虚拟现实技术在建筑设计中的应用研究
第1章 虚拟现实技术与建筑设计
1.1 虚拟现实技术
1.1.1 虚拟现实技术概念
虚拟现实技术是一种能通过计算机创建来体验虚拟世界的计算机系统技术。在上世纪的80年代末，美国VPL Research公司的创始人Jaron Lanier第一次提出了Virtual Reality(简称VR)一词，用来统一表述当时出现的各种借助数字技术和最新研制的传感装置所创建的一种全新的模拟环境的概念，这也就是当下所称的“虚拟现实”。不难想象到，对于虚拟现实技术的含义自然是众说纷纭的。由于虚拟现实技术最先兴起于国外，因此国外对其定义较多，这些定义大致可分为两类：一类是从技术角度方面进行定义；另一类则是从人文角度方面定义。这其中值得一提的是，Burdea和Coiffet在1994年出版的《虚拟现实》书中认为：“虚拟现实”是一种利用计算机图形技术从而创建的真实世界的仿真环境，而且这一合成的仿真环境不是静态的，而是依据用户的输入从而变化着的，也包括手势、命令语言等。这是从技术层面对虚拟现实技术功能性的且较为全面的概括。而创造“虚拟现实”一词的Jaron Lanier一开始就是从人文角度对其界定的：“虚拟现实出现的目的是让人们能像他们谈及现实那样快速的制造现实。”近些年来，虚拟现实技术作为一门综合性应用技术，研究内容涉及多方面、多领域，应用环境非常广泛。它不但融合了计算机图像学、仿真技术、传感与测量技术、人工智能、数字图像处理、网络、多媒体技术以及并行处理技术等多个信息技术分支的综合集成性技术。是一种可以体验并创造虚拟世界的计算机数字技术。为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大的丰富了设计艺术进入到网络媒介中的发展领域。
虚拟现实是从英文VirtualReality一词翻译过来的，Virtual就是虚假的意思，Reality是真实的意思，合并起来就是虚拟现实，也即是说本来不存在的事物和环境，通过各种虚拟技术模拟出来，让人感觉到如真实一般。虚拟现实主要分为四大类别，分别是桌面虚拟现实系统，沉浸虚拟现实系统，分布试虚拟现实系统，混合现实系统。
1.1.2 虚拟现实技术的未来应用前景
虚拟现实技术可以通过计算机模拟的三维环境对现场真实的环境进行仿真，能够生成逼真的听觉、视觉、触觉一体化的虚拟环境，用户可以在不需到达现场或者在现实中还不存在的环境中，就能进行游历并能感受到身临其境的体验。这种基于虚拟现实技术的展示方法可以通过创建虚拟的物体和空间，让所要表达的信息，展示方式可以有更新的途径和形式，使得信息更加直观和高效的传递给用户，从而更方便用户对信息的有效认知。国内对于虚拟现实技术的研究开始于20世纪90年代初，国内较早开展此项技术试验的是：清华大学国家光盘工程研究中心、西安虚拟现实工程技术研究中心和哈尔滨工业大学计算机系等。虚拟现实技术对性能要求较高，建筑景观设计领域也一直是对虚拟现实技术需求是最为迫切的领域之一。在国外，美国的VR技术专家和城市管理专家进行合作，利用虚拟现实技术对拉斯维加斯和洛杉矶两个大规模城市改造进行了虚拟模拟实验，用来评价城市设计和规划方案的评估。杰普森.比尔（Bill Jepson）所领导的加利福尼亚洛杉矶大学（UCA）城市仿真小组（Urban Simulation Team）就利用虚拟现实技术建立了一个具有建立模型、显示和评估多个可选规划方案的专用系统。在美国西洛杉矶的Getty博物馆则采用了虚拟现实技术，重建了古罗马帝国时期最宏伟的建筑群之一：图拉真广场（Forum of Trajan），使参观者有幸亲身体验并有漫步在图拉真广场中的感觉。(图1-2)
在国内，部分公司和机构同样也在做这方面研究与尝试创新，就如北京伟景行数字城市科技有限公司，就是利用其自行研发的虚拟现实仿真系统“City Maker”，针对北京中关村科技园区、上海北外滩地区的规划、北京CBD整体规划与管理等几个大型重点项目进行了虚拟实验，并用于设计、规划的展示、评估方面做出重要贡献。作为在建筑及景观设计的终端推广方面，在建筑及景观设计制作上，数字媒体显示技术的应用可以使人们能够更直观的面对设计的对象，甚至于能够形成交互式的人与环境及空间的交流。对于建筑及景观设计展示方面，近些年来，三维效果图和三维效果动画已经非常普遍的应用。