未來建筑空間場景設計研究

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摘要：在計算機和網絡快速發展的今天，傳統建筑設計方式迎來了全新的設計表達方式。其中，以虛擬現實（VirtualReality，VR）技術為代表的數字化建筑空間設計給人以新的視覺體驗。文章通過對SimonKim教授在賓夕法尼亞大學對研究生課程成果的介紹，來展示AR/VR技術于未來建筑空間場景設計中的應用。設計人員不僅可以身臨其境地近距離互動，以彌補平時人眼無法觀察細節的缺憾，而且還能將其還原度極高的優勢運用于空間感知。

關鍵詞：虛擬現實；增強現實；建筑空間；未來場景；裝置設計

1VR虛擬現實和AR增強現實技術概述

虛擬現實（VirtualReality，VR）技術，是指利用二維或者三維技術進行整體設計，以及運用一些設計軟件（如Unity3D、UE4等）進行虛實模擬。目前在游戲方面技術已經成熟，但是在建筑交互展示領域還是一種比較創新的方法。把建筑空間或者裝置的模擬信息在特定的三維模擬環境中進行改造，可以直接顯示材料的質地，同時也可以使用掃描設備來創建更清晰的圖片。在現實中戴上眼鏡模擬，只需移動操控設備即可完成復雜場景的切換。當需要復雜的動作時，可以用外置操作手柄來操控它們。同時，可以插入視頻、聲音等，讓更多用戶積極參與并深度體驗空間氛圍。增強現實（AugmentedReality，AR）技術，是指利用計算機生成的二維、三維的物體或者信息資源，經過手機或者其他設備的攝像頭，疊加到真實場景中，從而達到真實的感官體驗。通過傳感器感知環境情況，定位目標的具體位置，并以此作為現實世界的根據，顯現虛擬的物體，使其達到更為逼真的融合效果[1]。

2場景設計——SimonKim教學作品的概念解析

文章利用Simonkim教授在賓夕法尼亞大學的建筑研究課程作為案例進行討論。Simonkim教授從建筑協會設計研究實驗室（AASchool)畢業后，擔任扎哈·哈迪德辦公室的設計師和項目建筑師，也是蓋里科技的顧問，是當代先鋒建筑設計的探索者。Simonkim教授最近的研究涉及電子設備、動態環境和城市空間。他在麻省理工學院的研究生課程是關于控制論、機器、建筑以及它們通過界面交互的設計經驗。同樣的，虛擬現實技術和增強現實技術也是計算機生成的虛擬物體或是將信息疊加到真實場景中，從而達到超越現實的感官體驗，這也正是他正在研究教學的主要項目之一。項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。由于污染物在環境中具有耐久性，它們會不斷積累，使得整個空氣和環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、鐵路相關場地和小型石油泄漏場地。本項目旨在通過一個個小型空氣氣腔處理現場遺留的大量污染物，并將關鍵組成部分通過過濾-凈化-精制產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造者——人，所占據。人在其中，僅作為一個觀賞者存在。先進的基礎設施及控制系統能夠保障內部的處理空間吸收裝置在沒有監督的情況下獨立運作。隨著時間的推移，場地的不斷修復將為首爾恢復一種新的合成自然。它們的改進和凈化機制將形成新的氛圍和環境。而其他動植物生命最終也會找到在這復雜環境中生長的方法（圖1）。同時，在其中一些包含氣腔的環境中，微生物生命形式甚至可能在新合成的世界中生存和繁衍。氣腔作為一個有知覺的、主動的、深思熟慮的超對象存在，是開墾土地并為首爾人民創造空間的一種手段，從一個中心點開始，通過網絡連接到整個站點的較小節點。它們提取和處理留下的污染物，同時沉浸在從處理過的土地上產生的新的合成自然中。氣腔的性質與先前居住者留下的基礎設施殘余物深深地交織在一起。它們被放置在這個基礎設施中，成為了巨大建筑景觀裝置。隨著時間的不斷流逝，建筑與當地環境進入了一個增長-反饋的循環，在這個環境中，它們排放出化學加工的副產品，隨著時間的推移，這些副產品會腐蝕它們并使其變形。但正是這種腐蝕使生命能夠占據并覆蓋它們：建筑修復網絡的本地化分階段的成長變形。隨著每次更迭，建筑和場地促進相互變化，由此產生的物理景觀既提醒人們幾個世紀的資源浪費和污染，也提醒人們即將到來的新機會。本項目對當代藝術和建筑實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系統設計與實現

