数字虚拟视听觉仿真与建筑艺术设计的全程交互教学体系研究

时间：2023-03-05 理论教育版权反馈

【摘要】：一方面，虚拟仿真技术应用于建筑艺术创作，能促进设计思维和创作过程的多样化，刺激多向思维，提高设计质量。数字虚拟视听觉仿真技术已经成为建筑与艺术设计领域内表现设计成果的重要手段，目前在这一领域已出现诸多专业虚拟仿真软件，但相关从业者多为未经受专业训练的人员，导致设计成果不能很好反映和体现设计的原始构思，从而影响设计质量。

赵秀敏^[1]

（浙江工商大学艺术设计学院）

摘　要：在建筑艺术设计教学中，传统的多媒体技术受到诸多方面的限制，对于新技术的引入迫在眉睫。数字虚拟视听觉仿真技术具有开放性、交互性的特点，交互技术将我们对图像的理解转变为一个基于时间框架的多感官交互空间。它在建筑艺术设计等诸多领域的应用将为目前的教学开拓新的空间。

关键词：数字虚拟仿真；建筑艺术设计；教学体系

一、数字虚拟仿真介绍

数字虚拟仿真（Virtual Reality），简称VR技术是计算机高新技术的集成，被认为是实现国家信息化战略要求的关键技术之一［1］。数字虚拟技术从多方面改变着传统的建筑设计方法。利用三维仿真虚拟仿真技术，即可在数字模型三维可视化环境中，进行建筑艺术设计，打破了传统方法的局限性，使设计者随心所欲地通过模块组合完成最佳设计方案，并实现设计方案与周边环境和谐匹配，而且可以快速进行多方案比选，只需随时改变设计参数，即可在真实三维景观环境中，展现出想象的设计实体空间效果。其中，包括设计模型的结构形状、纹理效果、光照效果、相关位置、整体环境效果等。

这种多媒体、可视化信息技术，是将声音、文本、视频、动画、模拟仿真以及通讯等技术融为一体的信息处理和表现技术，它实现了信息交互的多元化、同步化和实时化，可以进行环境与场景及空间造型的动态仿真，设计过程因这种可视化的交互观察界面变得更为人性化、个性化。

与传统的教学方法相比，设计成果由原来静态的、平面的形式转化为多维的、动态的、交互的、逼真的现实模拟［2］。一方面，虚拟仿真技术应用于建筑艺术创作，能促进设计思维和创作过程的多样化，刺激多向思维，提高设计质量。另一方面，虚拟仿真技术以其生动性、交互性、真实性、准确性、系统性创造了更为强大的表现力，拓展了建筑艺术表现的内容和含义。

二、虚拟技术的优势及现状

（一）与传统设计技术的比较

在建筑艺术设计教学中，对学生非计算机辅助的设计能力培养主要是手工作画能力和手工模型制作能力等。在传统方法中，要分析建筑元素是如何有机地结合在一起时，常常不得不依赖绘图技能的提高作为手段去认识探索和表现这一空间构成，它们必须在两个不同的层面上进行操作，即概念上和表现上。

而现代多媒体技术（一般虚拟技术）的应用主要以建筑绘画、模型以及各种计算机辅助设计为主，如CAD技术、二维、三维效果图、漫游动画等形式，归结为从二维效果图、三维效果图再到建筑动画的过程，一般以信息传递、展示为主，技术发展相对比较成熟。

二维效果图以二维空间表达为主，设计者常用以推敲尺度、比例以及色彩关系等，较难体现空间体量。常用软件主要为两类：一类是二维CAD绘图软件（如AutoCAD等），另一类是平面处理软件用于修饰美化图面（如Photoshop等）。

三维效果图是通过建立三维的空间模型，来展示建筑方案、建筑所处的周边环境及各种附属设施，用于研究和推敲方案，或设计方案的展示汇报等。主流的制作软件可分两类：一类是通用三维动画与建模软件，如3DSMAX、Sketchup、MAYA、Softimage等，另一类是专业建筑三维建模与渲染软件，如3DSVIZ、Lightscape等。

