计算机虚拟现实技术在建筑景观重现中的研究与应用改.docx

1、计算机虚拟现实技术在建筑景观重现中的研究与应用改计算机虚拟现实技术在建筑景观重现中的研究与应用 作者：谢京鹏 摘要:本论文首先从计算机虚拟现实技术本身的概念出发，主要探讨了虚拟现实技术的的三个主要特征和其复杂的技术系统构成要素，还介绍了虚拟现实技术在建筑景观中的关键性技术手段，并且分析了虚拟现实技术于建筑景观应用的好处，所谓的计算机虚拟现实技术( Virtual Reality Technology 简称VR技术 )即是通过计算机网络技术对现实事物做出模拟和研究。作为数字城市的支撑技术之一的计算机虚拟现实技术，对建筑景观重现具有极为重要的意义。它具有安全、低成本、几乎不受环境条件的约束、随时可

2、按意愿改变时间或是比例尺等实际优点，就目前的建筑景观设计中已成为集设计、运行、分析、评估系统为一体的常用工具。并以广州市城市规划勘测设计研究院规划设计的珠江新城虚拟系统为例，集中探讨了虚拟现实技术应用于建筑景观的具体实施，最后对该项目虚拟现实系统进行客观性的评价，即提出了关于虚拟现实技术的应用劣势。关键词:虚拟现实技术；建筑景观；虚拟环境；研究和运用 虚拟现实技术最早起源于二十世纪末的美国，它是一种综合性很强的信息技术。主要是通过计算机来模拟计算真实的现场施工环境，通过逼真的视听触三位一体的感受来表现特定范围的虚拟环境，用户可以在完全根本还不存在的环境中体验游历过程，使人可以产生身临其境的感受

3、。 虚拟现实技术应用于自上个世纪80年代的美国，在这期间展开了有关建筑景观的数字模型作为研究的重点。主要的适用领域是应用在虚拟现实技术的建筑、景观等工程中。目前国外在建筑景观设计中开始对虚拟现实技术进行应用型探索，比如说开始建立了相应的由建筑外观，建筑内结构，景观带，景观小景等组成虚拟现实系统的软硬件配套环境设施，研究建筑景观工程在虚拟环境下三种视点的漫游形式。在国内的建筑景观领域中，就目前有关虚拟现实技术的应用与研究还处于刚刚萌芽发展的阶段时期，虚拟现实技术的在国内的研究项目中的应用还是岌岌可危的，也很少有所涉及。总之, 虚拟现实技术在建筑景观领域中的基础性理论研究与应用都有待进一步完善。

4、由于虚拟现实技术的不成熟，所以导致在建筑景观中的应用就目前来说还很有限。尤其在国内目前主要还是利用三维建模与视觉模拟等技术手段，从而将整体方案直观地展现在计算机中，最大的好处是可以帮助相关设计人员对各种规划设计方案更加直观地进行后期的评估与方案的审核。而目前国外较先进的技术中，已能实现在虚拟现实系统中进行虚拟漫游，可以更直观的体验规划的成果。 因此，本论文拟在以下论述中虚拟现实技术的相关理论成果:首先是虚拟现实技术及其特征，其次是在建筑景观中的关键技术等，论述虚拟现实技术运用于建筑景观的优势和意义，并以广州市珠江新城虚拟现实的建筑建设为例，从而探讨虚拟现实技术在建筑景观中的实施步骤，使大众对虚

5、拟现实技术及其在建筑景观中的应用有更深层次的了解，从而促使虚拟现实技术在建筑景观中的得到更为广泛的实效。1虚拟现实技术1.1虚拟现实技术与其特征虚拟现实技术，是利用计算机虚拟生成一个模拟现实，逼真的交互性的动态界面，人们可以通过诸如视觉，听觉，触觉，嗅觉的感官来对某个建筑景观虚拟对象的虚拟实体进行交叉互动的信息交流，并使人产生一种仿佛身临其境的逼真感受，它同时具有可查询，可分析，可评价，可执行和决策等多项功能。虚拟现实技术同时具备了交叉互动性、真实感和联想程度这三个基本的特点。交叉互动性指在虚拟环境中，用户对特定的地理环境的可操作程度和从中得到反馈的自然程度，还包括了实效性的特点。这种交叉互动