如前所述，基于這種生態建筑裝置空間設計，傳統的建模技術是基于幾何形體雖有所改進，但如果建造稍微復雜的生態建筑模型也耗時耗力，并且建造的模型仿真度較低，難以達到設計概念本身需要的程度。所以本項目先運用基于圖像的建模技術來進行基礎的建模，也就是Photogrammetry。因為這樣的手段不僅具有方便、逼真度高等優點，并且近些年已經逐漸成為計算機視覺和計算機圖形學領域的一個新的研究熱點[1]。所以通過圖像建立模型來生成虛擬場景是一個很好的方法（圖2）。當做完實體模型，再進行掃描形成電腦三維模型后，如何進行建筑空間的體驗也是非常重要的問題。當生成很難用傳統的形式進行觀演模擬的生態建筑和空間時，使用基于VR/AR技術的數字化去中心的建筑虛擬空間便是非常有必要的[2]。（1）VR鑒于項目將基于移動平臺互動展示，具體實現方式則是用之前構筑的模型，以Unity3D及SteamVR插件和VRTK來具體實現氣腔模型的虛擬現實的手機和智能設備應用，并將其打包成便于運用的格式（.apk），使其能夠在安卓平臺運行。用戶可以在虛擬世界里縮放、旋轉氣腔。在Unity3D中，使用FingerGestures插件功能，可以利用各種手勢在觸摸屏中實現吸收腔模型的縮小、放大及旋轉等操作[3]。接著需要在場景中添加多種特效和材質。比如，將風沙的特效引入生態氣腔建筑的空間之中（圖3）。使用Unity3d軟件中的EnvironmentWeatherEffect2.0插件來模擬風沙的生成，然后對粒子系統中的風沙進行篩選與調整，再結合成面進行深化。將虛無縹緲的特效轉化為現實世界的、具體的、可觸碰的物質形態（圖3）。最后需要美化場景。如運用貼圖和光照烘培技術，來構造環境地形和營造氛圍，表達藝術氣息。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節光照和整體環境照明光照襯托出來，對整體環境而言，只需要在場景內添加點光源或者面光源，調整光源方向和強度，將光線照射到需要照亮的區域即可[4]。對于VR內容的呈現，作品中除了使用了基于VR頭盔的交互式實驗外，設計者也采用了三維虛擬全景漫游的模式。體驗者使用3D眼罩在氣囊虛擬漫游的路線中，聆聽旁白對此設計理念和知識的講解。使用者既能通過頭戴VR頭盔進行體驗，也能利用鼠標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增強現實技術的實現則是通過AWE網絡平臺。AWE平臺能夠完成基礎的AR技術，并且在不需要其他設備輔助的前提下，通過手機掃描其生成的二維碼，便可以快速實現AR效果。實現原理是：首先通過手機攝像頭采集實景，確認到特征物體的位置之后，將偵測到的現實景象數字化成圖像導入Awe（圖4）；然后通過特征點匹配技術找到識別的特征，便以此為參考找出需要生成的AE智能動畫，在AR環境中處于何種位置或方向，并確定提前存入手機中的標識圖的位置；最后通過手機攝像機和傳感器感知環境的光照，并以此為依據調整虛擬物體的材質亮度等，使其達到更為逼真的效果。以其中一個模塊“實景照片”為例，在AR增強現實技術的設計中，最重要的開始是交互影音的設計和UI的設計。主要涉及平面設計領域的圖形圖案之類。設計師應先在Photoshop中制作好相同大小的平面UI，如“開始”“暫停”“結束”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網頁版軟件進行模型、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計時的需要。全部素材以居中方式設置中心點，縮放比例設置為同一大小，設置固定按鈕。同時還需注意項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間。以表現需求為基點，若低分辨率就能表現，則采用低分辨率。同時還可以采用一些其他方式優化模型，從而控制整體項目大小在要求范圍之內。當項目中的視頻和UI以及定位圖片互相擬合后，通常要設計交互的操作。設計人員需要考慮使用者對視頻點擊屏幕即可開始交互操作，在顯眼處放置開始UI界面和相應動作。視頻上也可以按照不同的需求加入暫停動作或者繼續動作。在這個過程中，也可以根據人們一般的操作習慣進行設置，比如按照普通安卓放大模式：雙指張開方式，縮小相應的便是雙指收縮方式，旋轉則是雙指按住方式。同時，Awe還有自帶的一些視頻處理效果，如局部放大，出現閃爍等等。最后，觀賞人群掃描“實景照片”也就是目標圖片，會出現之前所對應的匹配視頻和UI界面[1]。實景照片就是之前錄制視頻的其中一幀。當視頻開始播放的時候，照片就像動起來了一樣，同時照片的位置會出現3D模型，旁邊提示觀賞者需要的操作，如暫停等。耳機會發出風沙的聲音，并且講解氣腔消化和凈化污染的過程（圖4）。

