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淺談建筑設計中VR設計的使用
VR 是用計算機生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅等感覺(jué), 使人能通過(guò)適當裝置對虛擬世界進(jìn)行交互式體驗。通常用戶(hù)頭戴一個(gè)頭盔, 手持傳感手套, 仿佛置身于一個(gè)幻覺(jué)世界中, 在虛擬環(huán)境中漫游, 并允許操作其中的物。使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知, 從而達到身臨其境的感受。
VR 技術(shù)與建筑設計利用
VR 技術(shù)進(jìn)行建筑設計, 在建筑設計階段就能以可視的、動(dòng)態(tài)的方式全方位展示建筑物所處的地理環(huán)境、建筑物外貌、建筑物內部構造和各種附屬設施, 使人們能夠在一個(gè)虛擬的環(huán)境中, 甚至在未來(lái)的建筑物中漫游。因而, VR 技術(shù)是建筑方案設計、裝修效果展示、方案投標、方案論證及方案評審的有力工具, 在建筑設計業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)和建筑裝修業(yè)等領(lǐng)域有著(zhù)日益廣泛的應用前景。
建筑物虛擬現實(shí)環(huán)境設計的基本要素
利用VR 技術(shù)進(jìn)行建筑物設計的基本要素包括虛擬場(chǎng)景建模、虛擬場(chǎng)景渲染、虛擬攝影機設置、運動(dòng)速度控制以及虛擬觀(guān)察者各種動(dòng)作的模擬( 步行、旋轉及其它動(dòng)作) 等等。
虛擬場(chǎng)景建模無(wú)論采用何種虛擬方式, 首先要遇到虛擬環(huán)境建模問(wèn)題。目前既可采用VRML 等專(zhuān)用的虛擬現實(shí)建模語(yǔ)言, 又可以采用SGI 公司的Open Inventor 等來(lái)完成建模, 也可以直接利用OpenGL 建立模型庫或開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的建模工具, 但這樣做的工作量是非常大的。另一種方法是借助于3DSMAX 等普通的三維建模工具, 先建立起三維模型, 然后用編程或借助于工具的方法, 導入到虛擬環(huán)境中, 并利用Open GL 完成渲染。此外, 微軟近年提出的DirectX 雖然主要是針對三維游戲編程, 但是由于其硬件要求低 ( 目前大多數圖形加速卡都支持DirectX) , 而且其開(kāi)發(fā)包DirectX SDK 中提供直接導入3DSMAX 模型的工具, 用Direct3D 技術(shù)完成渲染。這樣, 就為在低成本硬件環(huán)境中研究虛擬現實(shí)技術(shù)提供了條件。
虛擬場(chǎng)景渲染建筑物虛擬現實(shí)常常要表現一個(gè)龐大的建筑群。對于較小的場(chǎng)景, 可以很快地完成渲染; 但對于復雜的大型場(chǎng)景, 一旦超過(guò)計算機物理內存能力, 由于需要使用虛擬內存, 渲染時(shí)間將會(huì )增加十幾倍甚至數十倍, 慢到令人難以忍受的程度。當然, 可以根據計算機內存的大小來(lái)控制場(chǎng)景規模, 使得所有的渲染工作都在計算機物理內存中完成, 但有時(shí)也會(huì )遇到必須處理大型場(chǎng)景的情況。解決這一問(wèn)題的辦法是, 把虛擬現實(shí)場(chǎng)景分解為可直接在物理內存中完成渲染的若干組, 分組進(jìn)行渲染。這種方法無(wú)論對預制還是實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà), 都是行之有效的。在交互式漫游過(guò)程中, 可根據觀(guān)察者當前時(shí)刻所處的位置, 將場(chǎng)景分為若干個(gè)動(dòng)態(tài)子塊, 在遠方不斷地、動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)生成新的動(dòng)態(tài)模塊。這一技術(shù)不僅可以節約渲染時(shí)間, 而且可以有效地避免在交互式漫游過(guò)程中走到天盡頭, 甚至掉到宇宙中這樣的問(wèn)題。
虛擬攝影機設置
虛擬攝影機焦距設置在建筑物虛擬現實(shí)中, 虛擬攝影機是對虛擬觀(guān)察者眼睛的模擬, 一般情況下焦距應與人的正常視野接近, 即為35 mm 左右。當焦距小于28 mm 時(shí)或大于50 mm 時(shí), 均不能正確反映建筑物的透視關(guān)系, 要么畸變, 要么景深過(guò)小。除非有特殊需要, 攝影機焦距一般應設置在35 mm 左右。