6、主要通过比如头盔显示器、数据手套等这些专用设备来实现。真实感，真实感又称临场感，指用户在虚拟环境中感知到真实情况的程度系数，主要让用户感觉自己是虚拟环境中的一个部分，并能沉浸于虚拟环境中去体验。 联想程度指设计人员通过主观意识的自我推理逻辑判断或是联想等思考行为，在虚拟环境中根据所获取的多种多样的信息，对设计人员自身在在虚拟系统中的动态行为，随着系统的运行状态的更改，主动对其本身的发展态势进行相关的想象的能力。1.2虚拟现实在建筑景观中的应用1.2.1虚拟现实技术与建筑景观的结合 随着虚拟现实技术的不断成熟及其在建筑景观中应用的不断深入，建筑景观的延续性和前瞻性在近年来的要求不断得到提高，建筑

7、景观领域一直对现实虚拟技术最为紧迫需求的领域。用户还可通过感知空间设计的合理性来将各种规划方案构建于一个虚拟环境中进行评估与方案评审，从而避免实际实施方案时所消耗的成本和时间，这对提高建筑景观设计的效率有着重要的作用。在建筑景观领域中运用虚拟现实技术的最大好处是应用于建筑景观领域可以起到弥补传统建筑景观与设计在表现形式上的短处。首先，用户包括设计和规划人员在内都可以在虚拟的三维地理环境中进行交互式的体验活动，以便于进行评估与方案评审或修改规划方案，从而大大提高了方案审批的速率;其次，可以向评审者或大众展示设计方案的内容。科学、客观、合理地演绎建筑景观的发展变化过程，通过虚拟现实技术的再现建筑景

8、观设计的方案，可以减少更或者避免由于规划设计方案的不合理而带来的巨大损失。1.3虚拟现实技术的相关应用(1)三维建模技术通常为了实现基于web三维虚拟世界，在建筑景观设计中，必须建立有大量的相应三维模型。三维模型的建立是整个虚拟现实世界的基础工程。虚拟现实技术中的三维建模技术主要分为两大类:一是几何数字建模，二是行为建模。几何数字建模是基于物体的几何形态和外形特点等信息的模拟表现，主要研究图形数据等有关问题。行为建模顾名思义是对物体的运动和行为轨迹的综合描述，通常被称为动画。较常用的主要包括3D Max、 Maya、reator等用于虚拟现实系统中的建模常用工具软件。 用户利用建筑景观设计建立

9、的3D虚拟空间状态可以在网上进行漫游并且实现多用户的交流互动，并且还可以针对展示结果提出对建筑发展规划的意见和后期修改措施。(2)人机交互技术在计算机系统的虚拟空间中，虚拟现实技术是可以通过人的耳朵、嘴巴、眼睛、手势等各种感官直接与之发生交叉互动的技术，它是一种新兴的信息综合性很强的技术，它集中融合了数字图像处理技术、多媒体技术、传感器技术、计算机的图形学等多方面的信息技术，它的研究目标是消除人与计算机之间所处环境的障碍，这便是虚拟环境下的人机交互技术。(3)实时动态绘制技术虚拟现实系统要求随着用户的活动变化轨迹实时生成相对应的图形图像画面，也就是说，虚拟现实技术系统中最重要的特点就是人可以在

10、随意变化的交叉互动情况下感受场景的动态特征。目前，三维图形生成技术已经相当成熟，关键问题在于如何实现模型的实时技术。在建筑景观中的环境虚拟是最为典型的大场景，数据处理的过程中难以达到实时绘制的技术要求是因为具有数据量庞大的特点，所以常常需要高性能配置的计算机才能得以实施，如建立计算机图形处理工作站等。 (4)传感器技术和立体显示技术虚拟现实技术的发展受到很多因素的影响，主要是基于传感器技术与立体显示技术的共同进展。三维立体得以实现显示的主要方法就目前的市场上来说大致有四种途径，一是体视法，二是集成成像法，三是体素法，四是基于全息显示技术。究其本质来说，前三种方式并非严格意义的三维信息技术，而全

