張俊峰 丁 聰 田偉麗

（華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

虛擬仿真（Virtual Reality，VR）［1］技術(shù)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)。用戶可借助必要的設(shè)備，與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，二者相互影響，可使用戶產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)［2-3］。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)已不再局限于計(jì)算機(jī)圖像，其在建筑、醫(yī)療、教學(xué)和藝術(shù)等領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。尤其是在建筑空間體驗(yàn)和評(píng)價(jià)中，VR技術(shù)展現(xiàn)出較大的潛力，其逼真性和實(shí)時(shí)交互性可為建筑設(shè)計(jì)中的空間尺度認(rèn)知能力培養(yǎng)提供強(qiáng)有力的支撐［4］。

建筑設(shè)計(jì)是在建造建筑物前制定方案，并以圖紙或文件的形式進(jìn)行展現(xiàn)的［5］。建筑設(shè)計(jì)者按照建設(shè)任務(wù)來(lái)預(yù)定設(shè)計(jì)，對(duì)建筑材料、工程資金估算和工程施工等進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算，能有效提高建筑的施工效率，避免施工過(guò)程出現(xiàn)缺陷。一般建筑設(shè)計(jì)應(yīng)做到基本單元、連接構(gòu)造、構(gòu)建、配件及設(shè)備管線的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，盡量采用少規(guī)格、多組合的方式來(lái)構(gòu)造多樣化的建筑形式，并使其消防、節(jié)能、降噪和抗震等滿足相關(guān)規(guī)范要求，使建筑物在建設(shè)完成后能充分滿足用戶（社會(huì)面）的使用需求［6］。

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)者以二維圖紙、視頻資料、現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)和實(shí)際量測(cè)為主要建筑環(huán)境體驗(yàn)方式。在二維圖紙和視頻資料中只能截取固定的視角或片段，難以展現(xiàn)全面、直觀的建筑環(huán)境。現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)和實(shí)際量測(cè)易受經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間周期、城市建設(shè)政策等的限制［7］?；赩R技術(shù)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性，將其應(yīng)用于建筑行業(yè)，有助于打破時(shí)空的限制，提高建筑設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，增強(qiáng)初學(xué)建筑設(shè)計(jì)者的興趣和體驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 基于VR技術(shù)的建筑系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 VR技術(shù)原理

VR技術(shù)是由一些基本的軟件和硬件設(shè)施構(gòu)成的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的相互交織，使用戶進(jìn)入與真實(shí)環(huán)境感官相近的沉浸式系統(tǒng)［8］。VR技術(shù)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的作用原理如下。①視覺(jué)感知是通過(guò)人體雙眼中兩張不同視角的物體成像的差異，經(jīng)視網(wǎng)膜處理形成一個(gè)較為立體的圖形，并根據(jù)圖形的深度感知來(lái)產(chǎn)生三維立體效果。②聽(tīng)覺(jué)感知能增大視覺(jué)感知的效果，甚至比視覺(jué)感知更加有效，人的耳朵可通過(guò)聲音來(lái)定位聲源。③觸覺(jué)感知能通過(guò)虛擬物體反饋的作用力或阻力，使用戶感受到物體的大小和方向。

1.2 VR建筑系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高建筑設(shè)計(jì)者對(duì)空間尺度的認(rèn)知能力，以更加真實(shí)的視角來(lái)體驗(yàn)空間感知及沉浸式建筑的創(chuàng)作設(shè)計(jì)。本研究利用VR技術(shù)提供的交互式多源信息融合的三維動(dòng)態(tài)視圖和建筑環(huán)境進(jìn)行仿真，輔助建筑設(shè)計(jì)者在VR空間中對(duì)體驗(yàn)基地環(huán)境、室內(nèi)外空間、光影關(guān)系、尺度感、建筑材料與色彩等建筑設(shè)計(jì)的基本要素進(jìn)行分析，從而能更高地效完成建筑設(shè)計(jì)的推敲和修改?；赩R技術(shù)的建筑系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制VR建筑環(huán)境，從而給予建筑設(shè)計(jì)者以多樣的感官反饋刺激，是一種較為高級(jí)的人機(jī)交互技術(shù)。建筑設(shè)計(jì)者可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行最大程度地開(kāi)展輔助建筑設(shè)計(jì)。

圖1 基于VR技術(shù)的建筑系統(tǒng)架構(gòu)

2 VR建筑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 VR建筑系統(tǒng)

VR建筑系統(tǒng)是以設(shè)計(jì)者為主導(dǎo)，依托軟件桌面端VR驗(yàn)證與虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備完成對(duì)沉浸式空間的仿真設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)者在理清基地環(huán)境的基礎(chǔ)上重復(fù)“發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案技術(shù)與空間問(wèn)題、修改完善設(shè)計(jì)方案、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案”的設(shè)計(jì)過(guò)程，來(lái)提升設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)成果達(dá)成度。為了提高用戶（社會(huì)面）對(duì)VR建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的控制評(píng)價(jià)，本研究以用戶（社會(huì)面）需求為導(dǎo)向，搭建VR建筑設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，全過(guò)程記錄建筑設(shè)計(jì)者各階段的試驗(yàn)成果，有助于用戶（社會(huì)面）監(jiān)管建筑設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)推敲過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的多元共享和在線互動(dòng)交流。建筑設(shè)計(jì)者與用戶（社會(huì)面）的交互過(guò)程如圖2所示。

