VR 是用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺, 使人能通過適當裝置對虛擬世界進行互動式體驗。通常使用者頭戴一個頭盔, 手持感測手套, 彷彿置身於一個幻覺世界中, 在虛擬環境中漫遊, 並允許操作其中的物。使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知, 從而達到身臨其境的感受。
VR 技術與建築設計利用
VR 技術進行建築設計, 在建築設計階段就能以可視的、動態的方式全方位展示建築物所處的地理環境、建築物外貌、建築物內部構造和各種附屬設施, 使人們能夠在一個虛擬的環境中, 甚至在未來的建築物中漫遊。因而, VR 技術是建築方案設計、裝修效果展示、方案投標、方案論證及方案評審的有力工具, 在建築設計業、房地產業和建築裝修業等領域有著日益廣泛的應用前景。
建築物虛擬現實環境設計的基本要素
利用VR 技術進行建築物設計的基本要素包括虛擬場景建模、虛擬場景渲染、虛擬攝影機設定、運動速度控制以及虛擬觀察者各種動作的模擬( 步行、旋轉及其它動作) 等等。
虛擬場景建模無論採用何種虛擬方式, 首先要遇到虛擬環境建模問題。目前既可採用VRML 等專用的虛擬現實建模語言, 又可以採用SGI 公司的Open Inventor 等來完成建模, 也可以直接利用OpenGL 建立模型庫或開發專門的建模工具, 但這樣做的工作量是非常大的.。另一種方法是藉助於3DSMAX 等普通的三維建模工具, 先建立起三維模型, 然後用程式設計或藉助於工具的方法, 匯入到虛擬環境中, 並利用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遊戲程式設計, 但是由於其硬體要求低 ( 目前大多數圖形加速卡都支援DirectX) , 而且其開發包DirectX SDK 中提供直接匯入3DSMAX 模型的工具, 用Direct3D 技術完成渲染。這樣, 就為在低成本硬體環境中研究虛擬現實技術提供了條件。
虛擬場景渲染建築物虛擬現實常常要表現一個龐大的建築群。對於較小的場景, 可以很快地完成渲染; 但對於複雜的大型場景, 一旦超過計算機實體記憶體能力, 由於需要使用虛擬記憶體, 渲染時間將會增加十幾倍甚至數十倍, 慢到令人難以忍受的程度。當然, 可以根據計算機記憶體的大小來控制場景規模, 使得所有的渲染工作都在計算機實體記憶體中完成, 但有時也會遇到必須處理大型場景的情況。解決這一問題的辦法是, 把虛擬現實場景分解為可直接在實體記憶體中完成渲染的若干組, 分組進行渲染。這種方法無論對預製還是實時動畫, 都是行之有效的。在互動式漫遊過程中, 可根據觀察者當前時刻所處的位置, 將場景分為若干個動態子塊, 在遠方不斷地、動態地實時生成新的動態模組。這一技術不僅可以節約渲染時間, 而且可以有效地避免在互動式漫遊過程中走到天盡頭, 甚至掉到宇宙中這樣的問題。
虛擬攝影機設定
虛擬攝影機焦距設定在建築物虛擬現實中, 虛擬攝影機是對虛擬觀察者眼睛的模擬, 一般情況下焦距應與人的正常視野接近, 即為35 mm 左右。當焦距小於28 mm 時或大於50 mm 時, 均不能正確反映建築物的透視關係, 要麼畸變, 要麼景深過小。除非有特殊需要, 攝影機焦距一般應設定在35 mm 左右。
虛擬攝影機高度設定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。而且在漫遊過程中, 虛擬攝影機應儘量保持平視, 即攝影機與攝影機目標點高度相同。當需要仰視或俯視, 而物體變形太大時, 可適當增加焦距。
動畫運動速度控制
因為虛擬攝影機代表觀察者的眼睛, 所以, 如何把虛擬攝影機看到的與觀察者在虛擬場景中觀察到的聯絡起來, 就極為重要了。在考慮虛擬場景中動畫的運動速度時, 作為動畫創作者需要認真考慮觀察者會有什麼樣的速度感覺, 以及這種感覺是否適合於計算機動畫。攝影機通過場景的速度快, 場景運動得就快, 觀察者感覺得速度就快。特別是當動畫中出現熟悉的物體, 例如建築物、傢俱和汽車時, 觀察者就會有很強的相對速度的感覺, 這時創作者應花一點時間來考慮一個人在給定的環境中, 應當走多快才能看清場景。
虛擬觀察者運動模擬
步行模擬步行模擬是模擬觀察者在虛擬環境中漫步。在實際生活中, 當觀察者經過一個地方時, 眼睛留下的印象不會是簡單地從一邊看到另一邊, 有時會停下來, 看一下詳細情況或環境。當觀察者注意到比較關心的目標時, 常常會忘了單純的散步。重建這種印象, 就是產生有趣動畫的過程。這實際上是由製作者代替觀察者事先決定什麼值得一看, 以及怎樣看。在互動式漫遊時, 則是通過互動方式, 由操作者選擇看什麼以及看。
旋轉模擬在製作虛擬環境中的漫遊動畫時, 旋轉路徑最容易引起返工。其原因往往是製作時未能對漫遊動畫中的旋轉進行深入的探究。漫遊動畫中的旋轉可分兩種情況: ( 1) 視點不變, 攝影機作圓弧運動或曲線運動。例如, 用迴轉方式表現建築物外觀。就相對運動而言, 此時本質上相當於讓物體旋轉。儘管此時每一幀畫面都在發生變化, 但觀察物件始終在畫面內。一般藉助於虛擬物體可較好地完成這種旋轉。 ( 2) 視點變化, 攝影機座標不變或作曲線運動。例如, 掃視環境或模擬觀察者的轉身、轉彎動作。此時不僅每一幀畫面都在發生變化, 而且觀察物件也時刻在改變, 除非運動速度非常緩慢( 當然將耗費大量幀數) , 否則很難看清楚動畫內容。對大多數人來說, 合適的轉動速度大約是每秒轉動 45。如果需要在轉動過程中仔細觀察, 每秒就只能轉動15~ 20。
建築物虛擬現實漫遊
建築物虛擬現實漫遊一般都要表現該建築物所處的虛擬地理環境、建築物全貌, 以及該建築物的各種附屬設施, 常採用瀏覽和鳥瞰的方式進行。在瀏覽式漫遊中, 為了給人以身臨其境的感覺, 應力求減少鏡頭切換, 依靠巧妙的漫遊路徑設計, 用連續的鏡頭, 一氣呵成地完成所要表現的內容。此外, 為了在整個漫遊過程中正確表現主體物件與周圍景觀的透視關係, 虛擬環境建築群也應使用三維模型, 而不宜用背景貼圖替代。為了節省渲染時間, 除該建築群與少數表現地理特徵的建築物外, 其餘作為襯托的建鳥瞰式漫遊的主要優點是居高臨下, 整個虛擬建築結構佈局一覽無遺, 而且十分自由, 可以省去模擬觀察者在建築物內穿行、轉身之類動作的麻煩。築物模型應儘可能簡略。
