計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀重現(xiàn)中的研究與應(yīng)用(改)

1、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀重現(xiàn)中的研究與應(yīng)用 作者：謝京鵬 摘要:本論文首先從計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的概念出發(fā)，主要探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的的三個主要特征和其復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成要素，還介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀中的關(guān)鍵性技術(shù)手段，并且分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)于建筑景觀應(yīng)用的好處，所謂的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)( Virtual Reality Technology 簡稱VR技術(shù) )即是通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)實事物做出模擬和研究。作為數(shù)字城市的支撐技術(shù)之一的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對建筑景觀重現(xiàn)具有極為重要的意義。它具有安全、低成本、幾乎不受環(huán)境條件的約束、隨時可按意愿改變時間或是比例尺等實際優(yōu)點，就目前的建筑

2、景觀設(shè)計中已成為集設(shè)計、運行、分析、評估系統(tǒng)為一體的常用工具。并以廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院規(guī)劃設(shè)計的珠江新城虛擬系統(tǒng)為例，集中探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建筑景觀的具體實施，最后對該項目虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行客觀性的評價，即提出了關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用劣勢。關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù)；建筑景觀；虛擬環(huán)境；研究和運用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早起源于二十世紀(jì)末的美國，它是一種綜合性很強的信息技術(shù)。主要是通過計算機(jī)來模擬計算真實的現(xiàn)場施工環(huán)境，通過逼真的視聽觸三位一體的感受來表現(xiàn)特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶可以在完全根本還不存在的環(huán)境中體驗游歷過程，使人可以產(chǎn)生身臨其境的感受。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于自上個世紀(jì)80年代的美國，

3、在這期間展開了有關(guān)建筑景觀的數(shù)字模型作為研究的重點。主要的適用領(lǐng)域是應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑、景觀等工程中。目前國外在建筑景觀設(shè)計中開始對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用型探索，比如說開始建立了相應(yīng)的由建筑外觀，建筑內(nèi)結(jié)構(gòu)，景觀帶，景觀小景等組成虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟硬件配套環(huán)境設(shè)施，研究建筑景觀工程在虛擬環(huán)境下三種視點的漫游形式。在國內(nèi)的建筑景觀領(lǐng)域中，就目前有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與研究還處于剛剛萌芽發(fā)展的階段時期，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的在國內(nèi)的研究項目中的應(yīng)用還是岌岌可危的，也很少有所涉及。總之, 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性理論研究與應(yīng)用都有待進(jìn)一步完善。 由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不成熟，所以導(dǎo)致在建筑景觀中的

4、應(yīng)用就目前來說還很有限。尤其在國內(nèi)目前主要還是利用三維建模與視覺模擬等技術(shù)手段，從而將整體方案直觀地展現(xiàn)在計算機(jī)中，最大的好處是可以幫助相關(guān)設(shè)計人員對各種規(guī)劃設(shè)計方案更加直觀地進(jìn)行后期的評估與方案的審核。而目前國外較先進(jìn)的技術(shù)中，已能實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬漫游，可以更直觀的體驗規(guī)劃的成果。 因此，本論文擬在以下論述中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)理論成果:首先是虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特征，其次是在建筑景觀中的關(guān)鍵技術(shù)等，論述虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于建筑景觀的優(yōu)勢和意義，并以廣州市珠江新城虛擬現(xiàn)實的建筑建設(shè)為例，從而探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀中的實施步驟，使大眾對虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在建筑景觀中的應(yīng)用有更深層次的了解

5、，從而促使虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀中的得到更為廣泛的實效。1虛擬現(xiàn)實技術(shù)1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)與其特征虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是利用計算機(jī)虛擬生成一個模擬現(xiàn)實，逼真的交互性的動態(tài)界面，人們可以通過諸如視覺，聽覺，觸覺，嗅覺的感官來對某個建筑景觀虛擬對象的虛擬實體進(jìn)行交叉互動的信息交流，并使人產(chǎn)生一種仿佛身臨其境的逼真感受，它同時具有可查詢，可分析，可評價，可執(zhí)行和決策等多項功能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)同時具備了交叉互動性、真實感和聯(lián)想程度這三個基本的特點。交叉互動性指在虛擬環(huán)境中，用戶對特定的地理環(huán)境的可操作程度和從中得到反饋的自然程度，還包括了實效性的特點。這種交叉互動主要通過比如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等這些專用設(shè)備來