建筑动画是在三维效果图模型基础上完成的，是按预订路径模拟观察者穿行的视觉过程，完成动画渲染，借助媒体播放器连续播放出来，来演示建筑空间的动画。动画提供了逼真的材质颜色空间或体验不同的空间，但播放内容是一条既定的路径，是封闭的不可修改的。

在以上的教学方法中，学生对作品的观察受限于角度、方位、时段等诸多方面，缺少与作品的互动，绘图技巧和构成表现的表现力较低，其创作条件和创作环境不利于设计者创新思维和构思表现的发挥，从而限制了设计者拓展美学视野新建筑形态的能力。

与传统的电脑动画相比，数字虚拟仿真技术突破了人、机之间信息交互作用的单纯数字化方式，提供其他传统表现方式无法比拟的信息交流界面，创造了身临其境的人机和谐的信息环境。虚拟仿真技术能为设计者提供实现创意的无限空间和超乎想象的创意自由，从技术的层面拓展设计者的心智，挖掘其潜能，为其提供高效率的创作和表现手段。在这个意义上说，设计者不再囿于技术和表现的限制，而完全取决于其自身的想象力和创造力；可以更方便地控制场景，拥有建筑艺术设计的空间体验，并可开创一些用传统表达手法做不到的创作空间。

（二）虚拟技术的应用现状及软件技术依托

数字虚拟视听觉仿真技术具有开放性、交互性的特点，交互技术将我们对图像的理解转变为一个基于时间框架的多感官交互空间。虚拟技术的影响已经深入到艺术、商业、通讯、设计、教育、工程、医药等众多领域。

就目前我国建筑艺术业界应用的状况，有关领域的研究还处于起步阶段，主要以城市模拟系统地理信息系统和360度环景照片辅助售楼等方面的应用为主，在这些方面已取得令人瞩目的成就，但就虚拟仿真技术在建筑艺术领域的应用而言，还远不止于此。

国内虚拟技术在建筑艺术设计领域最早应用的国外软件以SGI为代表，但其软、硬件平台从国外购买投资太大，涉及范围广，环境三维建模工作量大，成本高。其次，外方软件非针对中国市场开发，虚拟仿真成果的更新维护较困难。近几年国内出现了如伟景行公司为代表的仿真软件，由于此类软件的开发都具有明显的针对性，且对建筑和环境表现的理解较好，其在小范围环境和建筑仿真上效果非常突出。

此外，以适普软件为代表的、由国内测绘GIS公司开发的仿真软件，是在测绘学基础上，依靠数字摄影测量技术、遥感技术、海量数据存储技术和（三维图OpenGL形应用程序接口）开发提取地物特征来建立三维模型，实现漫游。这类软件在地物提取、建模和实现漫游上都过于专业，非测绘行业的用户很难独立使用它来完成仿真。

（三）缺乏掌握数字技术的高素质人才

国家信息基础设施建设推进城市数字化进程，全国有数十个大中城市提出或正在实施数字城市工程，数字城市建设成为我国实现现代化、信息化的基础，而城市面临的诸多全局性问题也促进了数字虚拟仿真技术在各领域的广泛应用，而当前社会对掌握数字技术的高素质设计人才的需求也随之大有增加。

数字虚拟视听觉仿真技术已经成为建筑与艺术设计领域内表现设计成果的重要手段，目前在这一领域已出现诸多专业虚拟仿真软件，但相关从业者多为未经受专业训练的人员，导致设计成果不能很好反映和体现设计的原始构思，从而影响设计质量。而综观国内各类设置建筑类、艺术类专业的院校，限于办学条件和办学思路，往往设计教学过程没有融入虚拟仿真技术，仅限于人机交互的一般虚拟技术，不利于培养学生的专业素质和实践动手能力，使学生在未来就业市场缺乏必要的竞争力。随着长江三角洲大经济圈、都市圈的形成和浙江省经济的不断发展，建筑艺术设计专业人才的需求将呈现持续增长态势，培养掌握数字虚拟仿真技术的高素质人才刻不容缓。

