在今后实际教学中将良好的效果。
[文献]
侯佳君，齐志才，等.虚拟现实技术在建筑领域运用[J].吉林建筑工程学院学报，2010，（6）：73~75.
刘祥. 虚拟现实技术辅助建筑设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[3] 罗小华.虚拟现实技术运用于建筑设计类课程教学探讨[J].高等建筑教育，2009，（6）：146~149.
[4] 林琳.虚拟现实技术在建筑设计教学系统运用[J].电大理工，2008，（1）：20~22.
[5] 朱宁克,邹越.虚拟现实技术在建筑设计运用[J].北京建筑工程学院学报，2008，（3）：34~38.
[6] 刘光然.虚拟现实技术［M］.北京:清华大学出版社，2011.
[7] 柳孝图.建筑物理[M].北京:建筑工业出版社，2000.
[8] 饶金通,张燕来，等.基于建筑设计教学的数字化教学系统探讨[J].土木建筑工程信息技术，2010，（1）：95~98.
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