6、實現(xiàn)。真實感，真實感又稱臨場感，指用戶在虛擬環(huán)境中感知到真實情況的程度系數(shù)，主要讓用戶感覺自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，并能沉浸于虛擬環(huán)境中去體驗。 聯(lián)想程度指設(shè)計人員通過主觀意識的自我推理邏輯判斷或是聯(lián)想等思考行為，在虛擬環(huán)境中根據(jù)所獲取的多種多樣的信息，對設(shè)計人員自身在在虛擬系統(tǒng)中的動態(tài)行為，隨著系統(tǒng)的運行狀態(tài)的更改，主動對其本身的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行相關(guān)的想象的能力。1.2虛擬現(xiàn)實在建筑景觀中的應(yīng)用1.2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)與建筑景觀的結(jié)合 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟及其在建筑景觀中應(yīng)用的不斷深入，建筑景觀的延續(xù)性和前瞻性在近年來的要求不斷得到提高，建筑景觀領(lǐng)域一直對現(xiàn)實虛擬技術(shù)最為緊迫需求的領(lǐng)域。用

7、戶還可通過感知空間設(shè)計的合理性來將各種規(guī)劃方案構(gòu)建于一個虛擬環(huán)境中進(jìn)行評估與方案評審，從而避免實際實施方案時所消耗的成本和時間，這對提高建筑景觀設(shè)計的效率有著重要的作用。在建筑景觀領(lǐng)域中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最大好處是應(yīng)用于建筑景觀領(lǐng)域可以起到彌補傳統(tǒng)建筑景觀與設(shè)計在表現(xiàn)形式上的短處。首先，用戶包括設(shè)計和規(guī)劃人員在內(nèi)都可以在虛擬的三維地理環(huán)境中進(jìn)行交互式的體驗活動，以便于進(jìn)行評估與方案評審或修改規(guī)劃方案，從而大大提高了方案審批的速率;其次，可以向評審者或大眾展示設(shè)計方案的內(nèi)容?？茖W(xué)、客觀、合理地演繹建筑景觀的發(fā)展變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的再現(xiàn)建筑景觀設(shè)計的方案，可以減少更或者避免由于規(guī)劃設(shè)計方案

8、的不合理而帶來的巨大損失。1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用(1)三維建模技術(shù)通常為了實現(xiàn)基于web三維虛擬世界，在建筑景觀設(shè)計中，必須建立有大量的相應(yīng)三維模型。三維模型的建立是整個虛擬現(xiàn)實世界的基礎(chǔ)工程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的三維建模技術(shù)主要分為兩大類:一是幾何數(shù)字建模，二是行為建模。幾何數(shù)字建模是基于物體的幾何形態(tài)和外形特點等信息的模擬表現(xiàn)，主要研究圖形數(shù)據(jù)等有關(guān)問題。行為建模顧名思義是對物體的運動和行為軌跡的綜合描述，通常被稱為動畫。較常用的主要包括3D Max、 Maya、reator等用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的建模常用工具軟件。 用戶利用建筑景觀設(shè)計建立的3D虛擬空間狀態(tài)可以在網(wǎng)上進(jìn)行漫游并且實現(xiàn)多用

9、戶的交流互動，并且還可以針對展示結(jié)果提出對建筑發(fā)展規(guī)劃的意見和后期修改措施。(2)人機(jī)交互技術(shù)在計算機(jī)系統(tǒng)的虛擬空間中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是可以通過人的耳朵、嘴巴、眼睛、手勢等各種感官直接與之發(fā)生交叉互動的技術(shù)，它是一種新興的信息綜合性很強的技術(shù)，它集中融合了數(shù)字圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)的圖形學(xué)等多方面的信息技術(shù)，它的研究目標(biāo)是消除人與計算機(jī)之間所處環(huán)境的障礙，這便是虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互技術(shù)。(3)實時動態(tài)繪制技術(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要求隨著用戶的活動變化軌跡實時生成相對應(yīng)的圖形圖像畫面，也就是說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)中最重要的特點就是人可以在隨意變化的交叉互動情況下感受場景的動態(tài)特征。目前

10、，三維圖形生成技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，關(guān)鍵問題在于如何實現(xiàn)模型的實時技術(shù)。在建筑景觀中的環(huán)境虛擬是最為典型的大場景，數(shù)據(jù)處理的過程中難以達(dá)到實時繪制的技術(shù)要求是因為具有數(shù)據(jù)量龐大的特點，所以常常需要高性能配置的計算機(jī)才能得以實施，如建立計算機(jī)圖形處理工作站等。 (4)傳感器技術(shù)和立體顯示技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展受到很多因素的影響，主要是基于傳感器技術(shù)與立體顯示技術(shù)的共同進(jìn)展。三維立體得以實現(xiàn)顯示的主要方法就目前的市場上來說大致有四種途徑，一是體視法，二是集成成像法，三是體素法，四是基于全息顯示技術(shù)。究其本質(zhì)來說，前三種方式并非嚴(yán)格意義的三維信息技術(shù)，而全息顯示技術(shù)是基于再現(xiàn)原本物體原型，存貯其詳細(xì)的三