11、息显示技术是基于再现原本物体原型，存贮其详细的三维信息的途径。在多媒体展示科学的快速虚拟成型技术时，数字全息三维显示技术为大众提供了理想的视觉媒介。2实证案例：广州市珠江新城 综合上述理论，以广州市建筑景观勘测设计研究院研究人员规划设计的珠江新城的城市建筑仿真系统，介绍虚拟现实技术应用于建筑景观的主要实施步骤。 珠江新城虚拟仿真系统采用虚拟现实技术与三维可视化技术相合并建立的三维虚拟仿真系统，它的虚拟仿真系统的建立是以二维的数据信息和规划成果数据及其他数据为数据基础的，整个系统可进行交叉互动式的程序操作。首先通过美国三维仿真领域的龙头企业 MultiGen-Paradigm公司的Creator

12、 Terrain Studio是一个独特的3D场景，材质制作工具建模软件，它主要起到建立珠江新城三维模型的作用，再利用Vega软件环境对该模型进行驱动和功能开发和VC编程语言对其进行尽一步的分析。 2.1实例区位概况 珠江新城的地理位置实属特殊，它位于中国三大城市之一的广州市的天河区，地处海珠，天河及越秀的交叉处，东接华南快线，西起广州大道，近靠珠江，北面直通黄埔大道，九二年开始开发规划的珠江新城，用地规模6.2平方公里。城市空间位置的优越性是他发生巨大的变化的重要原因，珠江新城由于在改革开放的背景下，广州经济迅速发展的力量带动了一个新的商业中心的形成，在以天河体育中心为中心的地区逐渐形成了统

13、一的商务氛围，由此开始组建了一条崭新的城市发展轨迹，不仅贯穿了高楼林立的南部建筑团，还连接了西边传统的商务区域越秀区和待开发的东部地区，地理位置可以说是得天独厚，无可挑剔。规划中的珠江新城西区以商务办公为主，东区以居住生活休闲为主，在广州城市新中轴线上和珠江景观带的交叉处，有着多处规划拟建的项目，例如广州歌剧院、广州观光塔等建筑。2.2虚拟仿真系统软硬件设施的选择硬件环境:，采用高配置的PC机，目的是为保证较好的运行情况。人机接口设备则采用大屏幕显示器、键盘、鼠标的PC机的基本配置。运行机器的配置为:PentiumIV；内存 512 M；硬盘 128 GB；主频 2.4 G；显卡 GeForc

14、e 4600。 软件环境:采用两种主要操作系统：Windows NT操作系统，Microsoft Access数据库系统。三维建模软件为 MultiGen Creator;软件编程工具采用 Visual C+ 6.0。2.3数据的采集转换工作 数据采集工作是将拍摄的建筑航拍照片经过智能扫描后，人工数字转入虚拟现实技术软件中的过程，并通过使用图像分割和边缘查找的方法重新生成图像，并在这基础上进行过滤处理。通过记录下来的各种数据信息的语言转换分析，分门别类转入虚拟的建模软件中去进行其他的工作。2.4虚拟场景建模及后期渲染 目前可以直接利用Open GL 建立相应的开发专门的建模工具或模型库来进行分

15、组建模，但这样做的弊端是工作量很大。另一种方法是用Auto CAD, 3D Max等常用的建模工具建立起三维模型，最终通过编程或借助其他辅助工具，将模型导入模拟的视景中。在建筑物、构筑物等虚拟场景建模过程中建议使用软件为CAD,3D max, GIS软件和虚拟现实语言等三维实体的制作。除了三维实体外，还包括这些物体的三维信息，如光源方向，光源特性等，比如材料的质地，光泽度，透明度等以及场景信息。 2.5珠江新城虚拟仿真系统评价及思考 开发设计人员及规划人员从某种意义上可以通过本文上述方法和实施步骤建立对珠江新城的虚拟漫游系统。由于复杂的虚拟现实技术的和对软硬件的要求比较高的原因，在实践中，最终

16、可以建立上述系统的主要功能，侧重于直观显示和查询处理，但是却被忽视未能达到真正意义上的漫游。如图2所反映，其中显示功能表现在任意的缩放旋转、行进的动画功能，还比如可以沿任意路径行进和鼠标引导浏览当前模型，还可以进行二维空间的导航图。 在属性中查询数据信息，根据数据库内的信息查询出选中目标的信息是系统的查询功能主要体现之一，比如建筑物的建筑名称，建筑面积，建造单位和落成时间等信息。 该系统就其展示效果来说，不仅可以真实地记录广州珠江新城每一栋建筑的地形地貌特征、城市空间地理位置和重点地段的建筑物三维外轮廓，还可以直观地形象地反映珠江新城的整体面貌特征，从而使得大众对珠江新城的视觉效果可以进行完整

