基于虚拟现实（VR）/增强现实（AR）技术的未来建筑空间场景设计——以宾大Simon Kim 教学作品为例

文／刘耿哲 宾夕法尼亚大学设计学院

刘小文 南昌大学建筑工程学院

勾昭元 宾夕法尼亚大学设计学院

1 VR 虚拟现实和AR 增强现实技术概述

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，是指利用二维或者三维技术进行整体设计，以及运用一些设计软件（如Unity3D、UE4 等）进行虚实模拟。目前在游戏方面技术已经成熟，但是在建筑交互展示领域还是一种比较创新的方法。把建筑空间或者装置的模拟信息在特定的三维模拟环境中进行改造，可以直接显示材料的质地，同时也可以使用扫描设备来创建更清晰的图片。在现实中戴上眼镜模拟，只需移动操控设备即可完成复杂场景的切换。当需要复杂的动作时，可以用外置操作手柄来操控它们。同时，可以插入视频、声音等，让更多用户积极参与并深度体验空间氛围。

增强现实（Augmented Reality，AR）技术，是指利用计算机生成的二维、三维的物体或者信息资源，经过手机或者其他设备的摄像头，叠加到真实场景中，从而达到真实的感官体验。通过传感器感知环境情况，定位目标的具体位置，并以此作为现实世界的根据，显现虚拟的物体，使其达到更为逼真的融合效果[1]。

2 场景设计——Simon Kim 教学作品的概念解析

文章利用Simon kim 教授在宾夕法尼亚大学的建筑研究课程作为案例进行讨论。Simon kim 教授从建筑协会设计研究实验室（AA School)毕业后，担任扎哈·哈迪德办公室的设计师和项目建筑师，也是盖里科技的顾问，是当代先锋建筑设计的探索者。

Simon kim教授最近的研究涉及电子设备、动态环境和城市空间。他在麻省理工学院的研究生课程是关于控制论、机器、建筑以及它们通过界面交互的设计经验。同样的，虚拟现实技术和增强现实技术也是计算机生成的虚拟物体或是将信息叠加到真实场景中，从而达到超越现实的感官体验，这也正是他正在研究教学的主要项目之一。

项目的主要场地和概念源自于韩国首尔的污染。韩国的污染每年都在加速。由于污染物在环境中具有耐久性，它们会不断积累，使得整个空气和环境具有潜在的健康问题。而污染场地的清理工作主要集中在军区、铁路相关场地和小型石油泄漏场地。

本项目旨在通过一个个小型空气气腔处理现场遗留的大量污染物，并将关键组成部分通过过滤-净化-精制产品提供给附近的人们。在未来，这些类建筑的角色不再被它们的创造者——人，所占据。人在其中，仅作为一个观赏者存在。先进的基础设施及控制系统能够保障内部的处理空间吸收装置在没有监督的情况下独立运作。随着时间的推移，场地的不断修复将为首尔恢复一种新的合成自然。它们的改进和净化机制将形成新的氛围和环境。而其他动植物生命最终也会找到在这复杂环境中生长的方法（图1）。

图1 空间剖面（图片来源：作者自绘）

同时，在其中一些包含气腔的环境中，微生物生命形式甚至可能在新合成的世界中生存和繁衍。气腔作为一个有知觉的、主动的、深思熟虑的超对象存在，是开垦土地并为首尔人民创造空间的一种手段，从一个中心点开始，通过网络连接到整个站点的较小节点。它们提取和处理留下的污染物，同时沉浸在从处理过的土地上产生的新的合成自然中。气腔的性质与先前居住者留下的基础设施残余物深深地交织在一起。它们被放置在这个基础设施中，成为了巨大建筑景观装置。

随着时间的不断流逝，建筑与当地环境进入了一个增长-反馈的循环，在这个环境中，它们排放出化学加工的副产品，随着时间的推移，这些副产品会腐蚀它们并使其变形。但正是这种腐蚀使生命能够占据并覆盖它们：建筑修复网络的本地化分阶段的成长变形。随着每次更迭，建筑和场地促进相互变化，由此产生的物理景观既提醒人们几个世纪的资源浪费和污染，也提醒人们即将到来的新机会。

本项目对当代艺术和建筑实践中的新兴概念提出了新的想法：从物理到虚拟的空间城市概念。

3 系统设计与实现

如前所述，基于这种生态建筑装置空间设计，传统的建模技术是基于几何形体虽有所改进，但如果建造稍微复杂的生态建筑模型也耗时耗力，并且建造的模型仿真度较低，难以达到设计概念本身需要的程度。所以本项目先运用基于图像的建模技术来进行基础的建模，也就是Photogrammetry。因为这样的手段不仅具有方便、逼真度高等优点，并且近些年已经逐渐成为计算机视觉和计算机图形学领域的一个新的研究热点[1]。所以通过图像建立模型来生成虚拟场景是一个很好的方法（图2）。

图2 模型（图片来源：作者自摄）

当做完实体模型，再进行扫描形成电脑三维模型后，如何进行建筑空间的体验也是非常重要的问题。当生成很难用传统的形式进行观演模拟的生态建筑和空间时，使用基于VR/AR技术的数字化去中心的建筑虚拟空间便是非常有必要的[2]。

（1）VR 鉴于项目将基于移动平台互动展示，具体实现方式则是用之前构筑的模型，以Unity3D 及Steam VR 插 件 和VRTK 来 具 体实现气腔模型的虚拟现实的手机和智能设备应用，并将其打包成便于运用的格式（.apk），使其能够在安卓平台运行。用户可以在虚拟世界里缩放、旋转气腔。在Unity3D 中，使用FingerGestures 插件功能，可以利用各种手势在触摸屏中实现吸收腔模型的缩小、放大及旋转等操作[3]。

