吳 曼 張 群 Wu Man & Zhang Qun

(1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037；2.淮安市政設(shè)計研究院有限公司，江蘇淮安 223005)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

美國VPL公司的Jaron Lanier在1989年首次提出了虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)一詞，它與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)成為21世紀最具發(fā)展前景的三大計算機技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通常是指數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等一系列新型交互設(shè)備，用來模擬出讓人體驗或感知虛擬環(huán)境的一種計算機軟硬件環(huán)境，這種模擬環(huán)境是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。除計算機圖形技術(shù)營造的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、動作捕捉等感知，多感知的混合運用可以給用戶提供一種全身心的沉浸式體驗（圖1）。它的沉浸感、交互性和想象力這三大特征（簡稱3I特征）可以將虛擬空間的營造的更加成熟（圖2）。因此，在室內(nèi)空間設(shè)計中運用將虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以使用戶切身感受所設(shè)計的虛擬環(huán)境，通過其中的交互操作對室內(nèi)空間進行多角度、全方位的虛擬漫游[1]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在室內(nèi)空間表現(xiàn)中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗設(shè)計操作相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以視覺為主的新的交互界面配合可穿戴聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在空間表現(xiàn)、設(shè)計方法和技術(shù)思想上都有了質(zhì)的提升。它通過綜合計算機仿真技術(shù)、人工智能、計算機圖形學(xué)、即時交互、互聯(lián)網(wǎng)、動作捕捉與傳感等技術(shù)將設(shè)計者“傳送”到需要營造的空間環(huán)境中，再由計算機營造的自然實際空間里進行藝術(shù)表現(xiàn)和環(huán)境營造[2]。

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)空間表現(xiàn)的藝術(shù)性

通過虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）以及混合現(xiàn)實（MR）等人工智能技術(shù)進行空間表現(xiàn)的形式形成了一種新的藝術(shù)形式，即虛擬現(xiàn)實藝術(shù)。它與傳統(tǒng)藝術(shù)表現(xiàn)形式的最大的區(qū)別在于超文本性和交互性[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)空間表現(xiàn)手法是通過內(nèi)在復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算和技術(shù)集成，給設(shè)計者提供精簡的可視化和即時交互的設(shè)計方法，它能夠?qū)⒎彪s的計算機語言轉(zhuǎn)換為全新的認知與行為體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)獨特的藝術(shù)性體現(xiàn)在以新的人機交流方式進行交互表達，實現(xiàn)創(chuàng)造的作品與設(shè)計者之間對話，塑造出更具表現(xiàn)張力的沉浸式藝術(shù)環(huán)境。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)空間表現(xiàn)的交互性

設(shè)計師通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR、AR、MR），不僅可以構(gòu)建出極具想象力的藝術(shù)空間，還搭建出一個具有強烈對話意識的交互平臺。設(shè)計者可以借助泛虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進其他參與者與空間之間的溝通，獲得即時反饋，從而更好的把握參與者對空間的需求。同時，可以通過動作捕捉設(shè)備對參與者的行為模式進行記錄，為對空間效果、空間解構(gòu)、空間重塑提供意識性的參考元素。在泛虛擬現(xiàn)實中，AR（增強現(xiàn)實）、MR（混合現(xiàn)實）又可以將數(shù)字空間與現(xiàn)實空間完美結(jié)合，真正實現(xiàn)人與信息的交互體驗，賦予參與者更多的參與感和再創(chuàng)造的權(quán)利。2016年來自瑞典的家居品牌宜家（Ikea）推出了一款虛擬現(xiàn)實App，宜家VR體驗（IKEA VR Experience）名為“虛擬現(xiàn)實廚房”（Virtual Reality Kitchen）。消費者可以在購買前，通過VR技術(shù)預(yù)覽裝修效果（圖3）。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能家居室內(nèi)空間中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)物體之間通信，是信息空間與物理空間的融合，聯(lián)結(jié)數(shù)字應(yīng)用和物理應(yīng)用，將事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。在物與物、人與物及人與環(huán)境之間實現(xiàn)高效信息交互，有效連接物理的實體與虛擬的網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠不受時間和空間的限制，用戶可以遠程遙控家中的各個物理實體[4]。智能化系統(tǒng)首先在美國建筑界得到實施和應(yīng)用，之后被各個國家引用并廣泛的應(yīng)用到辦公系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)和工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域。智能化系統(tǒng)隨著社會的變化而變化，具有柔性和彈性，自然在家居環(huán)境中也出現(xiàn)了智能化系統(tǒng)的身影[5]。智能家居系統(tǒng)本身就是物聯(lián)網(wǎng)影響下的產(chǎn)物，基于虛擬現(xiàn)實的智能家居系統(tǒng)是在智能家居空間的基礎(chǔ)上利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)、安全控制技術(shù)、綜合布線技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等將與家居生活相關(guān)的所有設(shè)備集合。將無序的、零碎的、混亂的解構(gòu)空間構(gòu)建成為一個有序的、有邏輯的整體是虛擬現(xiàn)實智能家居系統(tǒng)的主要作用，以提升家居空間的安全性、舒適性、便捷性和裝飾性。