（四）应用壁垒

关于将三维数字视听觉仿真技术应用于建筑艺术设计教学中，尚存在如下关键技术问题。

1．构建三维仿真数字模型库，实现三维数字化的动态虚拟建筑艺术设计。本项目研究的关键问题是三维模块的获取与录制。一部分基础模块可通过网络、购买软件等手段获得，但更多的是需要通过实践操作积累后进行自行录制编码。通过虚拟仿真和视景仿真技术的集成，构建一个具有动态景观漫游和三维可视化设计的平台，实现视景仿真和动态景观漫游，使虚拟仿真技术成为建筑艺术专业学生新的设计表现手段。

2．大量数据存储及运行对软硬件的要求。在微机平台上实现三维虚拟仿真，只有通过海量三维模型数据的良好组织，才能实现在微机平台上对大数据量3D数据的实时调用与维护管理，并协调图形数据同图形可视化硬件之间的关系。因此，需要一个具有人性化界面的软件平台，既具有仿真城市三维数字景观的显示功能，又具有灵活实用的虚拟景观规划设计功能。在硬件上，对数据存储设备的速度、容量有相当高的要求。此外，显示设备的造价及其显示清晰度等问题需要得到很好解决。本项目研究需在满足软硬件条件基础上，最终达到虚拟仿真要求的理想效果。

三、虚拟仿真技术的应用及发展前景

（一）虚拟仿真技术在教学中的应用

数字虚拟视听觉仿真，即多媒体动画，但并非封闭的不可修改的动画播放，而是开放式的动画模块的“积木拼图”程序。模块就是“建筑、景观的各个分部构件和场景情节设定”，根据师生的各自操作，可随时在不同的课堂创造不同的效果［3］。

在建筑艺术设计的创作阶段应用虚拟仿真技术，设计中的空间体验更具交互性和灵活性，场所精神得到更大程度的表现，真实性也大大加强，使作品的空间性在此阶段就能够充分地展现出来，为设计者提供了造型创意的新途径［4］。在建筑表现中，虚拟仿真技术综合了以往各类媒介的优点，具有前所未有的形象性、真实性、生动性。设计者可以各取所需的方式观察建筑，在室内外漫游，并通过虚拟仿真工具的辅助来感受材质、气流，等等；可通过超联结的方式，获得与方案相关的系统信息，达到对作品身临其境的体验。

虚拟仿真技术集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理等技术的最新发展成果，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持。由于实时的三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的临场沉浸感受，数字虚拟仿真必将成为建筑艺术辅助设计及展示的理想工具。

本项目是基于当前信息社会的人才需求和设计专业特色为目的展开的教学体系研究，同时可以积极运用浙江工商大学综合学科的优势，开展艺术设计学院与旅游与城市管理学院的两院合作，进行以培养学生数字虚拟视听觉仿真技术为目的的交叉学科知识教学。

1．实现全程课程对接，优化当前课程结构。实现从一年级到四年级、从基础课到高年级课程的全程对接，将规划设计课程—电脑软件课程——工程实践课程串联起来，课程之间相互补充，相互综合，重新优化组合成新的课程体系。在培养学生拥有完善理论知识结构的基础上，将理论课程与综合性开放实验课程融合为一体进行教学，对现有软件类课程进行完善改进，开发面向学生的实验教学课程，提高学生对理论体系与实践能力的理解与认识，帮助学生建立完整的、全面的现代设计概念和创作思维方式。

2．将传统教学内容全面转换为三维模块，完成视觉听觉数据的录制及编码。突破传统教学内容二维平面图、三维效果图、建筑动画、手工模型制作等限制，建立三维模块数据库，集成虚拟仿真和视景仿真技术，形成一个具有动态景观漫游和三维可视化设计的平台。让学生通过对三维可视化仿真平台各个子模块的操作，获得从抽象的文字到具体的空间感受，从计算机三维模型中的人体参数到实时的动态体验，培养和提高学生的实践动手能力。

