導(dǎo)語：未來建筑空間場景設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)方式迎來了全新的設(shè)計(jì)表達(dá)方式。其中，以虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)為代表的數(shù)字化建筑空間設(shè)計(jì)給人以新的視覺體驗(yàn)。文章通過對SimonKim教授在賓夕法尼亞大學(xué)對研究生課程成果的介紹，來展示AR/VR技術(shù)于未來建筑空間場景設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員不僅可以身臨其境地近距離互動(dòng)，以彌補(bǔ)平時(shí)人眼無法觀察細(xì)節(jié)的缺憾，而且還能將其還原度極高的優(yōu)勢運(yùn)用于空間感知。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；建筑空間；未來場景；裝置設(shè)計(jì)

1VR虛擬現(xiàn)實(shí)和AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)，是指利用二維或者三維技術(shù)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，以及運(yùn)用一些設(shè)計(jì)軟件（如Unity3D、UE4等）進(jìn)行虛實(shí)模擬。目前在游戲方面技術(shù)已經(jīng)成熟，但是在建筑交互展示領(lǐng)域還是一種比較創(chuàng)新的方法。把建筑空間或者裝置的模擬信息在特定的三維模擬環(huán)境中進(jìn)行改造，可以直接顯示材料的質(zhì)地，同時(shí)也可以使用掃描設(shè)備來創(chuàng)建更清晰的圖片。在現(xiàn)實(shí)中戴上眼鏡模擬，只需移動(dòng)操控設(shè)備即可完成復(fù)雜場景的切換。當(dāng)需要復(fù)雜的動(dòng)作時(shí)，可以用外置操作手柄來操控它們。同時(shí)，可以插入視頻、聲音等，讓更多用戶積極參與并深度體驗(yàn)空間氛圍。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)，是指利用計(jì)算機(jī)生成的二維、三維的物體或者信息資源，經(jīng)過手機(jī)或者其他設(shè)備的攝像頭，疊加到真實(shí)場景中，從而達(dá)到真實(shí)的感官體驗(yàn)。通過傳感器感知環(huán)境情況，定位目標(biāo)的具體位置，并以此作為現(xiàn)實(shí)世界的根據(jù)，顯現(xiàn)虛擬的物體，使其達(dá)到更為逼真的融合效果[1]。