11、維信息的途徑。在多媒體展示科學(xué)的快速虛擬成型技術(shù)時，數(shù)字全息三維顯示技術(shù)為大眾提供了理想的視覺媒介。2實證案例：廣州市珠江新城 綜合上述理論，以廣州市建筑景觀勘測設(shè)計研究院研究人員規(guī)劃設(shè)計的珠江新城的城市建筑仿真系統(tǒng)，介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于建筑景觀的主要實施步驟。 珠江新城虛擬仿真系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與三維可視化技術(shù)相合并建立的三維虛擬仿真系統(tǒng)，它的虛擬仿真系統(tǒng)的建立是以二維的數(shù)據(jù)信息和規(guī)劃成果數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的，整個系統(tǒng)可進(jìn)行交叉互動式的程序操作。首先通過美國三維仿真領(lǐng)域的龍頭企業(yè) MultiGen-Paradigm公司的Creator Terrain Studio是一個獨特的3D場

12、景，材質(zhì)制作工具建模軟件，它主要起到建立珠江新城三維模型的作用，再利用Vega軟件環(huán)境對該模型進(jìn)行驅(qū)動和功能開發(fā)和VC編程語言對其進(jìn)行盡一步的分析。 2.1實例區(qū)位概況 珠江新城的地理位置實屬特殊，它位于中國三大城市之一的廣州市的天河區(qū)，地處海珠，天河及越秀的交叉處，東接華南快線，西起廣州大道，近靠珠江，北面直通黃埔大道，九二年開始開發(fā)規(guī)劃的珠江新城，用地規(guī)模6.2平方公里。城市空間位置的優(yōu)越性是他發(fā)生巨大的變化的重要原因，珠江新城由于在改革開放的背景下，廣州經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的力量帶動了一個新的商業(yè)中心的形成，在以天河體育中心為中心的地區(qū)逐漸形成了統(tǒng)一的商務(wù)氛圍，由此開始組建了一條嶄新的城市發(fā)展軌

13、跡，不僅貫穿了高樓林立的南部建筑團(tuán)，還連接了西邊傳統(tǒng)的商務(wù)區(qū)域越秀區(qū)和待開發(fā)的東部地區(qū)，地理位置可以說是得天獨厚，無可挑剔。規(guī)劃中的珠江新城西區(qū)以商務(wù)辦公為主，東區(qū)以居住生活休閑為主，在廣州城市新中軸線上和珠江景觀帶的交叉處，有著多處規(guī)劃擬建的項目，例如廣州歌劇院、廣州觀光塔等建筑。2.2虛擬仿真系統(tǒng)軟硬件設(shè)施的選擇硬件環(huán)境:，采用高配置的PC機(jī)，目的是為保證較好的運行情況。人機(jī)接口設(shè)備則采用大屏幕顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)的PC機(jī)的基本配置。運行機(jī)器的配置為:PentiumIV；內(nèi)存 512 M；硬盤 128 GB；主頻 2.4 G；顯卡 GeForce 4600。 軟件環(huán)境:采用兩種主要操作系統(tǒng)：

14、Windows NT操作系統(tǒng)，Microsoft Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。三維建模軟件為 MultiGen Creator;軟件編程工具采用 Visual C+ 6.0。2.3數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換工作 數(shù)據(jù)采集工作是將拍攝的建筑航拍照片經(jīng)過智能掃描后，人工數(shù)字轉(zhuǎn)入虛擬現(xiàn)實技術(shù)軟件中的過程，并通過使用圖像分割和邊緣查找的方法重新生成圖像，并在這基礎(chǔ)上進(jìn)行過濾處理。通過記錄下來的各種數(shù)據(jù)信息的語言轉(zhuǎn)換分析，分門別類轉(zhuǎn)入虛擬的建模軟件中去進(jìn)行其他的工作。2.4虛擬場景建模及后期渲染 目前可以直接利用Open GL 建立相應(yīng)的開發(fā)專門的建模工具或模型庫來進(jìn)行分組建模，但這樣做的弊端是工作量很大。另一種方法是

