虚拟现实技术在建筑设计中的应用与实现

虚拟现实技术在建筑设计中的应用与实现内容摘要：

irtual touring routine set up— Set up render options—AV output— Postproduction — Posteffects editing— Fine cut output— Examine and revise— Finalize a manuscript/ CD burning—Project pletion. The end of the article analyzed the contradiction and problems exist in realizing the VR. It also probes into the development of VR in Designing. Finally summarize the deficiencies of this thesis. Key Words: Virtual Reality Technology。 Touring Quickly in Virtual Building。 Architectural Design。 Interior Design 山东大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 选题缘由和研究意义 “ 虚拟现实 ” 是 当今流行并广受欢迎的一种综合性的计算机技术。 它是用通过计算机模拟的三维环境对现场真实环境进行仿真，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户可以在不到达现场或者在根本还不存在的环境中进行游历和感受其临其境的体验 [2]。 如今， 虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段 之一。 用它来设计的方案用虚拟现实技术表现出来，便可把 客户 带入未来的建筑 空间 里参观，如 空间布局 、窗户朝向、 材质效果 、屋内装饰等，都可以 感同身受。 它 同样可用于旅游景点 的虚拟漫游。 因为虚拟现实技术展现的 效果 ，比单用文字或 二维图片 更加有吸引力 ，所以深受大众的认可。 可以预见，虚拟现实技术 在不久的将来， 将会影响 甚至 改变我们的观念与习惯，并将深入到人们日常 的 工作与生活 中。 本项目是我们设计工作室受 烟台新潮房地产开发有限公司 的委托，为其在位于烟台高新区开发的新潮慢城宁海低密度居住小区，设计一所符合小区风格的售楼展示中心。 由于售楼展示中心的设计效果直接关系到慢城宁海住宅小区的销售业绩，所以整个项目我们决定采用虚拟技术进行演绎。 首先通过卫星数据和实地的测量得到了设计改 造所需要的基本数据，然后通过计算机技术对其进行了虚拟现实，把最终的虚拟设计效果给新潮地产进行了演示，使新潮地产有了直观的方案理解，这样有利于专业设计师与非专业人员的沟通，避免了后期施工中的反复工作。 通过反复的修改和沟通最终敲定了最佳的设计方案结果，并在后期的施工中能有所参照，在项目竣工后能有所比较。 国内外研究现状 虚拟现实技术最早发源于美国，美国的虚拟现实技术基本上代表着国际虚拟现实技术的研究水平。 虚拟现实技术在美国最早被军方应用于对飞行驾驶员与宇航员的飞行模拟训练，试图通过仿真技术来减少飞行伤 害。 山东大学硕士学位论文 2 在亚洲，日本的虚拟现实技术的研究处于领先的位置，主要研究对象是虚拟现实游戏和大规模的虚拟现实知识库的研究。 其中东京的广濑研究室的重点研究对象是虚拟现实技术的可视化研究，并开发了一种虚拟全息系统，其中就包括了人在建筑群体中的漫游。 我国的虚拟现实技术起步较晚，始于 20 世纪 90 年代初，在技术上较于其它国家来说还有一定的差距，但是也取得了一定的成果。 清华大学国家光盘研究中心制作出了“布达拉宫”，实现了 VR 的大全景；武汉大学建成的虚拟现实实验室，成功研制出了多项数码三维模拟系统，成为国内一流的虚拟地理环境教 学与研究机构；哈尔滨工业大学计算机学院成功模拟出了人在高级行为中特定人脸图像的合成、唇动的合成和表情的合成技术问题，并且正在研究人说话时的手势和头部动作、语调和语音的同步进行等问题。 2020 年 9 月 8 号在人民大会堂公映的科学教育电影厂、 中央电视台 、 东方天健数字影像制作中心 联合 制作的大型传奇史诗影片《圆明园》，通过虚拟现实技术真实的再现了举世闻名的“万园之园”。 