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

[摘 要] 伴随计算机技术的进展，虚拟仿真教学成为建筑教育领域的一个重要的探讨课题，通过建立虚拟现实实验仿真系统可以有效解决目前建筑专业教育中实验教学手段陈旧、效果不佳的理由。但作为一种集合了立体显示技术、分布式计算、多感官人机交互、仿真、面向对象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带来了新的困难。文章分别以软硬件的角度结合实例讨论了虚拟现实实验平台的设计。
[关键词] 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，主要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”，人们可以用立体显示设备、传感器等交互设备构造出一种计算机软硬件环境，通过肢体动作向计算机发送各种命令，并得到计算机在视觉、听觉及触觉等多种感官信息上的反馈，它是一种可以高逼真度地模拟人在自然环境中视、听、触等行为的人机界面技术。虚拟现实技术作为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、网络技术以及高度并行实时计算技术等众多学科的交叉技术，目前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，虚拟现实技术作为一种独特的技术手段，有效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大体可分为三种，即技能型、观念型和素质型。而虚拟现实技术带来的全新的设计表达方式，可以转变初中数学教学论文我们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我们在建筑与城市规划设计过程中的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重要作用。
虚拟现实技术作为一种技术手段，可以以建筑与城市规划设计的不同方面辅助设计者的构思。而建筑与城市规划设计过程本身就是理性思维和感性思维相结合的过程，虚拟现实技术的运用对这两方面都有推动初中语文教学论文作用：一方面是它减少设计中二维、三维思维转换的限制，以而有利于设计者创造性思维的充分发挥，使设计者不再仅受制于图纸、模型等，还能利用建筑物的真实性和临场感为设计者的创造性思维提供启迪，挖掘灵感；另一方面辅助理性思维，它让设计者沉浸式地进入未来的建筑物中，可以帮助设计师浅析、综合其设计构思是否科学合理，设计理念是否有规可循，设计作品是否符合用户的需求。

