建筑設(shè)計(jì)數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究
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摘要：數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，滿(mǎn)足了人們的物質(zhì)需求，創(chuàng)造了安全的空間環(huán)境，提高了建筑設(shè)計(jì)的水平，推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。本文對(duì)數(shù)字手段與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，希望能為建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展錦上添花。
關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；建筑設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
引言
在20世紀(jì)90年代，仍然以傳統(tǒng)方式手繪建筑設(shè)計(jì)，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及，新的3D軟件被用于建筑設(shè)計(jì)，這無(wú)疑對(duì)建筑業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。計(jì)算機(jī)數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響是其他任何行業(yè)都無(wú)法比擬的。視頻架構(gòu)、數(shù)字仿真和虛擬場(chǎng)景為用戶(hù)提供了更加逼真的感覺(jué)和體驗(yàn)。建筑設(shè)計(jì)本身在過(guò)去已經(jīng)發(fā)生了巨大改變，無(wú)論是設(shè)計(jì)方法，還是工具和媒介，都發(fā)生了變化。設(shè)計(jì)對(duì)象的變化導(dǎo)致建筑師的角色變化，以及建筑專(zhuān)業(yè)，甚至是新建筑物和新建筑師的方向發(fā)生變化。分析計(jì)算機(jī)數(shù)字虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以幫助闡明建筑設(shè)計(jì)教育模型如何適應(yīng)這種變化，如何將傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)與計(jì)算機(jī)數(shù)字和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，以及如何適應(yīng)快速發(fā)展的數(shù)字和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)代[1]。
1虛擬現(xiàn)實(shí)的研究現(xiàn)狀
所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)指的是存在于計(jì)算機(jī)中的虛擬空間而不是真實(shí)世界，是由各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建的空間，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的虛擬環(huán)境。通過(guò)某種連接，人們可以在這種環(huán)境中擁有身臨其境的體驗(yàn)，并且通過(guò)人機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境之間的交流。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域，其中計(jì)算機(jī)用于生成逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和嗅覺(jué)，體驗(yàn)者進(jìn)入虛擬世界體驗(yàn)并互動(dòng)。
2數(shù)字技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義
2.1數(shù)字技術(shù)
電子計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)是科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，借用建筑設(shè)計(jì)中必需的工具，以將語(yǔ)言、文本、音頻、圖像等信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀挥?jì)算機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制，做好還原、計(jì)算、存儲(chǔ)、處理和發(fā)送。諸如編碼、壓縮和解碼之類(lèi)的信息也稱(chēng)為數(shù)字技術(shù)或計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)，這些信息媒體（例如文本、音頻和圖像）存在常見(jiàn)問(wèn)題，首先是溝通和交流困難，其次是信息太少。
2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括傳感技術(shù)、人工智能、人機(jī)交互技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域。使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成模擬的三維情感，例如聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)。一個(gè)人可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備并將其輸入為參與者，以交互和體驗(yàn)虛擬世界。當(dāng)參與者改變位置時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)立即執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算并發(fā)送準(zhǔn)確的3D世界圖像以創(chuàng)建狀態(tài)。
3數(shù)字化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)