然而，三维效果图仅能够提供静态的局部视觉体验感，三维动画仅能提供建筑及景观设计的游历过程，三维效果图和三维效果动画都缺乏真正的人与环境和空间的交流。观察者只能够按照事先规定好的角度和路线进行浏览，较为被动，信息也不是很全面。而虚拟现实技术可以做到去审视或欣赏建筑及景观设计的对象和布局特点，能够更自由、更细化、更全方位的去展示环境信息内容，这种展示的特性，要比3D模型或者效果图要更加生动、完整、形象。用户可以借助先进的数字化人机接口技术，通过使用各种特殊的硬件装置，将自己投射到虚拟现实技术产生的一种表现环境中，并通过在这个环境中进行控制和操作，可以实现主体与环境的切身体会，达到真正交互的效果。
虚拟现实技术在医学应用，娱乐应用，设计应用，军用航天，工业仿真，文物古迹，游戏应用，道路桥梁，地理应用、教育应用，生物应用，数字地球等方面均有广泛使用。
1.1.3 形成新的设计思维方式
虚拟现实技术所带来新的设计表达方式，现今社会，伴随着数字信息化的不断发展，虚拟现实技术会逐渐摆脱传统的表达方式，让我们创建起一个对建筑景观设计和空间程式化新的认知和理解，并逐渐改变对建筑景观设计过程中的习惯和思维逻辑方式。虚拟现实技术可以提供建筑设计师不同方面的辅助设计和构思。建筑设计思维过程中需要有理性思维和感性思维，虚拟现实技术对这两方面都会有着积极的影响，一方面可以减少了设计中局限性，可以使设计者的创造性思维得到充分发挥，另一方面也可以辅助理性的思维，帮助分析、解决、综合、推理、逻辑等方面的工作，使设计者有规则可循。虚拟现实技术能够减少设计中的很多局限性，能够让设计者发挥更大的想象力与创造力。对于建筑设计本身而言，虚拟现实技术所存在的优势可以让设计者能摆脱原有的表达局限制，针对三维空间形体的描述和改进能够更加轻松和快捷，使得建筑景观形态意识能够更加的符合设计者所要表达的思维方式。
1.2 建筑设计现状
1.2.1 建筑设计概述
时代在进步，人们对城市的历史文脉、生态环境、生活水平等的保护意识也在不断觉醒中。建筑设计是生态城市与文明城市建设之中至关重要的内容。我国城市化进程的不断加快，所面临的建设文明新城和保护文化老城的双重挑战与机遇。我国的建筑设计中经历了从建国初期的艰难起步，到改革开放后的曲折探索，再到对建筑景观环境的反思改善前行的发展历程。通过对我国建筑设计艺术的现状与发展历程的学习和总结，能便于我们了解过去、面对现在、展望未来，促使或者说是推动我国现代建筑设计的艺术不断发展并丰富。现代城市建设最突出的要求在于，建设景观设计规划过程中功能与审美的统一，统筹、规划、空间布局，避免资源浪费等要求。建筑设计的研究内容较为广泛，也可以简单的理解为人类的“营造活动”。建筑景观设计它涵盖建筑设计和景观设计两大部分的内容。是综合传统建筑学和城市环境规划之间做出的设计艺术学科，既可以说是交叉性学科，又可说是综合性学科，近年来在这个行业得到迅速的发展，建筑设计所研究的范围是非常大的，包含了建筑规划设计、区域规划、建筑外延、景观环境设计等许多的研究性领域。它的三大基本要素即：实用性(功能性需求)、美观性(形式语言需求)和经济性（成本控制）。学术界非常诗意地把它解释为：区域土地及土地上的物体所表现的空间构成特征，它是人类在复杂的自然活动过程中，所留在大地上的印迹。同时它也是一种三维空间的综合性的艺术品，通过人工的构筑手段加以组合的具有山、水、地形、植物、建筑结构等多种功能的空间艺术性实体。建筑设计中的许多方面的研究在传统建筑学和城市环境规划等学科中都有所体现，比如在城市规划中的建筑空间与景观园林规划设计城市，绿地规划建筑学中的环境景观设计等。建筑设计学结合的虚拟现实技术在近年来广泛的应用，开始越来越受到人们关注与重视，这也是社会发展和经济增长的必然结果导向，同时也体现了人们对于环境品质要求的日益重视。吴良铺教授在第二十届世界建筑师大会上，发表了关于《世纪之交展望建筑学的未来》的主题报告。报告中陈诉了关于广义的建筑应该要逐渐走向由建筑、景观、城市规划等相融合的方向发展。著名建筑评论家、美国哥伦比亚大学的教授Frampton教授在第二十届国际建筑协会中做的主题报告《千年七题:一个不适时的宣言》中也同样认为:“总体应用地景策略，能够有效地改善整个城市化地区的社会的文化及生态特征。”不难看出的是，城市建设在未来的发展趋势中，通过建筑设计的手段来改善城市的文化及生态环境将是必然的趋势导向。