17、的方案评估。另一个优势是对进行模拟方案的直观比较。 但本论文认为，虚拟现实系统往往需要处理大面积，大尺幅的城市建筑景观三维场景，这从中涉及了大量数据的采集，存储，分析，查找替换，显示更新等环节的处理，这也就意味着虚拟现实系统建设过程中数据信息的建立以及管理成为首要解决的决策性问题。要想解决这一难题，人们还需要对虚拟现实技术进行进一步的探索和研究。 然而，虚拟城市系统的建设需要大量的人力，物力和财力，不应单纯只为特定的时间或地域展现模拟现实，应该同时也为后续的设计施工管理服务。这就需要考虑到建立一个虚拟现实系统，同时必须考虑到在现有的规划数据信息系统和信息管理系统的兼容性问题，从而帮助项目管理者

18、使得规划审批和管理决策更加准确，公正，高效。 最后，虚拟现实技术，计算机图形学，虚拟现实系统，都对系统具有较高的硬件要求。规划人员必须找到通过讨论和实践适合的虚拟现实系统的硬件平台。 3 结论当虚拟现实技术在建筑景观中得以运用和实施时，虚拟现实技术在建筑景观中应用的也渐渐得到了广泛的关注深入，在提高建筑景观的科技含量和推动数字化建筑景观的发展建设方面，起到了积极的推动改革作用。当计算机技术，虚拟现实技术和互联网技术共同发展的同时，虚拟现实技术也为确保建筑景观与设计的科学性提供了更大的支柱。 虽然如此，但就目前的虚拟现实技术发展水平来看，它的发展依然还有诸多弊病的存在，归更到底是因为我国的虚拟现

19、实技术的发展在国内建筑景观领域中还应用的不够深入。主要是由于以下几个方面的原因造成的:从目前的技术手段来说，建筑景观相关涉及环境因素范围广泛，从而三维模型所需要的数据量也是巨大的，这就导致了后期处理中数据处理和三维建模中的工作容量大大提高，造成人力和物力上的损失。再说软硬件方面，当前市场的三维建模软件局限性较大，主要还只是擅长对建筑三维模型的建立，而对大量现建筑三维景观模型建立适宜自身的软件与品牌还不多，尤其就国内市场更是较为狭窄。还有一点，计算机模拟虚拟现实技术的实施过程方面对计算机的软硬件环境问题有着极高的要求。从某种意义上来说，一套真正完整的虚拟现实系统往往需要很长的工作周期，有时建设几

20、个月的时间，有的甚至要几年，这其中所带来的人力物力的资金投入耗费大。由于目前的有关技术缺乏统一的信息管理评价的准则，模式化问题已成为当前制约我国虚拟现实技术发展或其他虚拟化工程建设的一大短板，在这样的情况下可以看出建立虚拟现实的系统中实现随时随地的数据共享、交流、重组的重要性。1 刘育东.数码建筑.大连:大连理工大学出版社，20022梁民，刘珍平，张培仁等.虚拟现实在水坝系统中的实现.计算机应用，1999 (8):43- 45.3陈薇，冯炜，焦泽阳.虚拟现实技术与沿江景观研究律筑学报，2001 (6):9- 12.4沈金良.虚拟现实技术在工程设计中的应用J.科技交流，2004, (3)5谢行浩.建筑工程系统仿真M.北京:科学出版社，2001.6 胡小强.盛拟现实技术基础与应用M.北京:北京邮电大学出版社，2009.7幻李勋祥.盛拟现实技术与艺术M.武汉:武汉理工大学出版社，2007.8刘增良，张保钢.虚拟现实技术在城市规划方面的应用研究J.北京测绘，2008(4): 1-39吴访升，潘志庚.虚拟现实技术在城市规划设计中的应用J中国计量学院学报，2002, 13(4): 9-1410朱晓华，肖彬.地理科学中的虚拟现实技术及其应用J.南京南京师范大学学报，1999, 22 (3): 105-109