圖2 建筑設(shè)計(jì)者與用戶（社會(huì)面）交互圖

2.2 VR建筑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

VR建筑系統(tǒng)是基于Unity3D［9］平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，采用HTC VIVE［10］虛 擬 現(xiàn) 實(shí) 硬 件 系 統(tǒng)，并 集 成SteamVR SDK。Unity3D是由Unity Technologies公司研發(fā)的一款三維引擎，被廣泛應(yīng)用于三維視頻游戲、建筑可視化和實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)者可采用.exe的執(zhí)行文件形式為用戶提供工程文件［11］。VR建筑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境詳見(jiàn)表1。

表1 VR建筑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

VR建筑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程包括VR軟硬件環(huán)境搭建、模型和貼圖制作、內(nèi)容開(kāi)發(fā)與優(yōu)化、程序打包與發(fā)布，開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 VR建筑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2.2.1 VR軟硬件環(huán)境搭建。VR建筑系統(tǒng)采用HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，通過(guò)搭建Unity3D的開(kāi)發(fā)引擎環(huán)境，在Unity3D工程項(xiàng)目中下載并導(dǎo)入SteamVR SDK。

2.2.2 VR模型和貼圖制作。根據(jù)建筑需求的CAD圖紙、視頻資料來(lái)建立VR模型和紋理貼圖，從而完成對(duì)VR建筑的材質(zhì)選取、建筑位置和軌跡的設(shè)定、光影和音效的設(shè)置等渲染工作。

2.2.3 VR內(nèi)容開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。結(jié)合VR建筑的需求，基于Unity3D開(kāi)發(fā)引擎和HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備對(duì)VR內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并通過(guò)測(cè)試分析進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.4 VR程序打包和發(fā)布。在完成上述流程后，可將VR建筑設(shè)計(jì)的成果打包成.exe文件，并進(jìn)行發(fā)布。

3 VR建筑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

3.1 VR任務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建

為了提高設(shè)計(jì)任務(wù)場(chǎng)景的真實(shí)度，VR建筑系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量來(lái)采集真實(shí)場(chǎng)景的三維模型，并在Unity3D后臺(tái)中生成1∶1的VR任務(wù)場(chǎng)景，如圖4所示。VR建筑系統(tǒng)可根據(jù)建筑需求來(lái)篩選和完善空間信息，如將市政管網(wǎng)、地質(zhì)條件、歷史遺跡和周邊即將動(dòng)工建設(shè)的建筑可視化后融入虛擬任務(wù)場(chǎng)景中，構(gòu)建可全方位多視角地展現(xiàn)基地特征屬性、可體驗(yàn)空間關(guān)系和尺度、可觀察區(qū)域環(huán)境和人群行為活動(dòng)、可認(rèn)知基地顯性和隱形設(shè)計(jì)影響條件的虛擬任務(wù)場(chǎng)景，從而延展設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)前對(duì)基地認(rèn)知的深度和廣度。

圖4 VR任務(wù)場(chǎng)景構(gòu)建

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

VR建筑系統(tǒng)建設(shè)了涵蓋我國(guó)各區(qū)域具有地域特征的仿真材料數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖5所示。包括1 200多種的常用植物模型、195種不同年齡段與形態(tài)的人物模型、568種不同類型的城市家具和130種不同類型的室內(nèi)家具等。為了能妥善管理數(shù)據(jù)庫(kù)信息，本研究采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)［12］來(lái)搭建數(shù)據(jù)庫(kù)框架，并對(duì)建筑元素的屬性參數(shù)和實(shí)體信息進(jìn)行管理，利用SQL語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的檢索、查詢、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和編輯等功能，Unity3D可對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，從而使設(shè)計(jì)者可根據(jù)個(gè)人設(shè)計(jì)方案來(lái)快速、逼真和高效地構(gòu)建建筑內(nèi)外部場(chǎng)景。

圖5 VR實(shí)驗(yàn)材料數(shù)據(jù)庫(kù)

3.3 UI界面和藝術(shù)效果

界面色彩、空間尺度和藝術(shù)風(fēng)格作為VR建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本要素，使UI界面開(kāi)發(fā)和藝術(shù)效果渲染成為VR建筑系統(tǒng)中的必要環(huán)節(jié)［13］。本研究采用Unity3D軟件中的UGUI系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)者提供高級(jí)圖形化的交互界面，可采用C#和Javascript語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)UI交互，包括按鈕（Button）、標(biāo)簽（Label）、輸入框（TextField）和工具欄（ToolBar）等。藝術(shù)效果的渲染則采用Unity3D著色器（Sha-der）來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形的繪制，設(shè)計(jì)者可使用ShaderLab來(lái)完成個(gè)性化著色器，增加VR建筑的藝術(shù)風(fēng)格，從而滿足用戶（社會(huì)面）需求。