在建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)用數(shù)字表達(dá)技術(shù)可以顯著提高設(shè)計(jì)效果。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)主要關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，以及對(duì)建筑物外觀和美學(xué)的關(guān)注，借助數(shù)字表示技術(shù)，可以充分表示建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果。以傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常采用手工繪制方法，這種形式傾向于偏離設(shè)計(jì)者的主觀意識(shí)。盡管在設(shè)計(jì)中使用了一些計(jì)算方法，這似乎是可行的，但是在科學(xué)上，混凝土施工過(guò)程存在缺陷，由于修改而導(dǎo)致的施工成本明顯增加，并且難以符合設(shè)計(jì)師的主觀意圖。另一個(gè)點(diǎn)是手繪效果，雖然建筑物的外觀設(shè)計(jì)和室內(nèi)環(huán)境的組成看起來(lái)很理想，但它們?cè)趯?shí)際的建筑過(guò)程中可能沒(méi)有理想的效果，原因是在制造商的生產(chǎn)環(huán)境中不可避免地會(huì)出現(xiàn)材料選擇和偏差，并影響實(shí)際施工效果[2]。首先，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用數(shù)字技術(shù)查詢(xún)材料制造商提供的材料信息和參數(shù)，一旦完全了解，相關(guān)的手動(dòng)設(shè)計(jì)可以避免重復(fù)，并有效地控制設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和成本。其次，它提高了整體設(shè)計(jì)效率。另外，數(shù)字表現(xiàn)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)為用戶(hù)可以快速了解設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖和目的，因此可以在實(shí)施設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)過(guò)程中提高調(diào)整程度，效果可以很理想。
4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值
4.1顯示建筑物的全部信息
在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以完整的顯示建筑物的整體信息內(nèi)容，使人們更好的了解設(shè)計(jì)布局，從而最大限度地發(fā)揮想象力和創(chuàng)新能力。你可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)部門(mén)、管理部門(mén)和用戶(hù)可以查看建筑物空間的整體信息，并通過(guò)良好的溝通來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。
4.2可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅直觀，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽。換句話(huà)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使您可以在Internet上作品，而施工單位可以遠(yuǎn)程查看它，并使用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行在線(xiàn)遠(yuǎn)程通信[3]。
4.3多個(gè)程序的實(shí)時(shí)比較
在建筑設(shè)計(jì)中，通常會(huì)提出幾種不同的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)對(duì)不同的方案進(jìn)行切換評(píng)審，這樣可以幫助設(shè)計(jì)人員在同一觀察點(diǎn)對(duì)不同的建筑物的設(shè)計(jì)外觀進(jìn)行比較。同時(shí)，這可以使查找架構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)劃變得更加容易。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使設(shè)計(jì)人員可以比較不同的方案，更改某些部分，并與更改前的方案進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。
5數(shù)字技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展
數(shù)字技術(shù)通常與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)，并且數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成。在建筑設(shè)計(jì)中，有必要根據(jù)用戶(hù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)創(chuàng)新空間圖像的概念，例如構(gòu)造、設(shè)計(jì)規(guī)劃和完成維護(hù)。由于不可逆的執(zhí)行步驟和巨大的架構(gòu)設(shè)計(jì)成本，因此不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，要求非常嚴(yán)格。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)和創(chuàng)建虛擬世界，虛擬世界是一個(gè)完整的模擬對(duì)象或整個(gè)虛擬環(huán)境，必須將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)和輔助設(shè)計(jì)，以減少設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間和工作量，并減少投資，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。建筑設(shè)計(jì)中的數(shù)字方法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于以下方面：
5.1顯示建筑物信息
使用數(shù)字方法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以生動(dòng)地顯示虛擬建筑物，使人們身臨其境，不僅設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)，還可以由管理部門(mén)和居民設(shè)計(jì)參與進(jìn)來(lái)，并且可以在支持決策中發(fā)揮作用。
5.2遠(yuǎn)程瀏覽
使用數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的模型使工程部門(mén)和設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)建筑模型中相互通信，并可以使用萬(wàn)維網(wǎng)從遠(yuǎn)處查看建筑設(shè)計(jì)。
5.3多種方案的比較