二、建筑与城市虚拟实验

平台系统的需求浅析

(一)总体需求

建筑学是一门实践性学科，设计者的设计意图最终将通过建筑物的建成来体现，而一座能够称之为艺术品的建筑，是在设计者头脑中经历若干失败的构想后完成的，因此建筑学也是一门经验性学科。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以及学生的设计思想过程一直是一个较为复杂的过程，传统的做法是使用实物展示来加深对抽象概念的理解，如模型。模型虽能较好地体现建筑物的外观及结构，但作为建筑的使用者——“人”来说，却无法在其中亲身体验。快速构建一个实际无法到达的、而学生可以亲身体验的环境，以而观测到现实中也无法实现的现象在教学中就显得尤为重要，特别是在培养技能型、操作型复合人才为主要教学目的的建筑与城市规划设计教学中将成为一个主流方向。[3]
虚拟实验平台以对自然环境的仿真以及实验人员同仿真环境的交互为基础，模拟真实的建筑场景甚至是建筑材料物性特点等来实现建筑学科中认知以及革新性的实验。因此，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各种对象，特别是能够对自然界的一些常见物理环境进行较为完善的仿真，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，虚拟实验平台将主要实现以下功能：
1． 展示三维空间、物体
在建筑与城市规划设计教学中需要展示的三维空间（物体）指的是在现实世界里有着着的空间或是按照自然界的客观规律可以合理有着的空间。使用虚拟现实技术来构建因受到各种条件局限学生无法进入的空间，使学生在视觉、听觉甚至触觉上达到身临其境的真实感受，将大大增强他们对空间的概念及知识点的理解，克服了一些学生空间想象力不丰富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
采用虚拟现实技术，特别是沉浸式的虚拟现实技术，使学生进入到虚拟的场景中，让他们自己主动去游历这个场景，去感受一个优秀城市、建筑、景观所能够给观赏者带来的感受。这样能够使学生对于建筑物的体量、色彩、光影，以及建筑相互间的陪衬、比较、位置的相对性、外观以及空间的相对性和深度排列等这些知识去细细体味，较好地实现对于“隔景”、“分景”、“借景”等以往在课堂中难以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，用于实现普通学校在现有条件下，根本无法完成的实验。主要分为以下几个方面：
自主体验设计结果，学生通过在虚拟实验平台“建立场景→虚拟体验→完善设计”这个流程来最终体验、完善自己的设计。
通过引入物理参数对建筑（及构件）进行浅析实验，如全年采光实验、高层建筑的玻璃幕墙防护冲击波、维护结构的热流传导等实验。这些实验由于在空间、时间、成本上代价太高或是具有一定的危险以及其探讨对象无法观测（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，借助虚拟实验平台可以对于一些施工现场的工艺过程进行再现，使学生对于建筑结构以及施工环节的知识能够掌握得更好，如了解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就是模拟现实世界，而我们感受现实世界的主要途径就是通过视觉、听觉、触觉。因此，最大限度地使实验者能够在视觉、听觉、触觉上再现现实世界就是虚拟实验平台的性能需求，实验平台的具体实现分为硬件及软件系统。[5]
在硬件方面，实现三维立体视觉以展现三维的现实世界是虚拟实验平台的基本功能，目前实现三维立体视觉的手段主要分主动和被动，主动式系统由于其资金投入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采用被动式立体视觉。在视觉要素中，人双眼不动的水平视角为180度，但双眼共同视看范围为120度，实际的全景显示产生水平为±100度，垂直±30度视场，即可有很强的沉浸感。[6]故三维立体视觉多采用满足120度水平视角的设计，要求较高的可以采用180度水平视角的系统。为了再现自然环境，需要三维立系统统具有较高的表观亮度，由于虚拟实验平台教学系统为实验室，为使学生能够在实验室中进行各种操作，实验室照度E最小应为10Lux，若实验室墙面采用深色处理反射比ρ为0.3，则环境亮度（即墙面亮度）L=ρE/π，为0.96cd/m2，根据亮度感觉曲线，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]人眼能够分辨256级以上的灰度，故三维立体视觉系统的比较度应达到500∶1以上。为能够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，在听觉方面，系统应能实现5.1声道环绕声以及达到高保真音响系统的标准；最后作为虚拟现实的交互环节，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。在软件方面，虚拟实验平台应能够完成虚拟场景的制作、播放、漫游、互动、光影、烟雾等特效以及物理参数的模拟。在建筑与城市规划设计教学中，特别强调虚拟场景的制作，场景必须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，丰富的色彩和足够的细节展现。如果虚拟场景的制作过程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，甚至使实验无法完成，因此软件系统应具有较好的可操作性，易学易用，特别是应针对建筑与城市规划设计领域能够有专用的组件、模块如“光照浅析”，以实现特定的实验目的。

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显示，由于目前高分辨率的大幅面影像显示只能采用投影的形式，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实现。此外，出于增强立体感、减小观看时变形以及节省空间的考虑，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
其中，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，由融合机进行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分别送到六台投影机，其中左眼图像和右眼图像通过在投影机上安装偏振镜头的策略教学论文分别被水平及垂直极化后投射到柱面环幕。实验人员通过佩戴相应的偏振眼镜来再现左右眼不同的图像，实现立体视觉。