虛擬攝影機高度設置虛擬攝影機高度一般應接近人眼平均高度, 一般攝像機的高度在17 m。而且在漫游過(guò)程中, 虛擬攝影機應盡量保持平視, 即攝影機與攝影機目標點(diǎn)高度相同。當需要仰視或俯視, 而物體變形太大時(shí), 可適當增加焦距。
動(dòng)畫(huà)運動(dòng)速度控制
因為虛擬攝影機代表觀(guān)察者的眼睛, 所以, 如何把虛擬攝影機看到的與觀(guān)察者在虛擬場(chǎng)景中觀(guān)察到的聯(lián)系起來(lái), 就極為重要了。在考慮虛擬場(chǎng)景中動(dòng)畫(huà)的運動(dòng)速度時(shí), 作為動(dòng)畫(huà)創(chuàng )作者需要認真考慮觀(guān)察者會(huì )有什么樣的速度感覺(jué), 以及這種感覺(jué)是否適合于計算機動(dòng)畫(huà)。攝影機通過(guò)場(chǎng)景的速度快, 場(chǎng)景運動(dòng)得就快, 觀(guān)察者感覺(jué)得速度就快。特別是當動(dòng)畫(huà)中出現熟悉的物體, 例如建筑物、家具和汽車(chē)時(shí), 觀(guān)察者就會(huì )有很強的相對速度的感覺(jué), 這時(shí)創(chuàng )作者應花一點(diǎn)時(shí)間來(lái)考慮一個(gè)人在給定的環(huán)境中, 應當走多快才能看清場(chǎng)景。
虛擬觀(guān)察者運動(dòng)模擬
步行模擬步行模擬是模擬觀(guān)察者在虛擬環(huán)境中漫步。在實(shí)際生活中, 當觀(guān)察者經(jīng)過(guò)一個(gè)地方時(shí), 眼睛留下的印象不會(huì )是簡(jiǎn)單地從一邊看到另一邊, 有時(shí)會(huì )停下來(lái), 看一下詳細情況或環(huán)境。當觀(guān)察者注意到比較關(guān)心的目標時(shí), 常常會(huì )忘了單純的散步。重建這種印象, 就是產(chǎn)生有趣動(dòng)畫(huà)的過(guò)程。這實(shí)際上是由制作者代替觀(guān)察者事先決定什么值得一看, 以及怎樣看。在交互式漫游時(shí), 則是通過(guò)交互方式, 由操作者選擇看什么以及看。
旋轉模擬在制作虛擬環(huán)境中的漫游動(dòng)畫(huà)時(shí), 旋轉路徑最容易引起返工。其原因往往是制作時(shí)未能對漫游動(dòng)畫(huà)中的旋轉進(jìn)行深入的探究。漫游動(dòng)畫(huà)中的旋轉可分兩種情況: ( 1) 視點(diǎn)不變, 攝影機作圓弧運動(dòng)或曲線(xiàn)運動(dòng)。例如, 用回轉方式表現建筑物外觀(guān)。就相對運動(dòng)而言, 此時(shí)本質(zhì)上相當于讓物體旋轉。盡管此時(shí)每一幀畫(huà)面都在發(fā)生變化, 但觀(guān)察對象始終在畫(huà)面內。一般借助于虛擬物體可較好地完成這種旋轉。 ( 2) 視點(diǎn)變化, 攝影機坐標不變或作曲線(xiàn)運動(dòng)。例如, 掃視環(huán)境或模擬觀(guān)察者的轉身、轉彎動(dòng)作。此時(shí)不僅每一幀畫(huà)面都在發(fā)生變化, 而且觀(guān)察對象也時(shí)刻在改變, 除非運動(dòng)速度非常緩慢( 當然將耗費大量幀數) , 否則很難看清楚動(dòng)畫(huà)內容。對大多數人來(lái)說(shuō), 合適的轉動(dòng)速度大約是每秒轉動(dòng) 45。如果需要在轉動(dòng)過(guò)程中仔細觀(guān)察, 每秒就只能轉動(dòng)15~ 20。
建筑物虛擬現實(shí)漫游
建筑物虛擬現實(shí)漫游一般都要表現該建筑物所處的虛擬地理環(huán)境、建筑物全貌, 以及該建筑物的各種附屬設施, 常采用瀏覽和鳥(niǎo)瞰的方式進(jìn)行。在瀏覽式漫游中, 為了給人以身臨其境的感覺(jué), 應力求減少鏡頭切換, 依靠巧妙的漫游路徑設計, 用連續的鏡頭, 一氣呵成地完成所要表現的內容。此外, 為了在整個(gè)漫游過(guò)程中正確表現主體對象與周?chē)坝^(guān)的透視關(guān)系, 虛擬環(huán)境建筑群也應使用三維模型, 而不宜用背景貼圖替代。為了節省渲染時(shí)間, 除該建筑群與少數表現地理特征的建筑物外, 其余作為襯托的建鳥(niǎo)瞰式漫游的主要優(yōu)點(diǎn)是居高臨下, 整個(gè)虛擬建筑結構布局一覽無(wú)遺, 而且十分自由, 可以省去模擬觀(guān)察者在建筑物內穿行、轉身之類(lèi)動(dòng)作的麻煩。筑物模型應盡可能簡(jiǎn)略。
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