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的一種，其作用在與增強現(xiàn)實空間中的視覺感受，并且對增強現(xiàn)實空間中的虛擬物體進行交互控制的方法[6]。物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)連接了家中的各種設(shè)備，為家居環(huán)境提供照明控制、供電控制、網(wǎng)絡(luò)控制、安防控制、暖通控制、電器控制、環(huán)境檢測控制、定時控制等多項功能，而增強現(xiàn)實技術(shù)可以在現(xiàn)實空間的基礎(chǔ)上通過物體識別技術(shù)、動作實時捕捉技術(shù)、建模成像技術(shù)來構(gòu)建各個控制系統(tǒng)的控制終端，實現(xiàn)隨時隨地的調(diào)控整個家居空間里的各項功能以達到身體舒適的環(huán)境，全方位與居住空間實現(xiàn)信息交互，優(yōu)化生活方式，創(chuàng)造更加高效、便利、環(huán)保的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)中信息顯示和實時反饋是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。信息顯示和實時反饋的意義在與快速的搭建人與居住空間的交互平臺，其中通過增強現(xiàn)實的顯示器，用戶可以在處在空間的任意地點和時間獲得居住環(huán)境的各項數(shù)據(jù)，將其作為調(diào)節(jié)空間環(huán)境的參考信息，再結(jié)合現(xiàn)實的情況和人體感受即時控制如溫控開關(guān)、電器開關(guān)、照明開關(guān)、窗簾開關(guān)、安全系統(tǒng)開關(guān)、環(huán)境監(jiān)測開關(guān)等。即時反饋則是給予物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)使用者人體處于舒適時室內(nèi)居住空間的各項數(shù)值，以便于智能系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)儲存，調(diào)節(jié)出更適于個體的健康居室環(huán)境，實現(xiàn)居住空間對使用者私人定制的環(huán)境空間[7]。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)工作原理

圖2 虛擬現(xiàn)實3I特征

圖3 宜家APP“虛擬現(xiàn)實廚房”

圖4 傳統(tǒng)室內(nèi)空間設(shè)計與虛擬現(xiàn)實輔助設(shè)計對比

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)空間的解構(gòu)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)空間是將整體空間進行分解從而得到單元信息，再通過分解的單元來生成與現(xiàn)實相同或增強的模擬空間。虛擬場景的建模、數(shù)據(jù)管理、繪制以及交互信號的組成，都來源于對室內(nèi)空間的剝離式解構(gòu)、對場景的細節(jié)的把握和對室內(nèi)空間感官元素的捕捉。

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)空間的拆解

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過即時顯示器對真實的場景進行采集，取得視頻或者圖像，將其分解成為獨立的單元，將未進行拆分的整體室內(nèi)空間按照不同的邏輯路線進行歸類劃分，并且即時反饋給設(shè)計者或用戶，以便于設(shè)計者或用戶對整體空間進行細節(jié)觀測，從而收集多元化的信息和元素。拆分出的視覺元素以數(shù)據(jù)信息的方式進行儲存，而設(shè)計者或用戶同樣會獲得有關(guān)室內(nèi)空間布局、裝飾元素、家具尺寸等的模糊意識，這些都有助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)對住宅室內(nèi)空間構(gòu)建全新的場景，完成對室內(nèi)空間的重塑[8]。

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)空間的分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在對室內(nèi)空間元素進行拆解后，計算機獲得的視覺元素以及人所得的視覺映射印象可以為虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供可供參考的數(shù)據(jù)支持，以完成對室內(nèi)空間可視化的分析，為空間無序的組織形式提供具有一定理性參考信息，便于設(shè)計師或用戶建立對室內(nèi)空間初步印象，為室內(nèi)空間的重塑收集一切有用的數(shù)據(jù)元素和視覺化元素。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)空間的重塑

