虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其重要特征

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR),又稱虛擬環(huán)境(Virtual Environments)、仿真技術(shù)(Simulator Technology)等。它集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)、并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，并以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖像世界。在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗(yàn)中,使設(shè)計(jì)者可以深入探索，參與者可以直接參與虛擬對(duì)象在所處環(huán)境中的作用和變化,令人仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。而這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的第一個(gè)重要特征，即浸沒(méi)感(Immersion)或臨場(chǎng)參與感。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的第二個(gè)特征是交互性（Interaction）。虛擬現(xiàn)實(shí)與CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型以及傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)開放、互動(dòng)的環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以通過(guò)控制與監(jiān)視裝置影響或被使用者影響，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)、游戲桿或其它跟蹤器，隨意“行走”在方案規(guī)劃中的建筑物內(nèi)，甚至可以“乘座”電梯，上到二樓去看一看新店鋪的門面設(shè)計(jì)，感受一下購(gòu)物中心大廳的裝飾和透過(guò)明媚陽(yáng)光的天窗。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的第三個(gè)特征是想象性（Imagination）。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)演示媒體，而且還是一個(gè)設(shè)計(jì)工具。它以視覺(jué)形式反映了設(shè)計(jì)者的思想，比如在蓋一座現(xiàn)代化的大廈之前，你首先要做的是對(duì)這座大廈的結(jié)構(gòu)、外形做細(xì)致的構(gòu)思，為了使之定量化，還需要設(shè)計(jì)許多圖紙，當(dāng)然這些圖紙只能內(nèi)行人才能讀懂，而虛擬現(xiàn)實(shí)可以把這種構(gòu)思變成看得見(jiàn)的虛擬物體和環(huán)境，使以往只能借助傳統(tǒng)沙盤的設(shè)計(jì)模式提升到數(shù)字化的、即看即得的完美境界，這可以大大提高設(shè)計(jì)和規(guī)劃的質(zhì)量與效率。


　　CAD的不足和缺陷

　　一般建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都包含結(jié)構(gòu)形式的選定、形狀尺寸的假定、模型化、結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算、圖面繪制、材料計(jì)算等過(guò)程。CAD技術(shù)在土建工程中最早的應(yīng)用就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，目前對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)可以分為三類：

　　第一類，對(duì)應(yīng)于各個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的系統(tǒng)。例如結(jié)構(gòu)形式選擇系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)、材料計(jì)算系統(tǒng)等，其中每個(gè)系統(tǒng)都可以處理多種結(jié)構(gòu)形式。第二類，集成化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的自動(dòng)化程度一般較高，只需輸入少量的數(shù)據(jù)，利用集成系統(tǒng)即可完成設(shè)計(jì)的全過(guò)程。第三類，通用CAD系統(tǒng)，如AutoCAD，Microstation等。這類系統(tǒng)只提供基本的圖形處理功能，可用來(lái)繪制各個(gè)工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)圖紙。該類系統(tǒng)的作業(yè)效率一般較低，需要進(jìn)行二次開發(fā)，以適用于不同專業(yè)的需要。

　　以上這些CAD系統(tǒng)只擅長(zhǎng)于進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)處理，以表現(xiàn)三維空間的物體以及著色，但對(duì)于處理建筑設(shè)計(jì)工程中的復(fù)雜物理數(shù)學(xué)關(guān)系，如結(jié)構(gòu)應(yīng)力，熱傳導(dǎo)，聲、光效應(yīng)等，則顯得無(wú)能為力。并且由于適用各個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的系統(tǒng)使用起來(lái)不方便，為完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)就需要使用多個(gè)系統(tǒng)，這不但要掌握每個(gè)系統(tǒng)的使用方法，還需要重復(fù)輸入大量數(shù)據(jù)，所以集成化設(shè)計(jì)系統(tǒng)已有取代各種分項(xiàng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的趨勢(shì)。目前使用的CAD系統(tǒng)大都建立在繪圖支撐軟件的基礎(chǔ)上，繪圖與分析計(jì)算是分開的。在繪圖階段就是單純的繪圖，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)體現(xiàn)在將設(shè)計(jì)人員的思想用圖形表現(xiàn)出來(lái)(特別是用于繪制施工圖時(shí))，而不是在全局上，不是從方案選擇、具體設(shè)計(jì)、分析計(jì)算到施工圖。人們希望有了設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和設(shè)想后，通過(guò)計(jì)算機(jī)的分析，計(jì)算比較判斷，不僅將方案形象地表現(xiàn)出來(lái)，而且將量化后的數(shù)據(jù)及結(jié)論輸出來(lái)，設(shè)計(jì)者再依據(jù)它修改方案。這就是繪圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算一體化的思想。