2場景設(shè)計(jì)——SimonKim教學(xué)作品的概念解析

文章利用Simonkim教授在賓夕法尼亞大學(xué)的建筑研究課程作為案例進(jìn)行討論。Simonkim教授從建筑協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)室（AASchool)畢業(yè)后，擔(dān)任扎哈·哈迪德辦公室的設(shè)計(jì)師和項(xiàng)目建筑師，也是蓋里科技的顧問，是當(dāng)代先鋒建筑設(shè)計(jì)的探索者。Simonkim教授最近的研究涉及電子設(shè)備、動(dòng)態(tài)環(huán)境和城市空間。他在麻省理工學(xué)院的研究生課程是關(guān)于控制論、機(jī)器、建筑以及它們通過界面交互的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同樣的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或是將信息疊加到真實(shí)場景中，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，這也正是他正在研究教學(xué)的主要項(xiàng)目之一。項(xiàng)目的主要場地和概念源自于韓國首爾的污染。韓國的污染每年都在加速。由于污染物在環(huán)境中具有耐久性，它們會(huì)不斷積累，使得整個(gè)空氣和環(huán)境具有潛在的健康問題。而污染場地的清理工作主要集中在軍區(qū)、鐵路相關(guān)場地和小型石油泄漏場地。本項(xiàng)目旨在通過一個(gè)個(gè)小型空氣氣腔處理現(xiàn)場遺留的大量污染物，并將關(guān)鍵組成部分通過過濾-凈化-精制產(chǎn)品提供給附近的人們。在未來，這些類建筑的角色不再被它們的創(chuàng)造者——人，所占據(jù)。人在其中，僅作為一個(gè)觀賞者存在。先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施及控制系統(tǒng)能夠保障內(nèi)部的處理空間吸收裝置在沒有監(jiān)督的情況下獨(dú)立運(yùn)作。隨著時(shí)間的推移，場地的不斷修復(fù)將為首爾恢復(fù)一種新的合成自然。它們的改進(jìn)和凈化機(jī)制將形成新的氛圍和環(huán)境。而其他動(dòng)植物生命最終也會(huì)找到在這復(fù)雜環(huán)境中生長的方法（圖1）。同時(shí)，在其中一些包含氣腔的環(huán)境中，微生物生命形式甚至可能在新合成的世界中生存和繁衍。氣腔作為一個(gè)有知覺的、主動(dòng)的、深思熟慮的超對象存在，是開墾土地并為首爾人民創(chuàng)造空間的一種手段，從一個(gè)中心點(diǎn)開始，通過網(wǎng)絡(luò)連接到整個(gè)站點(diǎn)的較小節(jié)點(diǎn)。它們提取和處理留下的污染物，同時(shí)沉浸在從處理過的土地上產(chǎn)生的新的合成自然中。氣腔的性質(zhì)與先前居住者留下的基礎(chǔ)設(shè)施殘余物深深地交織在一起。它們被放置在這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施中，成為了巨大建筑景觀裝置。隨著時(shí)間的不斷流逝，建筑與當(dāng)?shù)丨h(huán)境進(jìn)入了一個(gè)增長-反饋的循環(huán)，在這個(gè)環(huán)境中，它們排放出化學(xué)加工的副產(chǎn)品，隨著時(shí)間的推移，這些副產(chǎn)品會(huì)腐蝕它們并使其變形。但正是這種腐蝕使生命能夠占據(jù)并覆蓋它們：建筑修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的本地化分階段的成長變形。隨著每次更迭，建筑和場地促進(jìn)相互變化，由此產(chǎn)生的物理景觀既提醒人們幾個(gè)世紀(jì)的資源浪費(fèi)和污染，也提醒人們即將到來的新機(jī)會(huì)。本項(xiàng)目對當(dāng)代藝術(shù)和建筑實(shí)踐中的新興概念提出了新的想法：從物理到虛擬的空間城市概念。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如前所述，基于這種生態(tài)建筑裝置空間設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的建模技術(shù)是基于幾何形體雖有所改進(jìn)，但如果建造稍微復(fù)雜的生態(tài)建筑模型也耗時(shí)耗力，并且建造的模型仿真度較低，難以達(dá)到設(shè)計(jì)概念本身需要的程度。所以本項(xiàng)目先運(yùn)用基于圖像的建模技術(shù)來進(jìn)行基礎(chǔ)的建模，也就是Photogrammetry。因?yàn)檫@樣的手段不僅具有方便、逼真度高等優(yōu)點(diǎn)，并且近些年已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[1]。所以通過圖像建立模型來生成虛擬場景是一個(gè)很好的方法（圖2）。當(dāng)做完實(shí)體模型，再進(jìn)行掃描形成電腦三維模型后，如何進(jìn)行建筑空間的體驗(yàn)也是非常重要的問題。當(dāng)生成很難用傳統(tǒng)的形式進(jìn)行觀演模擬的生態(tài)建筑和空間時(shí)，使用基于VR/AR技術(shù)的數(shù)字化去中心的建筑虛擬空間便是非常有必要的[2]。