虛擬現(xiàn)實技術-綜述

1、淺談虛擬現(xiàn)實技術在規(guī)劃領域中的應用作者：Why摘要：隨著信息時代的到來，越來越多的高新技術應用到社會的各個領域中來，而作為信息技術發(fā) 展的首要驅動力的“虛擬現(xiàn)實”技術也越來越多地應用到規(guī)劃領域中來。本文著重論述了虛擬現(xiàn)實技 術在城市規(guī)劃中的應用范圍、應用的意義及其為我們帶來的便利。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實、范圍、發(fā)展、迫切性、城市規(guī)劃虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,簡稱VR）,又稱靈境技術，是90年代為科學界和工程界所關注的技術。它的 興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領域；為智能工程的應用提供了新的界面工具；為各類工程的大規(guī) 模的數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。它是一種基于可計算信息的

2、沉浸式交互環(huán)境，具體的說，就是采用以計算 機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然 的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互使用、相互影響，從而產(chǎn)正親臨其境的真實環(huán)境的感受和體驗。這種技術的 應用，改進了人們利用計算機進行多工程數(shù)據(jù)處理的方式，尤其在需要對大量抽象數(shù)據(jù)進行處理時；同時，它在 許多不同領域的應用，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。1、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展概述1965年，Sutherland在篇名為終極的顯示的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設備以 及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程

3、。隨后的1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器的研制工作。在這第一個HMD的樣機完成 不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD 系統(tǒng)。基于從60年代以來所取得的一系列成就，美國的JaronLanier在80年代初正式提出了 “VirtualReality” 一詞。80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研究，并取得了令人矚目的 研究成果，從而引起了人們對虛擬現(xiàn)實技術的廣泛關注。1984年，NASAAmes研究中心虛擬行星探測實驗室的 M.McGreevy和Humphries博士組

4、織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸 入計算機，為地面研究人員構造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。在隨后的虛擬交互環(huán)境工作站VIEW）項目中，他 們又開發(fā)了通用多傳感個人仿真器和遙現(xiàn)設備。進入90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的 聲音和圖象的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市 常而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基矗例如1993年的11月，宇航員利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成功地完成 了從航天飛機的運輸艙內(nèi)取出新的望遠鏡面板的工作，而用虛擬現(xiàn)實技術設計波音777獲得成功，

5、是近年來引起 科技界矚目的又一件工作?？梢钥闯?，正是因為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)極其廣泛的應用領域，如娛樂、軍事、航天、設計、 生產(chǎn)制造、信息管理、商貿(mào)、建筑、醫(yī)療保險、危險及惡劣環(huán)境下的遙操作、教育與培訓、信息可視化以及遠程 通訊等，人們對迅速發(fā)展中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的廣闊應用前景充滿了憧憬與興趣。2、虛擬現(xiàn)實在規(guī)劃領域的應用范圍虛擬現(xiàn)實在規(guī)劃信息存儲和查詢系統(tǒng)中的應用例如土質數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，地域信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，城市政策信息系統(tǒng)等。這一類系統(tǒng)多采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 的形式?，F(xiàn)行數(shù)據(jù)庫的一個缺陷在于數(shù)字化程度高，可視化程度低，這種數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來是抽象的，可接受性差， 例如，地理信息系統(tǒng)對地形地貌的表現(xiàn)，如果只是由

6、數(shù)字來表現(xiàn)，則可讀性很差，如果表現(xiàn)為地形圖的形式，則 相對容易接受。而采用虛擬現(xiàn)實技術，在系統(tǒng)中輸入地形、地貌的數(shù)據(jù)，則可以從不同的角度去觀察，不但可以 取得必要的數(shù)據(jù)，而且能夠有直觀的感受，不用再勞神費力地想象地形圖所表現(xiàn)的實際地形情況。 虛擬現(xiàn)實在規(guī)劃的輔助表現(xiàn)集成系統(tǒng)中的應用例如景觀表現(xiàn)系統(tǒng)，交通規(guī)劃系統(tǒng)等。目前，景觀表現(xiàn)系統(tǒng)其表現(xiàn)物段主要是二維的圖片，如果能夠讓用戶 產(chǎn)生一種身臨其境一“人在畫中游”的感覺，則景觀的規(guī)劃將更加科學合理、全面，而這種身臨其境的感覺，正 是虛擬現(xiàn)實技術要解決的問題。實際上應用于景觀表現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)已經(jīng)開始試用，德國的Frankfort的中心 城市，最近將城