4場景體驗

虛擬現實和增強現實技術能將真實氣腔世界模擬出來，使得人們成為一個觀賞者，在虛擬世界中用戶也可以得到如同真實世界一樣的感受。同時，用戶能完全沉浸在氣腔的虛擬現實技術中，感受它的運轉，風的流動，并獲得深刻的解讀。可以在虛擬的場景中豐富聯想，開拓自身的思維，能顯著提高設計人員的創造力，從而提高空間設計效果，強化人們的認知水平[5]。與傳統觸控的電腦鼠標面板等界面不同的是，虛擬現實和增強現實技術將用戶和環境變成一個整體。利用各種傳感器，使人機交互模式發生了較大的變革，項目的觀賞者可以采取更加自然的方式進行面對面的交流。因此，這項技術能幫助設計人員和項目評價人員克服交流時的障礙，能夠讓他們更加自然地使用、接受相關信息，從而提高學習效率。但目前VR技術仍有著較為顯著的缺陷。一是頭戴設備供電以及數據傳輸仍然未得到很好的解決（圖5），設備需要連接主機的連接線，這樣會導致行動受到限制，沉浸式體驗效果會有較大影響。二是現有VR系統對體驗者動作的追蹤很大程度上依賴攝像頭等外界設備來實現，這使得使用者的活動自由度和區域受到限制。而AR的實時交互也存在體驗上的不足。單單在手機設備上的體驗，用戶在操作中雖然能得到相應的信息反饋，但是通過對現實平面化的物件轉變生成三維立體的實物還是會有不真實感。現在最成熟的設備是利用3D投影技術獲得的增強現實，雖然成型的價格還是較為高昂，但是能夠讓物件獲得多感知性，基于手機平臺而構建一個全方位的、真實的世界用來體驗。體驗者也能夠更好地接觸設計，提出自己的意見，以此來強化設計質量。

結語

本文以賓大教學作品為例，探索性地提出基于VR和AR技術的建筑空間設計的應用，并初步進行了設計實現，豐富了建筑、空間設計的表達形式。基于VR和AR的虛擬增強現實技術的使用能夠呈現逼真的環境和對象，建筑設計人員能夠在虛擬的環境中展開設計和實驗，同時有利于實現在現實中難以完成的各種交互展示功能，并且有利設計人員的空間感知能力。現如今，國外院校如賓夕法尼亞大學、英國倫敦大學學院、建筑聯盟學院等先鋒建筑院校都或多或少地采用VR和AR來增強設計的表達。由于空間思維能力等因素，使得部分人員在設計中難以建立良好的三維能力，無法快速地找到設計的重點。而虛擬現實和增強現實技術的運用，能夠很好地解決這些問題。

參考文獻：

[1]楊培生,邵美蘭,許小華,等.基于AR技術的山洪災害交互式宣傳系統設計與應用研究[J].江西水利科技,2021,47(06):416-417.

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[3]王銀.基于Unity3D的VR藝術館的設計與實現[J].信息與電腦（理論版）,2019,31(17):54-56.

[4]徐曉敏,龔萍,楊文煜.基于AR技術的云南祿豐恐龍谷數字化保護應用探析[J].電腦與信息技術,2021,29(06):21-23.

[5]李建,張杰.基于VR的虛擬仿真實驗教學項目設計與探索——以“景觀視覺空間分析虛擬仿真實驗教學項目”為例[J].中國教育信息化,2021(22):42-48.

作者：劉耿哲 劉小文 勾昭元 單位：賓夕法尼亞大學設計學院 南昌大學建筑工程學院 賓夕法尼亞大學設計學院