虚拟仿真技术的实现依托于庞大的基础数据库，因此需要在基础数据采集处理后，完成视觉听觉数据的录制和编码。包括设计模型的结构形状、纹理效果、光照效果、相关位置、整体环境效果、声音等。

3．建立广域的数字城市景观设计教学系统。在实现课程结构体系整合，做好软硬件设备的准备工作后，在浙江工商大学艺术设计学院和旅游与城市管理学院的合作平台上，采用理论授课、二维图绘制、三维仿真及多媒体教学多位一体的立体教学模式，构建功能完善、设备先进，与学校教学科研紧密结合的广域数字城市景观设计教学体系。

（二）基于虚拟仿真技术的教学方向

1．主干课程的串联整合连贯性。拟通过全程课程对接，将规划设计课程—电脑软件课程—工程实践课程串联起来，实现各专业主干课程的串联整合，将理论知识教授与实践能力培养全程结合，让学生在动手操作的同时巩固对理论知识的认识理解。

2．学生设计技能与设计成效的一致性。通过培养学生学习应用VR系统的用户界面的能力，强化学生三维形象思维能力的培养，应用数字虚拟视听觉仿真技术这一新型表现工具，实现设计技能和设计成效的一致。全方位提高学生的实际项目能力和就业竞争能力，将学生培养成为熟练掌握虚拟仿真技术的符合社会需求的高素质设计人才。

3．师生互动。传统的教育手段是灌输式的讲授。本项目研究提出的教学改革，旨在将以教师为中心的单向交流式教学法转变为交互式、形象化的教学方法，在课程教学过程中有良好的师生互动，使学生由以往被动式接受知识转化为主动地获取知识，从而充分调动学生的学习兴趣，极大地提高学习效率和教学质量。此外，学生可以课程的优化，参与数字模块的录制编码，提供优良的数字模块来帮助教师丰富和完善课程的三维数字平台。

4．现代多媒体技术的深入应用。多媒体教学集图形、声音、动画和文字于一身，使空间投影原理和分析由静态变为动态，图、物之间的转化关系更为形象生动，教学过程图文并茂、生动直观、信息量丰富。通过现代多媒体技术的深入应用，建立具有交互和漫游功能的三维虚拟场景，可使本来呆板的条文、概念与图形变得生动直观，为学生提供逼真的空间体验。

四、虚拟仿真技术实现条件

（一）硬件场地条件

浙江工商大学艺术设计学院和旅游与城市管理学院拥有良好的硬件教学环境，现有环境艺术设计实验室、建筑与环境设计模型制作基础实验室、资源环境与城乡规划管理实验室等多个实验室，已经采购了一些基本设备，形成一定的规模和框架，为本项目的实施提供了坚实的物质保障。

（二）师资条件

合作申报本项目研究的两个学院在所设专业建设方面已有较好基础，专业人才的不断引进，师资和科研力量的日渐增强，为本项目的开展提供了人力资源的保障。

（三）跨学院合作条件

本项目研究由艺术设计学院和旅游与城市管理学院合作申报，本着“学科融合、资源共享”的原则，通过跨学院、跨学科合作平台，可借助现有良好的教学和科研条件，充分利用两学院现有师资、实验室等软硬件资源。

（四）社会实践与工程项目条件

本项目研究的实施还将通过大力加强与外部企事业单位的合作，使学生在拥有良好的学习平台的同时，还可以在社会实践平台上对自己的设计操作能力进行巩固，从而实现本项目研究面向社会培养高素质建筑艺术设计人才的目标。

此外，本项目在研究实施后，可以走一条“产学研”结合的道路，具备相当的自身造血功能。另外，由于学科专业的发展和市场的变化，本项目所需设备将因实际需要有所变动。

参考文献

［1］杨慧．虚拟现实用于建筑设计的关键技术［J］．建材与装饰，2008（7）：71—72．