（1）VR鑒于項(xiàng)目將基于移動(dòng)平臺互動(dòng)展示，具體實(shí)現(xiàn)方式則是用之前構(gòu)筑的模型，以Unity3D及SteamVR插件和VRTK來具體實(shí)現(xiàn)氣腔模型的虛擬現(xiàn)實(shí)的手機(jī)和智能設(shè)備應(yīng)用，并將其打包成便于運(yùn)用的格式（.apk），使其能夠在安卓平臺運(yùn)行。用戶可以在虛擬世界里縮放、旋轉(zhuǎn)氣腔。在Unity3D中，使用FingerGestures插件功能，可以利用各種手勢在觸摸屏中實(shí)現(xiàn)吸收腔模型的縮小、放大及旋轉(zhuǎn)等操作[3]。接著需要在場景中添加多種特效和材質(zhì)。比如，將風(fēng)沙的特效引入生態(tài)氣腔建筑的空間之中（圖3）。使用Unity3d軟件中的EnvironmentWeatherEffect2.0插件來模擬風(fēng)沙的生成，然后對粒子系統(tǒng)中的風(fēng)沙進(jìn)行篩選與調(diào)整，再結(jié)合成面進(jìn)行深化。將虛無縹緲的特效轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的、具體的、可觸碰的物質(zhì)形態(tài)（圖3）。最后需要美化場景。如運(yùn)用貼圖和光照烘培技術(shù)，來構(gòu)造環(huán)境地形和營造氛圍，表達(dá)藝術(shù)氣息。最重要的是添加光源和光效。光效主要通過各種氣腔周圍的局部細(xì)節(jié)光照和整體環(huán)境照明光照襯托出來，對整體環(huán)境而言，只需要在場景內(nèi)添加點(diǎn)光源或者面光源，調(diào)整光源方向和強(qiáng)度，將光線照射到需要照亮的區(qū)域即可[4]。對于VR內(nèi)容的呈現(xiàn)，作品中除了使用了基于VR頭盔的交互式實(shí)驗(yàn)外，設(shè)計(jì)者也采用了三維虛擬全景漫游的模式。體驗(yàn)者使用3D眼罩在氣囊虛擬漫游的路線中，聆聽旁白對此設(shè)計(jì)理念和知識的講解。使用者既能通過頭戴VR頭盔進(jìn)行體驗(yàn)，也能利用鼠標(biāo)或鍵盤控制瀏覽的方向，上下左右全方位地觀賞場景和物體，具有較好的沉浸感和儀式感。（2）AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)則是通過AWE網(wǎng)絡(luò)平臺。AWE平臺能夠完成基礎(chǔ)的AR技術(shù)，并且在不需要其他設(shè)備輔助的前提下，通過手機(jī)掃描其生成的二維碼，便可以快速實(shí)現(xiàn)AR效果。實(shí)現(xiàn)原理是：首先通過手機(jī)攝像頭采集實(shí)景，確認(rèn)到特征物體的位置之后，將偵測到的現(xiàn)實(shí)景象數(shù)字化成圖像導(dǎo)入Awe（圖4）；然后通過特征點(diǎn)匹配技術(shù)找到識別的特征，便以此為參考找出需要生成的AE智能動(dòng)畫，在AR環(huán)境中處于何種位置或方向，并確定提前存入手機(jī)中的標(biāo)識圖的位置；最后通過手機(jī)攝像機(jī)和傳感器感知環(huán)境的光照，并以此為依據(jù)調(diào)整虛擬物體的材質(zhì)亮度等，使其達(dá)到更為逼真的效果。以其中一個(gè)模塊“實(shí)景照片”為例，在AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)中，最重要的開始是交互影音的設(shè)計(jì)和UI的設(shè)計(jì)。主要涉及平面設(shè)計(jì)領(lǐng)域的圖形圖案之類。設(shè)計(jì)師應(yīng)先在Photoshop中制作好相同大小的平面UI，如“開始”“暫?！薄敖Y(jié)束”等，并整合紋理貼圖，擬合氣囊空間類似效果（如凹凸貼圖、金屬貼圖、法線貼圖、高光貼圖等），使其逼真。以使用Awe網(wǎng)頁版軟件進(jìn)行模型、視頻、UI界面和定位圖片擬合為例，在放置擬合過程中要考慮銜接問題以及之后交互設(shè)計(jì)時(shí)的需要。全部素材以居中方式設(shè)置中心點(diǎn)，縮放比例設(shè)置為同一大小，設(shè)置固定按鈕。同時(shí)還需注意項(xiàng)目圖片的精確大小和視頻的清晰程度，越高的DPI帶來的問題是越慢的處理時(shí)間。以表現(xiàn)需求為基點(diǎn)，若低分辨率就能表現(xiàn)，則采用低分辨率。同時(shí)還可以采用一些其他方式優(yōu)化模型，從而控制整體項(xiàng)目大小在要求范圍之內(nèi)。當(dāng)項(xiàng)目中的視頻和UI以及定位圖片互相擬合后，通常要設(shè)計(jì)交互的操作。設(shè)計(jì)人員需要考慮使用者對視頻點(diǎn)擊屏幕即可開始交互操作，在顯眼處放置開始UI界面和相應(yīng)動(dòng)作。視頻上也可以按照不同的需求加入暫停動(dòng)作或者繼續(xù)動(dòng)作。在這個(gè)過程中，也可以根據(jù)人們一般的操作習(xí)慣進(jìn)行設(shè)置，比如按照普通安卓放大模式：雙指張開方式，縮小相應(yīng)的便是雙指收縮方式，旋轉(zhuǎn)則是雙指按住方式。同時(shí)，Awe還有自帶的一些視頻處理效果，如局部放大，出現(xiàn)閃爍等等。最后，觀賞人群掃描“實(shí)景照片”也就是目標(biāo)圖片，會(huì)出現(xiàn)之前所對應(yīng)的匹配視頻和UI界面[1]。實(shí)景照片就是之前錄制視頻的其中一幀。當(dāng)視頻開始播放的時(shí)候，照片就像動(dòng)起來了一樣，同時(shí)照片的位置會(huì)出現(xiàn)3D模型，旁邊提示觀賞者需要的操作，如暫停等。耳機(jī)會(huì)發(fā)出風(fēng)沙的聲音，并且講解氣腔消化和凈化污染的過程（圖4）。

