虚拟现实技术在建筑设计课程教学上的应用

2018-03-05谢菊明宋晓宇

智能城市 2018年2期

谢菊明宋晓宇

1.广州美术学院,广东广州 511442；2.光辉城市,重庆 400030

1 建筑设计课程主流教学模式的问题和困境

建筑设计，在所有高校的建筑系教学中都是极其重要的课程。目前，主流高校的建筑设计课程教学采用多媒体技术，利用文字、图形图像、视频及声音文件来展示和汇报（见图1）。但二维的图片资料只是截取了建筑的某个角度或片段，对于建筑的三维空间及环境的表达是片面的；音视频资料更能表达建筑和空间，但它是在固定的路径和视角来观看的，难以全面、直观表达。最为重要的是，这种教学方式下学生只是被动地接受，参与度低、缺乏互动和体验，所以学习的兴趣和积极性受到影响。

图1 主流建筑设计类课程的表达和展示

另一方面，建筑设计课程是一个实践性很强的课程，各个高校也都强调让学生去实践（比如做模型、重视建构类课程等），但又无法真正实践，因为实际建造建筑的成本太高、工期太长。不像工业设计、家具设计等，学生作业成果可以是一个产品样品或实际的成品，可以试用和体验；建筑系学生的作业成果都是平面的展板、缩微的模型等，限于专业知识和空间想象能力，非专业人士很难看懂，更别说供人们试用或体验。

2 VR技术的特点及其应用于建筑设计的优势

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是20世纪兴起的一门综合集成技术，《不列颠百科全书》的定义为：“虚拟现实，计算机科学的分支，通过可以响应用户移动并提供实时感觉回馈的装置来进行交互式三维建模和三维仿真的技术。虚拟现实软件使用户沉浸在通过使用交互设备来仿真的计算机生成的环境中。这种电子交互设备通常以眼球跟踪器、头盔、手套、衣服的形式出现”。VR技术的特点及应用于建筑设计的优势包括以下几个方面。

2.1 高沉浸感和多感知

“VR技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的组成部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。通过使用数字头盔、手套、衣服、眼球跟踪器等电子交互设备，虚拟现实系统使用户沉浸在计算机生成的实时动态可交互的三维立体仿真环境中。沉浸感来源于对虚拟世界的多感知性。多感知，是指理想的VR应该具备人所具有的所有感知，除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉、味觉等。”

因为这种高沉浸感，VR技术与建筑设计结合让使用者在所创造的虚拟建筑和环境中有很强的现场感，用户好像完全置身于虚拟建筑之中一样，能够感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，可以如同在真实世界中一样去体验感受虚拟建筑和环境（见图2）。

图2 VR技术高沉浸感和多感知等特点

2.2 真实自然的实时交互

VR技术实现了虚拟世界人与人、人与计算机之间的信息交互，而且使得人机交互更加人性化。用户通过自然行为（动作或语音等）输入信息，系统处理后作出实时响应，并通过输出设备反馈到用户的五官。交互性很高时，用户与虚拟世界的交互是自然的、实时的，因此用户能产生如同在真实世界中一样的感觉。

VR技术的这个特点应用于建筑设计时，可实现建筑设计的动态比较和实时编辑——对虚拟建筑的操作和修改可以实时的体现出来，实现“所见即所得”；能够实现对任意建筑设计元素进行实时的比较、变换和修改，还能够对其参数进行实时调整；还可实现不同建筑方案的实时切换，各种设计意图可通过VR技术实时反映出来，方便用户更直观、全面地分析和比较，从而做出正确的决策。

2.3 时空的虚拟体验

“VR技术的应用，为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段，可以使人类跨越时间与空间，去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件；可以使人类突破生理上的限制，进入宏观或微观世界进行研究和探索；也可以模拟因条件限制等原因而难以实现的事情。”

VR技术的这个特点让人们可以突破时间的限制，在建筑设计过程中就像建筑已经建成一样去体验和感受建筑，也可以把已经被毁坏的古建筑虚拟呈现，让人们去体验。VR技术让人们可以突破空间的限制，在家里或任何地点体验和研究正在设计中或实际已经建成的世界上任何地方的建筑。除此之外，还能够突破其他客观条件限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验（虚拟体验，比如在虚拟建筑空间内外飞翔、上帝视角、空中漫步等）。

以上这些特点和优势，使得VR技术成为建筑方案设计、效果展示、方案比较及方案评审的有力工具。

3 VR技术在建筑设计课程教学上的应用

VR技术是一种新型教育技术手段，具备重塑教育的潜力。能够实现虚拟教学——在虚拟的世界里体验、探究、训练、矫正、交流、创作。建筑设计课程教学在VR技术的支持下，将实现教学内容可视化、教学环境虚拟化、教学过程交互化、教学评价客观化。

下面以建筑设计课程教学全过程为例阐释其与VR技术结合的实现路径和方法。

3.1 前期调研阶段

利用VR技术对基地地形、地貌、周边建筑形态、城市肌理等场景虚拟还原，将街区内的所有信息真实重现。建立起足够的资源数据库后，可以虚拟基地调研，实现随时随地线上“调研”，可以很方便地得到基地内建筑、绿化、人流、车流、降雨量和洪水位等影响设计用传统方法又很难获得的信息。