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對室內(nèi)空間的重塑建立在兩個方面，一個是基于室內(nèi)空間解構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，一個是基于增強現(xiàn)實技術(shù)的高清晰度場景重構(gòu)。

4.1 基于室內(nèi)空間解構(gòu)的數(shù)據(jù)分析

增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由四部分構(gòu)成，它們是虛擬場景生成單元、頭部跟蹤設(shè)備、透射式頭盔顯示器和交互設(shè)備[9]。其中虛擬場景生成單元主要承擔虛擬場景的建模、繪制、管理工作以及管理其它外設(shè)；頭部跟蹤設(shè)備主要用于用戶視線變化的跟蹤；透射式頭盔顯示器負責將虛擬和現(xiàn)實融合后的信號顯示出來；交互設(shè)備則負責輸入和輸出用于實現(xiàn)環(huán)境控制操作及感官的信號。這些基于空間解構(gòu)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建立是為了便于對精確場景的理解，從而完成空間模塊的搭建，實現(xiàn)理性有序室內(nèi)空間的塑造[10]。

4.2 基于增強現(xiàn)實技術(shù)的高清晰度場景的重構(gòu)

空間解構(gòu)的數(shù)據(jù)分析為高清晰度場景的建立提供了完備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和信息儲蓄，接下來就需要增強現(xiàn)實技術(shù)中的物體檢驗和識別技術(shù)、跟蹤定位技術(shù)、虛擬場景生產(chǎn)技術(shù)等對場景進行建模、渲染、顯示。物體檢測和識別是用于搜尋室內(nèi)空間中的各單元目標，這也是對空間構(gòu)建中的最基本的一項技術(shù)，它不僅要識別人物此時在場景中的位置，還需要定位住宅室內(nèi)空間中虛擬物體的位置，以建立人與空間構(gòu)建的物體虛擬框架。跟蹤定位技術(shù)主要由硬件和視覺兩種類構(gòu)成。硬件跟蹤的方法主要分為光學(xué)跟蹤和慣性跟蹤；而視覺跟蹤方法則更具有拓展性，也更依賴于優(yōu)化算法來解決跟蹤精度問題。總體來說跟蹤定位技術(shù)是為了實現(xiàn)在室內(nèi)空間中人與機器之間實時交互、跟蹤渲染，它能夠捕捉人或物體在空間中的即時狀態(tài)，為空間的動態(tài)構(gòu)建提供移動時的數(shù)據(jù)信息。

虛擬場景生產(chǎn)技術(shù)是在整個空間的重構(gòu)中扮演視覺傳輸?shù)淖饔?，不論是將整個空間重新構(gòu)建的虛擬空間，還是將原有現(xiàn)實進行增強的虛擬空間，虛擬場景的渲染都至關(guān)重要，它能夠為設(shè)計者或使用者提供一個基于識別技術(shù)和跟蹤定位技術(shù)的視覺空間，同時通過設(shè)計者或使用者的意志將原有空間沒有或者缺失的空間元素進行補充，完成整個室內(nèi)空間的重塑[11]。

5 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的室內(nèi)空間設(shè)計新思路

上世紀90年代開始，在模型實體制作、信息交流和管理、藝術(shù)及娛樂等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。歐美、日本等發(fā)達國家，家具商和房地產(chǎn)商們也廣泛將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的展示和商品的促銷。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在社會和生活的各個領(lǐng)域，其中也包括在室內(nèi)空間設(shè)計中的應(yīng)該用[12]。室內(nèi)空間設(shè)計的目的是創(chuàng)造出能夠同時滿足人們物質(zhì)和精神兩方面的室內(nèi)環(huán)境，因此，該環(huán)境不僅要求功能合理，舒適優(yōu)美，而且還要能夠體現(xiàn)該室內(nèi)空間所承載的環(huán)境風格、歷史文脈及人文精神。室內(nèi)設(shè)計的過程包括前期的項目調(diào)研、方案設(shè)計、設(shè)計施工等，給用戶傳達設(shè)計方案的方式主要通過設(shè)計制圖、設(shè)計效果圖、實體模型、電腦輔助設(shè)計來實現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有浸入感和交互性的特點，非常適合用于室內(nèi)空間設(shè)計，有利于發(fā)掘室內(nèi)空間設(shè)計潛力，同時也更容易得到敢于接受新事物的設(shè)計師們的青睬（圖4）。現(xiàn)在，很多設(shè)計師都會運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為展示自己設(shè)計方案的一種手段，而這種趨勢對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展也是一種促進。