7、市模型輸入虛擬環(huán)境，用以規(guī)劃一座銀行，其實現(xiàn)并不是很復雜：首先把各個建筑物的平面圖（輪 廓）輸入到記錄地區(qū)的數(shù)據(jù)庫中，將各建筑物的高度賦于適當?shù)闹档淖詣由扇S城市模型；再對重要建筑物利 用CAD系統(tǒng)以不同精度進行修改，把建筑物正面的照片掃描進去經(jīng)過修改加工輸入CAD數(shù)據(jù)庫；最后在VR系統(tǒng) 及數(shù)據(jù)模型中加上動態(tài)措施及環(huán)境因素。目前，這一系統(tǒng)可以讓人得到在其中漫游的感覺，以后還可望在此基礎 繼續(xù)修正。虛擬現(xiàn)實規(guī)劃和建筑設計可行性論證系統(tǒng)中的應用目前，規(guī)劃和建筑方案的設計還處在一個憑主觀想象和經(jīng)驗基礎上及抽象數(shù)據(jù)模型基礎上的，而且對規(guī)劃和 建筑設計方案的可行性沒有一個系統(tǒng)的評價論證，因此，在城市建

8、設過程中，很容易出現(xiàn)實際情況跟預期效果偏 差很大的情況，并且，這樣造成的損失是無法挽回的。如果，利用虛擬技術對須控制的要素（周圍環(huán)境、建筑高 度、建筑體量、建筑色調等）對項目建成前后進行描繪，從而發(fā)現(xiàn)設計中的不完善的部分，反復修改，再根據(jù)修 改后的參數(shù)虛擬現(xiàn)實，直到在虛擬現(xiàn)實中達到預期效果，這樣就可減少甚至杜絕實際建成效果與設計意圖偏差很 大的情況。虛擬現(xiàn)實在規(guī)劃管理輔助決策系統(tǒng)中的應用目前，國內(nèi)規(guī)劃和建筑項目的審批輔助決策大多是兩條途徑：1、對于一般項目規(guī)劃管理者參考國家或地方 性技術規(guī)定來決定項目的可行性2、規(guī)劃管理對于重大項目的審批通過設計單位撰寫項目可行性研究報告書和組 織專家評審等辦

9、法來決定項目的可行性。上述規(guī)劃輔助決策的兩條途徑都有它的局限性。完全根據(jù)國家或地方性 技術規(guī)定來決定項目的可行性顯得太僵化，它不一定適應于城市的每一地塊和每一個項目。對于重大項目的審批， 專家的意見也是根據(jù)自己的經(jīng)驗和個人的愛好，也沒有一個科學的根據(jù)。因此，規(guī)劃管理、決策者需要一個決策 的可靠依據(jù)。而虛擬現(xiàn)實技術則可通過模擬仿真為規(guī)劃管理者決策提供有力、可靠依據(jù)。3、虛擬現(xiàn)實技術在規(guī)劃領域中應用的迫切性由于城市規(guī)劃的延續(xù)性和超前性要求較高，城市規(guī)劃一直是對全新的仿真技術需求最為迫切的領域之一。從 總體規(guī)劃到修建性詳細規(guī)劃乃至建筑單體設計，在各個階段，通過對現(xiàn)狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、

10、 實時景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），來改善人居生活環(huán)境，使城市布局更加合理，城市更 加美觀。規(guī)劃決策者、規(guī)劃設計者、以及公眾，在城市規(guī)劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規(guī)劃最終 成功的前提。虛擬技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用虛擬技術能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、工程人 員及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規(guī)劃效果，更好地掌握城市的形態(tài)和理解規(guī)劃師的設計意圖，這樣 決策者的宏觀決策將成為城市規(guī)劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現(xiàn)。這是傳統(tǒng)手段如平面圖、 效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。一個大型的公共建筑工程項目或比較重要的建筑，如車站、機場、電

11、視塔、橋梁、港口、大壩、核電站等，建成后往往會對某一地區(qū)的景觀、環(huán)境等有較大的影響。它們建設成本高， 社會影響大，其安全性、經(jīng)濟性以及功能合理性的意義更加重大。目前，這種重大項目的建設過程的初期可行性 評價是建立在高度抽象的模型基礎上，其結果經(jīng)常出現(xiàn)很大偏差。項目上馬前的功能評價也只是建立在想象和經(jīng) 驗的基礎上，經(jīng)常出現(xiàn)偏差。而這種偏差造成的功能上的缺陷幾乎是無法彌補的。當然，目前也有一些功能評價 建立在物理模型和計算機仿真模型分析的基礎上。但物理模型是縮小比例的模型，試驗和評價難免出現(xiàn)誤差，而 且試驗周期長，費用較高。目前，計算機仿真模型由于存在和圖形結合差、可視化不強的缺點，許多功能上的評