3.2 案例分析阶段

VR技术平台使人们可以足不出户就能欣赏、体验、研究分析世界各地的经典建筑案例；也可以方便地查询到这些案例技术人文等方面的信息。学生可以自己拆解、重建、修改、比较、验证各建筑要素，实现更加深入细致的案例分析。

3.3 概念构思阶段

在虚拟基地中任意漫游，以真实的视觉角度或非常规的视角观察体验，当观察体验的方式变了之后，判断和创造的方法也就随之改变了。这可以帮助建筑师发现问题，得到构思灵感。还可以将自己的初步构思放到虚拟基地中，研究体量、形态、对景等是否与基地契合，辅助完善方案。

3.4 方案比较阶段

VR技术平台中，可以实时地切换不同的方案，进行多方案的比选。而且还能在不同的建筑方案中设定相同观察点或序列来观察和感受，这样有助于比较不同建筑方案的优缺点，方便决策。同样的，可以实时地对建筑局部进行方案比选。

3.5 空间形成阶段

学生可在逼真的三维场景中任意漫游，身临其境般感受所创造的空间，体验空间序列是否完整、变化是否丰富，空间尺度是否宜人，空间氛围是否符合概念和构思等，这种直观的体验非常有利于经验不足的学生判断和决策。如果不满意，可以利用VR端编辑工具，对空间各要素进行修改、替换等，“所见即所得”的修改方式也更利于学生比较、判断（见图3）。

图3 VR技术支持下的三维可视化设计和编辑修改

3.6 细部推敲阶段

虚拟建筑是对设计方案进行的真实“呈现”，学生可以在虚拟建筑内细细踱步，观察、揣摩每一处细节，建筑材料的选择、色彩的搭配，配景的添加，可以在虚拟漫游中直接实时修改、添加或替换，还可以把修改前后的效果放在一起对比，有利于学生判断。

3.7 方案表现阶段

VR技术平台在材质资源、模型资源、线上共享通道等方面提供全面技术支持，方便学生快速高质量地表现设计方案。表现成果除了让人们获得最直观体验的“虚拟建筑”，学生自己还可以在“虚拟建筑”三维场景中自由漫游，选择合适的角度和场景“拍照”，立即生成效果图，同理也可以快速制作全景图、CG动画、全景视频、3D立体动画、3D立体漫游等，提升效率、节省时间和资源（见图4）。

图4 VR技术平台使设计与表现同步推进

3.8 汇报评图阶段

提交/评审作业均通过线上平台完成，大大提升效率。学生将作业提交到云端评图系统，突破空间限制，导师（或校外专家）可以在学校办公室、家里、设计院等任何地方线上评图，提出修改意见，甚至直接对学生的作业进行修改操作。

3.9 展示归档阶段

虚拟展厅实现可持续展示，既节省空间，也方便随时随地参观、查阅。因为不占用空间而且方便长久保留，虚拟展厅的设计作业可以长久存留，供新生、低年级学生参考，使设计作业作为教育资源积累。

通过以上过程可以看出，VR技术应用于建筑设计课程教学中最主要的特点和优势是三维可视化设计创作和突破时空限制。

（1）三维的思维和创作方式——从传统多媒体教学到虚拟现实教学最重要的是2D思维转换成3D思维，是完全不同的思维逻辑，这种转变有利于培养有空间设计思维的创新人才。

（2）虚拟体验——VR技术提高了知识呈现的情境性与直观性，利用VR技术把设计方案生成逼真的三维虚拟环境和建筑，让学生走进他们的设计中，身临其境地感受建筑的环境、空间、功能、形态、光影等，这种体验非常有助于培养学生的空间判断能力，是普通教学不可能得到的。此外，还可以体验平时不可能体验到的虚拟情境。

（3）虚拟建构——非常有吸引力的是虚拟建筑教学能够在毫无成本和风险的情况下，让学生完成设计方案的虚拟建造“实践”，体验“动手”参与建造和自己方案建成的乐趣，这在传统的教学环境中是不可能实现的。

（4）虚拟社交——利用VR系统的实时交互性，师生之间可以像普通教学那样互动和交流，同时还可以利用虚拟现实系统的共享性，教师和学生都可以实时共享资源，分享、交流自己的体验和心得，实现虚拟社交。

4 挑战（也就是方向）

VR技术在建筑设计课程教学上的应用有了好的开始和非常美妙的前景，但是也面临着一些挑战（也就是发展方向）。

4.1 技术方面

要普及VR应用，需提供高性价比的终端设备。市场需要运行稳定、性能强劲、价格又比较美好的硬件解决方案。硬件生产厂家需提升硬件性能以支撑数据快速处理和显示，提升传感器等电子交互设备性能，实现精准定位、快速反馈，数据传输速率也需大幅提升，才能实现视觉、听觉、触觉、嗅觉、力觉等客户感官体验的持续改进。

4.2 内容方面

VR技术要实现对现实世界的真实模拟，需要建立起完整巨大的资源数据库。VR技术毕竟还处于早期阶段，应用在建筑设计和教育上也刚起步，数据库资源有限，把现有的内容进行重新建模也是巨大的工作量，而且从基础平台到应用软件开发还要加入更多信息（材料、设备参数、价格和生产厂家等），这些都需要时间和人力去慢慢累积。