4場景體驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將真實(shí)氣腔世界模擬出來，使得人們成為一個(gè)觀賞者，在虛擬世界中用戶也可以得到如同真實(shí)世界一樣的感受。同時(shí)，用戶能完全沉浸在氣腔的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，感受它的運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)的流動(dòng)，并獲得深刻的解讀?？梢栽谔摂M的場景中豐富聯(lián)想，開拓自身的思維，能顯著提高設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力，從而提高空間設(shè)計(jì)效果，強(qiáng)化人們的認(rèn)知水平[5]。與傳統(tǒng)觸控的電腦鼠標(biāo)面板等界面不同的是，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將用戶和環(huán)境變成一個(gè)整體。利用各種傳感器，使人機(jī)交互模式發(fā)生了較大的變革，項(xiàng)目的觀賞者可以采取更加自然的方式進(jìn)行面對面的交流。因此，這項(xiàng)技術(shù)能幫助設(shè)計(jì)人員和項(xiàng)目評價(jià)人員克服交流時(shí)的障礙，能夠讓他們更加自然地使用、接受相關(guān)信息，從而提高學(xué)習(xí)效率。但目前VR技術(shù)仍有著較為顯著的缺陷。一是頭戴設(shè)備供電以及數(shù)據(jù)傳輸仍然未得到很好的解決（圖5），設(shè)備需要連接主機(jī)的連接線，這樣會(huì)導(dǎo)致行動(dòng)受到限制，沉浸式體驗(yàn)效果會(huì)有較大影響。二是現(xiàn)有VR系統(tǒng)對體驗(yàn)者動(dòng)作的追蹤很大程度上依賴攝像頭等外界設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這使得使用者的活動(dòng)自由度和區(qū)域受到限制。而AR的實(shí)時(shí)交互也存在體驗(yàn)上的不足。單單在手機(jī)設(shè)備上的體驗(yàn)，用戶在操作中雖然能得到相應(yīng)的信息反饋，但是通過對現(xiàn)實(shí)平面化的物件轉(zhuǎn)變生成三維立體的實(shí)物還是會(huì)有不真實(shí)感。現(xiàn)在最成熟的設(shè)備是利用3D投影技術(shù)獲得的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，雖然成型的價(jià)格還是較為高昂，但是能夠讓物件獲得多感知性，基于手機(jī)平臺而構(gòu)建一個(gè)全方位的、真實(shí)的世界用來體驗(yàn)。體驗(yàn)者也能夠更好地接觸設(shè)計(jì)，提出自己的意見，以此來強(qiáng)化設(shè)計(jì)質(zhì)量。

結(jié)語

本文以賓大教學(xué)作品為例，探索性地提出基于VR和AR技術(shù)的建筑空間設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并初步進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，豐富了建筑、空間設(shè)計(jì)的表達(dá)形式?；赩R和AR的虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用能夠呈現(xiàn)逼真的環(huán)境和對象，建筑設(shè)計(jì)人員能夠在虛擬的環(huán)境中展開設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中難以完成的各種交互展示功能，并且有利設(shè)計(jì)人員的空間感知能力。現(xiàn)如今，國外院校如賓夕法尼亞大學(xué)、英國倫敦大學(xué)學(xué)院、建筑聯(lián)盟學(xué)院等先鋒建筑院校都或多或少地采用VR和AR來增強(qiáng)設(shè)計(jì)的表達(dá)。由于空間思維能力等因素，使得部分人員在設(shè)計(jì)中難以建立良好的三維能力，無法快速地找到設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用，能夠很好地解決這些問題。

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作者：劉耿哲 劉小文 勾昭元 單位：賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院 賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院