《 圆明园》 是 我国第一次大规模的使用三维仿真动画技术，影片中累计运用 长 达 30 分多钟，第一次创造了将实景和三维动画相合成的艺术氛围。 影片中运用虚拟人类视 觉的仿真，来制作的“大水法”和“海晏堂”等场景、建筑的虚拟修复，使得观看者有身临其境的感受，并对中国的历史、文化以及民族建筑的了解更加深刻。 真实再现的建筑场景使当代人在可能的时空看到了不可能存在的空间，这不得不说是为人类遗留的一笔精神财富。 课题研究方法以及研究意义 本课题的研究方法分为 3个部分： 1．阅读相关的理论著作以及相关的参考文献，充实自身的理论知识；关注本课题国内外的发展动向。 ，通过设计理论在实际项目设计中的运用，来解决项目中的问题。 制作，来进一步验证和探索虚拟漫游技术在设计中的一些技术问题解决。 山东大学硕士学位论文 3 通过对本课题的研究，验证了前期项目分析和设计过程的严谨，对后期漫游技术的制作效果具有关键性的作用。 再好的漫游技术操作没有良好的设计，最终也会影响建筑漫游效果。 虚拟现实技术在建筑设计中的应用与实现必须将技术与设计进行很好的结合。 本课题的经验对未来的项目研究起到了很好的借鉴。 山东大学硕士学位论文 4 第 2 章 计算机虚拟现实技术 现实虚拟技术已经由最初的产生、探索到如今的高速发展时期；由最初的军事、学术研究到如今的 民用领域的应用。 虚拟现实技术在民用领域中运用最为广泛的就是虚拟现实展现的作用，虚拟现实技术与多媒体技术的结合在设计领域的多个专业中发挥着重要作用并得到了广泛的应用。 虚拟现实技术概念及发展 虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术来源于英文的“ Virtual Reality”一词，又称为“虚拟环境”、“灵境技术”、“赛伯空间”等。 它综合利用了 计算机图形学 、 仿真技术 、多媒体技术 、 人工智能 技术、计算机网络技术、 并行处理技术 和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。 使用者不仅能够通过 虚拟现实系统 感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感 受到真实世界中无法亲身经历的体验 [3]。 虚拟现实的应用 虚拟现实在我们生活中的应用是十分广泛的。 以前，那些高性能的图形图像处理装置以及其他多种装备，都只使用在军事、医疗等特定领域里，而随着互联网和网络的发展，正转向以普通人为主的大众领域。 扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。 它的意思是指在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辨、亦幻亦真的感觉[4]。 山东大学硕士学位论文 5 虚拟现实技术产生的虚拟世界是由计算机产生的并存在于计算机内部的虚拟世界，一般分为两种情况：一种是完全虚拟的世界， 在现实中不存在的，例如三维动画中产生的人造世界；另一种是仿造真实世界存在的，可以是曾经存在而被摧毁建筑的数字复原，也可以是设计完成还未付诸施工的建筑再现。 虚拟现实技术特点及分类 虚拟现实技术的特点 美国科学家 Burdea Philippe Coiffet 在 1993 年世界电子年会上发表了一篇题为“虚拟显示系统与应用”的文章，在该文中提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它表示出虚拟现实技术具有虚 3个突出特征：沉浸性、交互性和想象性 [4]。 1) 强烈的“身临其境”沉浸感 (Immersion)即投入感，使参与者在三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉。 2) 友好亲切的人机交互性 (Interactivity) 主要是指参与者通过设备，使人与虚拟世界之间使用自然的方式进行交互。 3) 发人想象的想象性 (Imagination) 是指最大限度发挥人类的创造性和想象力。 制作虚拟现实作品的同时也是反映设计师思想的同时，比呆板的二维图像具有更好的效果。 虚拟现实系统的分类 近 10 年来，随着计算机技术、网络技术、人工智能等新技术的 高速发展及应用，虚拟现实技术也发展迅速，并呈现多样化的发展趋势，其内涵也已经大大扩展。 虚拟现实技术不仅指那些采用高档可视化工作站、高档头盔式显示器等一系列昂贵设备的技术，而且包括一切与其有关的具有自然交互、逼真体验的技术与方法。 