15、用Auto CAD, 3D Max等常用的建模工具建立起三維模型，最終通過編程或借助其他輔助工具，將模型導(dǎo)入模擬的視景中。在建筑物、構(gòu)筑物等虛擬場景建模過程中建議使用軟件為CAD,3D max, GIS軟件和虛擬現(xiàn)實語言等三維實體的制作。除了三維實體外，還包括這些物體的三維信息，如光源方向，光源特性等，比如材料的質(zhì)地，光澤度，透明度等以及場景信息。 2.5珠江新城虛擬仿真系統(tǒng)評價及思考 開發(fā)設(shè)計人員及規(guī)劃人員從某種意義上可以通過本文上述方法和實施步驟建立對珠江新城的虛擬漫游系統(tǒng)。由于復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的和對軟硬件的要求比較高的原因，在實踐中，最終可以建立上述系統(tǒng)的主要功能，側(cè)重于直觀顯示和查詢

16、處理，但是卻被忽視未能達(dá)到真正意義上的漫游。如圖2所反映，其中顯示功能表現(xiàn)在任意的縮放旋轉(zhuǎn)、行進(jìn)的動畫功能，還比如可以沿任意路徑行進(jìn)和鼠標(biāo)引導(dǎo)瀏覽當(dāng)前模型，還可以進(jìn)行二維空間的導(dǎo)航圖。 在屬性中查詢數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息查詢出選中目標(biāo)的信息是系統(tǒng)的查詢功能主要體現(xiàn)之一，比如建筑物的建筑名稱，建筑面積，建造單位和落成時間等信息。 該系統(tǒng)就其展示效果來說，不僅可以真實地記錄廣州珠江新城每一棟建筑的地形地貌特征、城市空間地理位置和重點地段的建筑物三維外輪廓，還可以直觀地形象地反映珠江新城的整體面貌特征，從而使得大眾對珠江新城的視覺效果可以進(jìn)行完整的方案評估。另一個優(yōu)勢是對進(jìn)行模擬方案的直觀比較

17、。 但本論文認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)往往需要處理大面積，大尺幅的城市建筑景觀三維場景，這從中涉及了大量數(shù)據(jù)的采集，存儲，分析，查找替換，顯示更新等環(huán)節(jié)的處理，這也就意味著虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設(shè)過程中數(shù)據(jù)信息的建立以及管理成為首要解決的決策性問題。要想解決這一難題，人們還需要對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究。 然而，虛擬城市系統(tǒng)的建設(shè)需要大量的人力，物力和財力，不應(yīng)單純只為特定的時間或地域展現(xiàn)模擬現(xiàn)實，應(yīng)該同時也為后續(xù)的設(shè)計施工管理服務(wù)。這就需要考慮到建立一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，同時必須考慮到在現(xiàn)有的規(guī)劃數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的兼容性問題，從而幫助項目管理者使得規(guī)劃審批和管理決策更加準(zhǔn)確，公正，高效。 最

18、后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)，計算機(jī)圖形學(xué)，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，都對系統(tǒng)具有較高的硬件要求。規(guī)劃人員必須找到通過討論和實踐適合的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件平臺。 3 結(jié)論當(dāng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀中得以運用和實施時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑景觀中應(yīng)用的也漸漸得到了廣泛的關(guān)注深入，在提高建筑景觀的科技含量和推動數(shù)字化建筑景觀的發(fā)展建設(shè)方面，起到了積極的推動改革作用。當(dāng)計算機(jī)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同發(fā)展的同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也為確保建筑景觀與設(shè)計的科學(xué)性提供了更大的支柱。 雖然如此，但就目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展水平來看，它的發(fā)展依然還有諸多弊病的存在，歸更到底是因為我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展在國內(nèi)建筑景觀領(lǐng)域中還應(yīng)用的不夠深入。主要是由于以下幾個方面的原因造成的:從目前的技術(shù)手段來說，建筑景觀相關(guān)涉及環(huán)境因素范圍廣泛，從而三維模型所需要的數(shù)據(jù)量也是巨大的，這就導(dǎo)致了后期處理中數(shù)據(jù)處理和三維建模中的工作容量大大提高，造成人力和物力上的損失。再說軟硬件方面，當(dāng)前市場的三維建模軟件局限性較大，主要還只是擅長對建筑三維模型的建立，而對大量現(xiàn)建筑三維景觀模型建立適宜自身的軟件與品牌還不多，尤其就國內(nèi)市場更是較為狹窄。還有一點，計算機(jī)模擬虛擬現(xiàn)實