虚拟现实技术

5.2　虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体而言，它就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境。用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实技术的核心是模拟和仿真（图5.9）。

图5.9　虚拟现实场景

目前城市设计和建筑方案设计处于凭主观想象和经验及抽象数据模型基础上，对城市设计和建筑设计方案的可行性没有进行系统地评价论证。因此，在城市建设过程中，实际情况与预期效果之间很容易出现较大偏差，由此造成无法挽回的损失。因此，如果在项目建成前利用VR技术对须控制的要素（周围环境、建筑高度、建筑体量、建筑色调等）进行模拟，发现设计中的不完善部分，经过反复修改，再根据修改后的参数重建虚拟现实场景，直到在虚拟现实中达到预期效果，那么就可减少甚至杜绝实际建成效果与设计意图之间的巨大偏差。

由于城市设计的延续性和超前性要求较高，它对全新的仿真技术需求非常迫切。从城市的总体规划到修建性详细规划乃至建筑单体设计的各个阶段，通过对现状和未来的描绘使人居生活环境得到改善，使城市布局更加合理，城市更加美观。政府、设计师以及公众等在城市设计中扮演不同的角色，并通过有效的合作，以保证城市设计最终成功。

从生态城市设计各层次的内容及评价原则来看，人与自然环境的协调，恰当的空间组织，悦目的视觉效果均是共同的追求。以往城市规划设计和建筑设计由于受到技术手段的限制，规划师和建筑师主要是通过二维图形加空间想象来构思和评价设计方案，仅在进行建筑单体设计或很小的群体设计中才应用三维效果图，或固定路径的动画来模拟建成后的空间关系和视觉效果。众所周知，传统的效果渲染需要耗费大量时间和占用大量计算机内存，因此多方案的交互式设计和实时动画根本不可能进行。而虚拟技术为这种合作搭建了理想的桥梁，运用虚拟技术从任意角度，实时互动真实地观察设计效果，身临其境的城市感受、实时的景观分析与建筑高度控制，以及多方案的城市空间比较等能够更容易掌握城市形态和规划师的设计意图。因此，决策者的宏观决策将成为城市设计有机的组成部分，公众的参与监督也将得以真正实现。

5.2.1　丘陵地区生态城市设计中的VR技术难题

由于丘陵地区存在一定的地势高差，所以需要解决地形地貌的模拟。大面积三维建筑的快速建模和后期动画制作也将至关重要。

（1）处理数字高程模型，生成并修改三维地形，进行坡度、坡向、高程、填挖、淹没、视线视域分析。

（2）进行建筑密度、容积率、可达性、缓冲、选址可行性等方面的分析，用来评价社会经济与环境效果。

（3）大面积多单体的快速三维建模，包括建筑物、构筑物、城市家具、广告牌、树木、车辆、人物等。一般GIS只有二维拉伸功能，俗称为二维半，而不是真三维。

（4）实时虚拟，快速地重绘画面，包括对场景对象、天光背景、动画路径、视点视角等的改变均立即作出反应。

从理论上说，以上四大问题可以在一个GIS平台或统一的VR系统中得到解决，不过目前这种平台还处在研发之中，但是我们可以借助GIS与VR综合集成来解决这一难题。

5.2.2　基于GIS与VR的丘陵地区生态城市设计技术方案

无论是GIS还是VR，当前国内外均有多种商业软件可供选用。美国ESRI公司的ArcGIS10.0是世界上最先进的地理信息系统，不过它的三维建模功能不强，且没有实时虚拟动画的功能；而美国Multigen-Paradigm公司的Multigen-Vega是当前虚拟现实的旗舰软件，其强大的三维建模工具(Creator)和虚拟仿真引擎(Vega)有机结合能很好地满足虚拟城市实时动画要求，不过它不具备空间分析的功能。其他的GIS与VR软件大体也是如此。所幸的是，已经有了一个综合两个方面的优势来解决城市设计技术问题的方案。这就是ESRI公司委托Multigen-Paradigm公司开发了一个ArcGIS扩展模块Site Builder，该模块使得ArcGIS具备了实时动画功能并且能接受Multigen的三维模型，于是就形成了一个基于GIS与VR的应用于城市设计的虚拟现实系统（图5.10）。

图5.10　基于GIS与VR的应用于城市设计的虚拟现实系统框图

（1）地形制作。数字高程模型的制作是通过对等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的。它制作的基本思路是:首先把地形图扫描到计算机中；其次对矢量图层进行规划，设置每个图层的坐标系，图层类型，包括字段及其类型；然后创建图层，进行分层矢量化，建立不规则三角网，将正确的不规则三角网转化为栅格图像；最后对栅格结构的DEM进行坡度分析、坡向分析(图5.11)。

（2）虚拟校园模型系统。虚拟场景模型主要由三维地形、地面景观、建筑物和小品四部分组成（图5.12）。

（3）实体建模。目前,虚拟城市的三维建模软件有很多，如3D SMAX，Multigen Creator，VR Model等。它们各有特点，如3D SMAX建模精度很高，但是产生的数据量很大；VR Model建模方便，数据量小，但对复杂模型的表现功能不强；而Multigen Creator则是一个三维建模数据量小且美观的软件，适合仿真建模。因此我们将主要研究如何利用Multigen Creator进行虚拟城市的三维建模(图5.13)。

（4）实时虚拟。虚拟动画场景由Site Builder软件来实现(图5.14)，该软件有许多环境调节工具，如雾化、天空云彩、时间、天气等(图5.15)。通过调节这些参数虚拟场景会实时改变周围环境并且渲染速度很快，甚至还可以设定自动调节命令，让场景在动画播放时自动调节环境参数。Site Builder有一个模型库，如果事先准备好多种建筑单体、树木模型、小品等，就可以实现设计方案的快速更换，为确定最终的设计方案和施工图设计提供了从定性到定量的可视化依据。虚拟现实动画如此强大的交互性是其他三维动画无法相比的（图5.16）。

图5.11　数字高程模型的制作过程

图5.12　虚拟校园场景模型系统组织图

图5.13　Creator 制作的单体模型

图5.14　虚拟校园场景图

图5.15　Site Builder中环境调节工具面板

图5.16　同一场景在不同环境下的效果图