傳統(tǒng)的室內(nèi)空間設(shè)計中，無論是在設(shè)計方案交流、對比還是施工設(shè)計上，設(shè)計師按照用戶的意愿及個人經(jīng)驗做出設(shè)計，其設(shè)計構(gòu)思、設(shè)計風格和裝飾細節(jié)均通過圖紙展示，用戶根據(jù)設(shè)計師的圖紙了解方案，并對方案提出修改意見。這種方式雖然雖然可以考察和鍛煉設(shè)計師的空間思維能力和圖紙表達能力，但是圖紙表達畢竟只是在二維平面上展示三維的空間效果，設(shè)計師往往并不能把自己的設(shè)計意圖和風格全面細致的傳達給用戶，同時用戶也無法對整體空間進行把握和理解。這就形成了設(shè)計師的表達和用戶的期望值之間的落差，較大的落差也會導(dǎo)致方案的反復(fù)修改，大大增加了設(shè)計周期和設(shè)計成本，同時這種落差往往在方案落地后會表現(xiàn)得更加明顯。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)給予室內(nèi)空間設(shè)計更強的表現(xiàn)力，用一種直觀的面貌展現(xiàn)出來，這項技術(shù)能讓設(shè)計師在做設(shè)計方案時全方位觀察室內(nèi)空間，并及時做出調(diào)整，同時也能感受到整體環(huán)境是否融合，給予設(shè)計雙方更多新的體驗和設(shè)計思路。

5.1 設(shè)計雙方的交流

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的人機交互系統(tǒng)，用戶可以通過虛擬室內(nèi)空間環(huán)境，加強空間感受，準確快速地表達設(shè)計需求，同時設(shè)計師可根據(jù)用戶的不同社會經(jīng)濟背景和他們提出的適合自己的設(shè)計需求，再加上項目本身的環(huán)境和自然條件，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中根據(jù)實際情況調(diào)整數(shù)據(jù)，提供不同的方案給用戶進行選擇。從而使合作雙方能有更具體和直接地交流互動，做到細微準確地明白雙方意圖，避免不必要的誤會[13]。

5.2 設(shè)計方案的比較

設(shè)計師在設(shè)計過程中，經(jīng)常會提出不同的方案，通過比較來確定最終的結(jié)果。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的三維空間中，可以將各個方案展示出來進行實時對比，通過現(xiàn)場切換，在各種角度觀察方案，這樣很容易看出每個方案的特點與不足，從而可以進一步對方案進行選擇。在同一個方案中，也可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對設(shè)計方案的局部做一些調(diào)整與修改，然后實時分析比較修改前后的方案，最終得出最為合理和滿意的設(shè)計。

5.3 設(shè)計技術(shù)的論證

在室內(nèi)空間設(shè)計中，設(shè)計師在充分考慮室內(nèi)空間的功能和用戶需求的同時，還需要兼顧到施工技術(shù)方面的可行性。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅僅可以在設(shè)計空間上進行仿真模擬，還可以在技術(shù)上進行仿真，比如在動力學(xué)、運動學(xué)等方面，這樣就可以模擬室內(nèi)空間設(shè)計的施工過程。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬施工過程，可以對施工計劃、施工技術(shù)的合理性和有效性進行檢查，避免實際施工過程中問題的發(fā)生。

6 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)是信息科學(xué)領(lǐng)域的新興技術(shù)，通過人和計算機之間復(fù)雜的信息交互，制造人工仿真環(huán)境，可以有效地應(yīng)用于室內(nèi)空間的設(shè)計。在表現(xiàn)手法上，它建立的虛擬環(huán)境可以給予設(shè)計者更多可能性，革新了傳統(tǒng)設(shè)計方法，實現(xiàn)設(shè)計者與室內(nèi)空間的意識對話，同時賦予計算機技術(shù)更多的藝術(shù)表達途徑；而對使用者來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的介入給予空間更多元的選擇，使得室內(nèi)空間設(shè)計更為合理、高效，設(shè)計表達更為直觀，有助于對整體空間實現(xiàn)從細節(jié)到整體的科學(xué)把控。室內(nèi)空間環(huán)境借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的解析數(shù)據(jù)到模型成像完成對空間的解構(gòu)與重塑，突破了設(shè)計體驗、人機交流的壁壘，將幫助使用者實現(xiàn)空間溝通和資源調(diào)控的優(yōu)化，建立更人性化、科學(xué)化、環(huán)?；氖覂?nèi)空間。