　　集成化軟件也有其固有的一些缺點(diǎn)，比如操作時(shí)規(guī)定限制多，菜單級(jí)別多，過(guò)分強(qiáng)求樹狀結(jié)構(gòu)等，這些都使操作變得非常繁雜。雖然這類軟件已經(jīng)向繪圖與計(jì)算相結(jié)合的目標(biāo)邁進(jìn)，即實(shí)現(xiàn)了在建模后緊接著進(jìn)行計(jì)算，建模所形成的數(shù)據(jù)可為后續(xù)的計(jì)算所利用，但這兩者還是各自為政的。而更進(jìn)一步的做法是將兩者結(jié)合起來(lái)，隨著模型的建立進(jìn)行分析比較，將得出的信息作為建模的參考。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決難題

　　將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于集成化CAD系統(tǒng)中，能夠較好地解決以上存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)理想的繪圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算一體化。如果把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)在的集成化CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的集成化CAD系統(tǒng)，包括從設(shè)計(jì)的建筑方案、結(jié)構(gòu)方案的選擇直至最后結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，這必將大大提高設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　建筑師在利用虛擬現(xiàn)實(shí)CAD系統(tǒng)時(shí)，可以很方便地建立和修改建筑方案。此時(shí)，建筑師仿佛置身于待建場(chǎng)地中，可以很便捷地從庫(kù)中提取各種物件、材料、家具和設(shè)備，就像搭積木一樣搭起一座虛擬的建筑。而該虛擬建筑的尺寸可以和實(shí)際設(shè)計(jì)中的建筑一樣，不但色彩逼真，而且有材料的質(zhì)感，我們可以十分方便地對(duì)其進(jìn)行著色、修改，并可以在隨時(shí)改變視角和光源的條件下從任意視點(diǎn)去觀察這座建筑，以便得出滿意的方案。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也就可以利用已經(jīng)建起的模型選取結(jié)構(gòu)方案，調(diào)整荷載和定義荷載，并由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得出結(jié)果，如配筋量和配筋圖等，如果不滿意，則可以修改參數(shù)或方案。在設(shè)計(jì)中令人頭痛的另一個(gè)問(wèn)題就是建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各方的協(xié)調(diào)問(wèn)題。目前采用的方法是各方分別設(shè)計(jì)，再一起討論，協(xié)商修改，反復(fù)進(jìn)行直到滿意。如果采用VR集成CAD系統(tǒng)，則可以實(shí)現(xiàn)各方同時(shí)設(shè)計(jì)，在整這個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同下，各方的方案、問(wèn)題可通過(guò)VR系統(tǒng)實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來(lái)，那么在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的沖突就可以隨時(shí)協(xié)調(diào)直到滿意，這就極大地提高了效率。

　　總之,虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)造和體現(xiàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真體統(tǒng)技術(shù)。充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以有效地減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,節(jié)省投資，并且隨著網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展,該技術(shù)的應(yīng)用層面會(huì)更廣,成長(zhǎng)幅度也會(huì)更大。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),利用計(jì)算機(jī)科技來(lái)呈現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)成果,已成為一種新的趨勢(shì)，我們應(yīng)該在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的強(qiáng)大潛在能量，創(chuàng)造出更多的應(yīng)用價(jià)值。

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