虚拟现实技术的目的在于达到真实的体验和基于自然的交互，而一般的单位或个人不可能承受昂贵的硬件设备及相应软件的价格，因此我们说只要是能达到上述部分目的的系统就可以称为虚拟现实系统。 [5] 山东大学硕士学位论文 6 在实际使用中，按照功能的高低虚拟现实系统可分为 4 种典型的类型： 一是桌面 虚拟现实 系统 ,也称窗口中的 VR。 利用个人计算机就可以实现 ,通过键盘、鼠标等输入设备就可以对虚拟世界进行操作，其成本低 ,功能简单 ,主要用于 CAD、设计、游戏等领域。 二是沉浸虚拟现实系统 ,需要在一个封闭的空间内 ,把参与者的视觉、听觉等都进行暂时性的封闭，然后通过跟踪器等输入设备，使人有身临其境、完全参与的感觉。 三是分布式虚拟现实系统 ,就是把现实虚拟技术与网络技术相结合，把分布于不同地方的多个用户 ,通过因特网连接起来 ,使多个用户共同参 与到一个虚拟空间中，共同实现某种用途。 四是增强式虚拟现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统 ,可对实际物体进行操作并且也减少了构成真实环境的开销 ,例如室内设计中，可以在橱柜上增加不同的装饰材料，不断地改变颜色、形状，选择确定最终的效果，达到增强现实的目的。 应用于建筑设计中的虚拟漫游 目前的计算机图形艺术设计的创作方式与应用领域已经大大的拓展了，就作品形式而言，由二维、三维和四维图形图像以及与音频等要素组成的，再现现实或虚拟现实的视听图形和图像艺术设计。 [5]虚拟漫游技术是虚拟现实（ VR）技术的重要分支，在建筑、旅游、游戏等行业发展很快。 虚拟现实 就建筑视觉模 拟的可行性而言，应用领域可包括 : 城市景观模拟、小区景观模拟、建筑设计模拟、室内设计模拟、 历史性建筑模拟等。 在建筑环境展示方面，近年来三维效果图及三维动画己普遍应用。 然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验。 而使用虚拟现实展示手段进行建筑环境信息的展示，可以让人以自由的角度去审视或欣赏其建筑的外观信息及其平面布局特点，它所具有的展示特性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。 而且在建筑环境还没有完工的时候，也可以就让消费者感受到真实的效果 ，极大地扩展了展示空间，也为销售方带来了展示促 销的新手段 [7] 建筑设计以及室内设计在设计时既要考虑空间组织、空间形态，又要充分的山东大学硕士学位论文 7 考虑到人的因素，以参观者的视觉感受为宗旨，这是一整套的设计过程，从前期的沟通、设计到后期的施工等，从时间到费用，都不允许这个过程的从头再来，如何能保证项目的顺利进行并且最终取得设计师和客户都能满意的效果，是首要考虑的问题，虚拟现实的漫游技术恰恰能够很好的解决这个问题。 虚拟现实技术能够最大程度的创造和实现项目的最终效果。 所以虚拟现实的漫游技术在建筑设计中受到设计师和客户的欢迎。 设 计是设计师的设计思维不断伸展的过程，如何能够与客户进行良好的沟通并能够让客户充分理解设计师的设计作品是设计的一个重要的问题。 由于人思维的差异性以及理解能力的差异性，以往的专业平面图、立面图、施工图以及二维的效果图都不能更好的体现设计师的想法，经常会有因为沟通理解的问题，造成设计的反复，施工的浪费，时间的拖延的现象，增加了设计师的工作量也增加了客户的投资费用，虚拟漫游技术能够更直观的体现项目的最终效果，因此虚拟漫游技术在建筑设计中的应用是将来设计行业发展的一个必然趋势。 虚拟建筑漫游技术 可以分为很多 种方式 ，比如：按 照 漫游对象 — 建筑物或建筑环境的 是否存在 来分；按 照 漫游系统的 制作 技术来分；按 照 漫游系统的应用行业和目的来分等等。 下面简单的介绍一下国内现在的 真实建 筑 的虚拟漫游 和虚拟建筑场景的虚拟漫游。 真实建筑场景的虚拟漫游 这种虚拟漫游的最大特点是：被漫游的对象是已经客观真实存在着的，漫游对象制作是基于对象的真实数据。 主要应用于真实名胜景观的虚拟观光 旅游。 这种 虚拟漫游可以使游客足不出户地游历 世界 各地名胜和风光。 我国在名胜景点虚拟漫游系统的开发制作方面，有许多的代表作，例如：《紫禁城 *天子的宫殿》以及西湖风光虚拟游览系统。 其中 2020年完成的故宫 VR《紫禁城天子的宫殿》项目，参观者可以利用操控器在紫禁城中进行漫游，可以近距离地观看太和殿的全景。 山东大学硕士学位论文 8。