3.4 輔助編輯和空間分析工具開(kāi)發(fā)

為了能幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中科學(xué)地分析空間環(huán)境，并進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，VR建筑系統(tǒng)研發(fā)出信息標(biāo)注、距離測(cè)量、日照光影模擬、土方量計(jì)算等輔助編輯與空間分析工具，如圖6所示。設(shè)計(jì)者在VR任務(wù)場(chǎng)景中進(jìn)行調(diào)研時(shí)，可跟隨人群活動(dòng)路線的動(dòng)態(tài)標(biāo)注來(lái)分析人群活動(dòng)特征，從而精準(zhǔn)測(cè)量各類尺寸，并準(zhǔn)確把握基地環(huán)境與空間尺度。設(shè)計(jì)者在推敲方案時(shí)，可通過(guò)日照模擬來(lái)分析空間的光影變化、利用挖填方工具來(lái)計(jì)算土方量等，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性。

圖6 輔助編輯與空間分析

3.5 建筑設(shè)計(jì)過(guò)程管理

VR建筑設(shè)計(jì)管理平臺(tái)由團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，可與VR建筑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)銜接。VR建筑設(shè)計(jì)者可將建筑設(shè)計(jì)成果打包上傳到建筑設(shè)計(jì)管理平臺(tái)中，用戶（社會(huì)面）負(fù)責(zé)設(shè)置各階段的上傳成果內(nèi)容、時(shí)間節(jié)點(diǎn)及評(píng)分權(quán)重，可根據(jù)設(shè)計(jì)者上傳成果來(lái)綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)者可根據(jù)用戶（社會(huì)面）評(píng)價(jià)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4 VR在建筑行業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用探索

為了驗(yàn)證試驗(yàn)效果，本研究以某建筑設(shè)計(jì)為例，邀請(qǐng)20名建筑設(shè)計(jì)者，按照經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)工作年限的不同，將20人分為10組，每組2人。在每個(gè)小組中，一人使用VR建筑系統(tǒng)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，另一人按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)周期為120 d。建筑設(shè)計(jì)完成后隨機(jī)尋找100名建筑專業(yè)人員充當(dāng)用戶，分別對(duì)滿意度、設(shè)計(jì)方案交付效率（即小組成員在截止日期前能夠如期交付設(shè)計(jì)方案的比例）進(jìn)行評(píng)價(jià)，并從專業(yè)角度對(duì)建筑設(shè)計(jì)的完整度進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)師通過(guò)VR建筑系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后上傳到VR建筑設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，VR建筑設(shè)計(jì)成果與用戶體驗(yàn)交互如圖7所示。

圖7 VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程

經(jīng)過(guò)多組建筑設(shè)計(jì)者的真實(shí)案例試驗(yàn)對(duì)比表明，引入VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式在最終設(shè)計(jì)成果上存在一定差異。①用戶（社會(huì)）面滿意度差異。引入VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果的用戶（社會(huì)面）滿意度高達(dá)90%，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的用戶（社會(huì)面）滿意度僅為75%。②設(shè)計(jì)方案交付效率差異。為凸顯試驗(yàn)效果，在試驗(yàn)過(guò)程將每個(gè)設(shè)計(jì)方案的正常交付時(shí)間縮短為80%。試驗(yàn)結(jié)果表明，引入VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案，78%以上的設(shè)計(jì)者都能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成建筑設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式僅有60%的設(shè)計(jì)者能交付設(shè)計(jì)成果。③設(shè)計(jì)方案規(guī)范性。引入VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)者對(duì)單體、建造群體組合、外部空間環(huán)境、重要節(jié)點(diǎn)詳細(xì)設(shè)計(jì)等的規(guī)范性高達(dá)93%，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中設(shè)計(jì)者的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范性為82%。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 VR試驗(yàn)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式對(duì)比

綜上所述，引入VR輔助的試驗(yàn)建筑設(shè)計(jì)成果在用戶（社會(huì)面）滿意度、設(shè)計(jì)方案交付效率和設(shè)計(jì)方案規(guī)范性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)模式，表明了VR建筑系統(tǒng)在輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

VR建筑系統(tǒng)利用傾斜攝影技術(shù)來(lái)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于真實(shí)地理位置和尺度的建筑設(shè)計(jì)任務(wù)環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上，利用VR技術(shù)對(duì)自然環(huán)境、建筑材質(zhì)、人群活動(dòng)等進(jìn)行高度仿真模擬，設(shè)計(jì)者基于Unity3D引擎，將設(shè)計(jì)方案整合到任務(wù)環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)沉浸式真實(shí)尺度的空間體驗(yàn)，可直觀地認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化方向，并搭建VR建筑設(shè)計(jì)管理平臺(tái)監(jiān)控設(shè)計(jì)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果可追溯、可評(píng)價(jià)和可共享等。試驗(yàn)結(jié)果表明，建筑設(shè)計(jì)中采用VR輔助能有效提高用戶（社會(huì)面）的滿意度、設(shè)計(jì)方案交付效率及設(shè)計(jì)方案的規(guī)范性。