12、 價，特別是建筑的使用功能的評價，很難達到滿意的效果。如何在規(guī)劃和建筑的設計階段就對方案進行全面、客 觀的評價，是人們所關心的問題。許多研究未來城市的資料表明：隨著城市人口的空前增長，市民文化素質的提高、土地需求的白熱化狀態(tài)、 以及城市機能的高度集約化和信息化，工業(yè)時代城市的穩(wěn)定社會結構和傳統(tǒng)職能均被打破，許多新的課題將應運 而生。城市人口的高速增長帶來的一系列社會問題，城市組團密集導致的城市結構系統(tǒng)擴張，城市為向三度空間 的發(fā)展所期待的新環(huán)境研究，城市建筑（特別是住宅）的高密度和多樣化需求提出的新內(nèi)容、新形式課題，高速運 載系統(tǒng)對環(huán)境的沖擊，大量人口需求戶外娛樂對社會和生態(tài)的影響，以及人們對

13、環(huán)境質量的新要求，能源匱乏和 生態(tài)環(huán)境面臨的危機等，所有這些都與城市實質環(huán)境有關。因此，在環(huán)境保護意識日益受到重視的今天，我們不 能不考慮到一個建筑對周圍環(huán)境所產(chǎn)生的影響，毫無疑問，在工程竣工以前，我們不可能以一個與實際建成后的 建筑同等比例的模型置于實際的環(huán)境中，用以考察該建筑物對于周邊環(huán)境的影響。以三峽工程為例，對于本世紀 最大的水利工程，其影響是深遠的，一旦其建成以后無論是對生態(tài)環(huán)境，還是社會環(huán)境都有相當大的影響。就在 截流前幾天，一批科學家對三峽上下游進行全面考察，其目的不言而喻自然是為了得到各方面的相關數(shù)據(jù)，從而 保護上下游的自然環(huán)境。然而，以傳統(tǒng)的在一堆抽象的數(shù)字上加以想象力的發(fā)揮

14、，其結果的可信度無疑并不十分 理想。要使結果達到預期的效果，首先必須經(jīng)過一套完善嚴密的技術對預期效果來論證和檢驗。顯然，先期技術 成果的演示和論證技術是檢驗這種效果的有效手段?；谶@種情況，世界各國的研究機構都在作不懈的努力，以 找出一種有效的評價規(guī)劃設計效果及建筑質量的有效辦法。虛擬現(xiàn)實技術正是解決這一問題的方法之一。4、虛擬現(xiàn)實技術在規(guī)劃領域中應用的意義展現(xiàn)規(guī)劃方案虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以 通過其數(shù)據(jù)接口在實時的虛擬環(huán)境中隨時獲取項目的數(shù)據(jù)資料，方便大型復雜工程項目的規(guī)劃、設計、投標、報 批、管理，有利于設計與管理人員對

15、各種規(guī)劃設計方案進行輔助設計與方案評審。規(guī)避設計風險虛擬現(xiàn)實所建立的虛擬環(huán)境是由基于真實數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要 求建立逼真的三維場景，對規(guī)劃項目進行真實的“再現(xiàn)”。用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，這樣很多不 易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發(fā)現(xiàn)，減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項 目的評估質量。加快設計速度運用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變 綠化密度，只要修改系統(tǒng)中的參數(shù)即可。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率， 也節(jié)省了大量的資金。提供合作

16、平臺虛擬現(xiàn)實技術能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、工程人員及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規(guī)劃 效果，更好地掌握城市的形態(tài)和理解規(guī)劃師的設計意圖。有效的合作是保證城市規(guī)劃最終成功的前提，虛擬現(xiàn)實 技術為這種合作提供了理想的橋梁，這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。加強宣傳效果對于公眾關心的大型規(guī)劃項目，在項目方案設計過程中，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以將現(xiàn)有的方案導出為視頻文件用 來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視 頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。虛擬現(xiàn)實在城市規(guī)劃中起到關鍵性的作用，正如其它新

17、興科學技術一樣，虛擬現(xiàn)實技術也是許多相關學科領 域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、 心理學等。我們必須清醒地認識到，雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的，但仍存在著許 多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙?？陀^而論，目前虛擬現(xiàn)實技術所取得的成就，絕大部分還僅僅限 于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計算機的結合作用問題，還根本 未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認識”這一重要過 程。只有當真正開始涉及并找到對這些問題的技術實現(xiàn)途徑時，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克 服了。我們期待這有朝一日，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)成為一種對多維信息處理的強大系統(tǒng)，成為人進行思維和創(chuàng)造的助手 和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。參考文獻：【1】曾建超，俞志和；虛擬現(xiàn)實的技術及其