淺談建筑設計中VR設計的使用

淺談建筑設計中VR設計的使用

　　VR 是用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺, 使人能通過適當裝置對虛擬世界進行交互式體驗。通常用戶頭戴一個頭盔, 手持傳感手套, 仿佛置身于一個幻覺世界中, 在虛擬環境中漫游, 并允許操作其中的物。使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知, 從而達到身臨其境的感受。

　　VR 技術與建筑設計利用

　　VR 技術進行建筑設計, 在建筑設計階段就能以可視的、動態的方式全方位展示建筑物所處的地理環境、建筑物外貌、建筑物內部構造和各種附屬設施, 使人們能夠在一個虛擬的環境中, 甚至在未來的建筑物中漫游。因而, VR 技術是建筑方案設計、裝修效果展示、方案投標、方案論證及方案評審的有力工具, 在建筑設計業、房地產業和建筑裝修業等領域有著日益廣泛的應用前景。

　　建筑物虛擬現實環境設計的基本要素

　　利用VR 技術進行建筑物設計的基本要素包括虛擬場景建模、虛擬場景渲染、虛擬攝影機設置、運動速度控制以及虛擬觀察者各種動作的模擬( 步行、旋轉及其它動作) 等等。

　　虛擬場景建模無論采用何種虛擬方式, 首先要遇到虛擬環境建模問題。目前既可采用VRML 等專用的虛擬現實建模語言, 又可以采用SGI 公司的Open Inventor 等來完成建模, 也可以直接利用OpenGL 建立模型庫或開發專門的建模工具, 但這樣做的工作量是非常大的。另一種方法是借助于3DSMAX 等普通的三維建模工具, 先建立起三維模型, 然后用編程或借助于工具的方法, 導入到虛擬環境中, 并利用Open􀀁 GL 完成渲染。此外, 微軟近年提出的DirectX 雖然主要是針對三維游戲編程, 但是由于其硬件要求低 ( 目前大多數圖形加速卡都支持DirectX) , 而且其開發包DirectX SDK 中提供直接導入3DSMAX 模型的工具, 用Direct3D 技術完成渲染。這樣, 就為在低成本硬件環境中研究虛擬現實技術提供了條件。

　　虛擬場景渲染建筑物虛擬現實常常要表現一個龐大的建筑群。對于較小的場景, 可以很快地完成渲染; 但對于復雜的大型場景, 一旦超過計算機物理內存能力, 由于需要使用虛擬內存, 渲染時間將會增加十幾倍甚至數十倍, 慢到令人難以忍受的程度。當然, 可以根據計算機內存的大小來控制場景規模, 使得所有的渲染工作都在計算機物理內存中完成, 但有時也會遇到必須處理大型場景的情況。解決這一問題的辦法是, 把虛擬現實場景分解為可直接在物理內存中完成渲染的若干組, 分組進行渲染。這種方法無論對預制還是實時動畫, 都是行之有效的。在交互式漫游過程中, 可根據觀察者當前時刻所處的位置, 將場景分為若干個動態子塊, 在遠方不斷地、動態地實時生成新的動態模塊。這一技術不僅可以節約渲染時間, 而且可以有效地避免在交互式漫游過程中走到天盡頭􀀁, 甚至掉到宇宙中這樣的問題。

　　虛擬攝影機設置

　　虛擬攝影機焦距設置在建筑物虛擬現實中, 虛擬攝影機是對虛擬觀察者眼睛的模擬, 一般情況下焦距應與人的正常視野接近, 即為35 mm 左右。當焦距小于28 mm 時或大于50 mm 時, 均不能正確反映建筑物的透視關系, 要么畸變, 要么景深過小。除非有特殊需要, 攝影機焦距一般應設置在35 mm 左右。

　　虛擬攝影機高度設置虛擬攝影機高度一般應接近人眼平均高度, 一般攝像機的高度在1􀀁7 m。而且在漫游過程中, 虛擬攝影機應盡量保持平視, 即攝影機與攝影機目標點高度相同。當需要仰視或俯視, 而物體變形太大時, 可適當增加焦距。

　　動畫運動速度控制

　　因為虛擬攝影機代表觀察者的眼睛, 所以, 如何把虛擬攝影機看到的與觀察者在虛擬場景中觀察到的聯系起來, 就極為重要了。在考慮虛擬場景中動畫的運動速度時, 作為動畫創作者需要認真考慮觀察者會有什么樣的速度感覺, 以及這種感覺是否適合于計算機動畫。攝影機通過場景的速度快, 場景運動得就快, 觀察者感覺得速度就快。特別是當動畫中出現熟悉的物體, 例如建筑物、家具和汽車時, 觀察者就會有很強的相對速度的感覺, 這時創作者應花一點時間來考慮一個人在給定的環境中, 應當走多快才能看清場景。

　　虛擬觀察者運動模擬

　　步行模擬步行模擬是模擬觀察者在虛擬環境中漫步。在實際生活中, 當觀察者經過一個地方時, 眼睛留下的印象不會是簡單地從一邊看到另一邊, 有時會停下來, 看一下詳細情況或環境。當觀察者注意到比較關心的目標時, 常常會忘了單純的散步。重建這種印象, 就是產生有趣動畫的過程。這實際上是由制作者代替觀察者事先決定什么值得一看, 以及怎樣看。在交互式漫游時, 則是通過交互方式, 由操作者選擇看什么以及看。

　　旋轉模擬在制作虛擬環境中的漫游動畫時, 旋轉路徑最容易引起返工。其原因往往是制作時未能對漫游動畫中的旋轉進行深入的探究。漫游動畫中的旋轉可分兩種情況: ( 1) 視點不變, 攝影機作圓弧運動或曲線運動。例如, 用回轉方式表現建筑物外觀。就相對運動而言, 此時本質上相當于讓物體旋轉。盡管此時每一幀畫面都在發生變化, 但觀察對象始終在畫面內。一般借助于虛擬物體可較好地完成這種旋轉。 ( 2) 視點變化, 攝影機坐標不變或作曲線運動。例如, 掃視環境或模擬觀察者的轉身、轉彎動作。此時不僅每一幀畫面都在發生變化, 而且觀察對象也時刻在改變, 除非運動速度非常緩慢( 當然將耗費大量幀數) , 否則很難看清楚動畫內容。對大多數人來說, 合適的轉動速度大約是每秒轉動 45􀀁。如果需要在轉動過程中仔細觀察, 每秒就只能轉動15􀀁~ 20􀀁。

　　建筑物虛擬現實漫游

　　建筑物虛擬現實漫游一般都要表現該建筑物所處的虛擬地理環境、建筑物全貌, 以及該建筑物的各種附屬設施, 常采用瀏覽和鳥瞰的方式進行。在瀏覽式漫游中, 為了給人以身臨其境的感覺, 應力求減少鏡頭切換, 依靠巧妙的漫游路徑設計, 用連續的鏡頭, 一氣呵成地完成所要表現的內容。此外, 為了在整個漫游過程中正確表現主體對象與周圍景觀的透視關系, 虛擬環境建筑群也應使用三維模型, 而不宜用背景貼圖替代。為了節省渲染時間, 除該建筑群與少數表現地理特征的建筑物外, 其余作為襯托的建鳥瞰式漫游的主要優點是居高臨下, 整個虛擬建筑結構布局一覽無遺, 而且十分自由, 可以省去模擬觀察者在建筑物內穿行、轉身之類動作的麻煩。筑物模型應盡可能簡略。

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