(二)功能结构设计

虚拟实验平台教学实验的各项功能主要由软件来实现，根据不同实验项目的要求，软件主要将实现以下功能：

1. 制作虚拟场景，如建筑构件、单体、组团；

2. 播放虚拟场景并提供用户交互，如各种漫游、虚拟构件装配；

3. 在虚拟场景中进行各种浅析、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。
根据调研，目前尚无一个软件包能实现上述全部功能，大多数软件只是在场景制作、播放上功能较强，个别软件也能进行简单的建筑参数浅析。就拿目前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相关产品-Digicity和CityMaker来说，也仅限于包括场景制作，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。虽然这些功能在一定程度上能够满足基础设计类课程的实验教学需要（图2即为软件展现的不同风格的建筑单体案例比较，可以看出，这种直观的教学对于学生掌握设计思想以及实践设计案例有很大帮助）。
图2 规划软件中建筑单体案例比较
但如要开展基础类设计课程以外的虚拟实验，如材料破坏性能、建筑热流浅析，就没有现成的软件平台可以使用。目前较为通行的策略教学论文是在虚拟物理模拟系统的SDK平台上进行二次开发，也可采用通用的3D引擎如Virtools、Quest3D、Unity3D等，甚至可以使用开源的3D引擎。以上三种方式的不同在于他们依次有着更大的编程开发工作量，当然，也就依次有着更小的软件费用投入。
编程的工作量大意味着开发者拥有更大的自由度，所以可以依据投入情况以及实验人员的专业构成来决定采用什么样的系统。

(三)软件平台组建实例

综合考虑上述因素，我们采用了-Digicity+Unity3D的方式来构成虚拟现实的软件平台，由-Digicity来进行建筑场景的建模和常见的各种浅析实验，使用Unity3D来开发一些专业课程的实验。
-Digicity作为一种成熟的虚拟现实平台具有较好的易用性。它能够使用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建立需要的建筑、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，以而实现建筑规划数据和三维空间形象的一致性。在该软件包中可以对项目、案例、图层和规划元素进行集中管理和展示，如动态调整三维场景中的建筑物高度、楼层分层数和建筑高度；对建筑、道路、公共设施、绿化等案例进行双屏或多屏比较；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本身包含立体投影软件模块以及人机交互软件模块，因此以该软件包配合硬件系统即可较为方便地实现建筑、规划类课程的实验。
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图3建筑物受撞击坍塌模拟实验视频截图
作为基础类设计课程以外的课程，如“结构力学”，如果对其教学内容进行仿真模拟实验，就无针对的软件，而Unity3D具有高效的实时渲染引擎，且集成了PhysX物理引擎，并可结合Visual Studio 2008使用C#进行脚本编程，可对虚拟空间中的物体进行较为细腻的制约小学语文教学论文，因此可以在此平台上自由灵活地开发出课程需要的实验项目。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，环境的构建步骤如下：
首先由3Dmax建立建筑物的模型，该模型应是符合Unity3D制作规范并包括以下信息：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后再作一些必要的调整如设置材质灯光等。
其次设置对象脚本，Unity3D依据对象的名称可以使用C#脚本语言对场景中对象进行制约小学语文教学论文，在该实验中主要为撞击球的速度、方位、数量以及人机交互部分即能够让实验人员对撞击球进行交互制约小学语文教学论文。
然后为PhysX物理引擎设置，依据现实自然界的定律，应设置重力加速度、各种作用力、碰撞规则等，此外场景中各种模型根据其在现实中对应的材料不同，也应具有不同的物理属性，如当物体的材质都很软的时候，在现实中就会发现当发生碰撞的时候物体之间就会相互嵌入一部分，因此必须对场景中的所有物体创建材质。创建的材质定义了碰撞和物体材料的物理属性，比如质量、反弹系数、约束、静摩擦力、滑动摩擦力；此外还应设置运动属性，包括速度、惯性、加速度、角速度，以最大限度地模拟真实环境。
最后使用Unity3D中UnitygetReal3D插件配合硬件系统实现立体影像以及实验交互，逼真地展现场景中的虚拟过程。
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带来了一个崭新的技术手段，让学生全方位地体验了建筑学以材料到艺术、以形状到空间、以静态到动态的全过程。如上述的建筑坍塌实验，过去在普通条件下不可能实现，现在可以在虚拟现实实验平台上得以展现。可以预见，这种方式在今后实际教学中将取得良好的效果。
[参考文献]
侯佳君，齐志才，等.虚拟现实技术在建筑领域中的运用[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中的运用[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中的运用[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:中国建筑工业出版社，2000.
[8] 饶金通,张燕来，等.基于建筑设计教学过程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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