在對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行投標(biāo)時(shí)，大多數(shù)都必須針對(duì)建筑設(shè)計(jì)提出不同類(lèi)型的設(shè)計(jì)建議，以對(duì)建筑物的未來(lái)形象做出不同的假設(shè)。在現(xiàn)實(shí)生活中，使用數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅可以比較不同的方案，還可以修改某些組件并與變更前的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較和分析。3D空間中的虛擬建筑物對(duì)于不同的建筑物解決方案意義重大，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師不僅可以對(duì)不同的選項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)選擇，而且還可以感受到建筑物的外觀在相同的觀察序列或相同的觀察點(diǎn)處是不同的，通過(guò)比較分析，以找出缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)并做出更好的決策[4]。
6建筑設(shè)計(jì)中數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用
城市和3D模擬是數(shù)字城市表示的主要形式，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持，用于解釋、分析和討論設(shè)計(jì)思想以及城市的發(fā)展，并以生動(dòng)的畫(huà)面呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，具有照片紋理的3D城市模型可為人們提供數(shù)字城市身臨其境的體驗(yàn)。
6.1為三維建筑搭建虛擬環(huán)境空間
要使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首先需要構(gòu)建3D模型。通過(guò)這種在3D虛擬環(huán)境空間中觀看動(dòng)畫(huà)的方法，我們將攝像機(jī)設(shè)置為人眼的觀看路徑，以獲得進(jìn)入建筑物環(huán)境空間的動(dòng)態(tài)感覺(jué)。也就是說(shuō)，使用VRML選項(xiàng)創(chuàng)建3D場(chǎng)景以觸發(fā)指定的活動(dòng)。3D場(chǎng)景的控制和觸發(fā)，可以用鼠標(biāo)單擊3D對(duì)象，場(chǎng)景將自動(dòng)播放設(shè)置的瀏覽動(dòng)畫(huà)，從而使3D虛擬環(huán)境空間更加生動(dòng)，虛擬建筑模型建立流程如圖1所示。
6.2互動(dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化
通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)各種綜合的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。同時(shí)，使用語(yǔ)言和手勢(shì)功能，根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)計(jì)不同的程序。在進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)局部進(jìn)行合理的更改，并實(shí)時(shí)比較修訂前和修訂后的程序以選擇最佳解決方案。
6.3顯示建筑物的整體信息
典型的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用程序只能顯示建筑物的2D或3D空間效果。換句話(huà)說(shuō)，只能表達(dá)有關(guān)建筑物的特定信息。它還提供了單一的視覺(jué)度量，設(shè)計(jì)人員和其他管理人員沒(méi)有完整的信息。因?yàn)樗欠较蛐畔?，所以不可能?zhǔn)確地了解設(shè)計(jì)特征和設(shè)計(jì)缺陷。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬一個(gè)完整的建筑模型，其中包括所有建筑參數(shù)信息，使設(shè)計(jì)人員、管理人員和用戶(hù)充分了解擬議建筑的信息內(nèi)容。6.4建立虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)基于模型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要基于VRML語(yǔ)言，VRML語(yǔ)言定義了與萬(wàn)維網(wǎng)上更多信息相關(guān)的3D世界內(nèi)容，并表現(xiàn)一個(gè)交互式3D空間。啟動(dòng)VRML語(yǔ)言瀏覽器時(shí)，語(yǔ)言信息將被解釋為語(yǔ)言空間中建筑物的幾何描述，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成如圖2所示。
6.5虛擬場(chǎng)景中色彩、燈光效果等技術(shù)擴(kuò)展
通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建筑景觀設(shè)計(jì)已開(kāi)始向影像媒體時(shí)代邁進(jìn)。虛擬現(xiàn)實(shí)語(yǔ)言可幫助實(shí)時(shí)查看建筑景觀虛擬場(chǎng)景的色彩、燈光、聲音和視頻效果，這是傳統(tǒng)的建筑景觀設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)的是數(shù)字化且可讀的全面、生動(dòng)的視覺(jué)效果的盛宴。虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)對(duì)建筑景觀設(shè)計(jì)的影響，是建筑景觀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“時(shí)空重構(gòu)”的關(guān)鍵性能特征之一。色彩通常用于建筑景觀設(shè)計(jì)中以區(qū)分不同的環(huán)境，設(shè)計(jì)師巧妙地為不同的設(shè)計(jì)主題賦予不同的設(shè)計(jì)顏色。在大多數(shù)情況下，可以使用模型圖和模型照明來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色和燈光效果，但是應(yīng)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音和陰影效果。虛擬場(chǎng)景中的燈光效果與植染圖像的效果完全不同。結(jié)果，設(shè)計(jì)師不得不放棄以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并再次進(jìn)行探索。與全局聲音效果不同，局部聲音效果與建筑景觀中虛擬場(chǎng)景的各個(gè)環(huán)境結(jié)合存在。
7結(jié)束語(yǔ)
總體而言，在建筑設(shè)計(jì)中，數(shù)字手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。作為設(shè)計(jì)師，需要將兩者充分融合，提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)效果，并提高建筑物的整體質(zhì)量和性能。
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作者：曾憲偉 單位：廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司