接着需要在场景中添加多种特效和材质。比如，将风沙的特效引入生态气腔建筑的空间之中（图3）。使用Unity3d 软件中的Environment Weather Effect 2.0 插件来模拟风沙的生成，然后对粒子系统中的风沙进行筛选与调整，再结合成面进行深化。将虚无缥缈的特效转化为现实世界的、具体的、可触碰的物质形态（图3）。

图3 Unity3D 过程（图片来源：作者自摄）

最后需要美化场景。如运用贴图和光照烘培技术，来构造环境地形和营造氛围，表达艺术气息。最重要的是添加光源和光效。光效主要通过各种气腔周围的局部细节光照和整体环境照明光照衬托出来，对整体环境而言，只需要在场景内添加点光源或者面光源，调整光源方向和强度，将光线照射到需要照亮的区域即可[4]。

对于VR 内容的呈现，作品中除了使用了基于VR 头盔的交互式实验外，设计者也采用了三维虚拟全景漫游的模式。体验者使用3D 眼罩在气囊虚拟漫游的路线中，聆听旁白对此设计理念和知识的讲解。使用者既能通过头戴VR 头盔进行体验，也能利用鼠标或键盘控制浏览的方向，上下左右全方位地观赏场景和物体，具有较好的沉浸感和仪式感。

（2）AR 增强现实技术的实现则是通过AWE 网络平台。AWE 平台能够完成基础的AR技术，并且在不需要其他设备辅助的前提下，通过手机扫描其生成的二维码，便可以快速实现AR 效果。实现原理是：首先通过手机摄像头采集实景，确认到特征物体的位置之后，将侦测到的现实景象数字化成图像导入Awe（图4）；然后通过特征点匹配技术找到识别的特征，便以此为参考找出需要生成的AE 智能动画，在AR 环境中处于何种位置或方向，并确定提前存入手机中的标识图的位置；最后通过手机摄像机和传感器感知环境的光照，并以此为依据调整虚拟物体的材质亮度等，使其达到更为逼真的效果。

图4 AR 效果和Awe 平台使用截图（图片来源：作者自摄）

以其中一个模块“实景照片”为例，在AR增强现实技术的设计中，最重要的开始是交互影音的设计和UI 的设计。主要涉及平面设计领域的图形图案之类。设计师应先在Photoshop中制作好相同大小的平面UI，如“开始”“暂停”“结束”等，并整合纹理贴图，拟合气囊空间类似效果（如凹凸贴图、金属贴图、法线贴图、高光贴图等），使其逼真。

以使用Awe 网页版软件进行模型、视频、UI 界面和定位图片拟合为例，在放置拟合过程中要考虑衔接问题以及之后交互设计时的需要。全部素材以居中方式设置中心点，缩放比例设置为同一大小，设置固定按钮。同时还需注意项目图片的精确大小和视频的清晰程度，越高的DPI 带来的问题是越慢的处理时间。以表现需求为基点，若低分辨率就能表现，则采用低分辨率。同时还可以采用一些其他方式优化模型，从而控制整体项目大小在要求范围之内。

当项目中的视频和UI 以及定位图片互相拟合后，通常要设计交互的操作。设计人员需要考虑使用者对视频点击屏幕即可开始交互操作，在显眼处放置开始UI 界面和相应动作。视频上也可以按照不同的需求加入暂停动作或者继续动作。在这个过程中，也可以根据人们一般的操作习惯进行设置，比如按照普通安卓放大模式：双指张开方式，缩小相应的便是双指收缩方式，旋转则是双指按住方式。同时，Awe 还有自带的一些视频处理效果，如局部放大，出现闪烁等等。

最后，观赏人群扫描“实景照片”也就是目标图片，会出现之前所对应的匹配视频和UI界面[1]。实景照片就是之前录制视频的其中一帧。当视频开始播放的时候，照片就像动起来了一样，同时照片的位置会出现3D 模型，旁边提示观赏者需要的操作，如暂停等。耳机会发出风沙的声音，并且讲解气腔消化和净化污染的过程（图4）。

4 场景体验

虚拟现实和增强现实技术能将真实气腔世界模拟出来，使得人们成为一个观赏者，在虚拟世界中用户也可以得到如同真实世界一样的感受。同时，用户能完全沉浸在气腔的虚拟现实技术中，感受它的运转，风的流动，并获得深刻的解读。可以在虚拟的场景中丰富联想，开拓自身的思维，能显著提高设计人员的创造力，从而提高空间设计效果，强化人们的认知水平[5]。

与传统触控的电脑鼠标面板等界面不同的是，虚拟现实和增强现实技术将用户和环境变成一个整体。利用各种传感器，使人机交互模式发生了较大的变革，项目的观赏者可以采取更加自然的方式进行面对面的交流。因此，这项技术能帮助设计人员和项目评价人员克服交流时的障碍，能够让他们更加自然地使用、接受相关信息，从而提高学习效率。

但目前VR 技术仍有着较为显著的缺陷。一是头戴设备供电以及数据传输仍然未得到很好的解决（图5），设备需要连接主机的连接线，这样会导致行动受到限制，沉浸式体验效果会有较大影响。二是现有VR 系统对体验者动作的追踪很大程度上依赖摄像头等外界设备来实现，这使得使用者的活动自由度和区域受到限制。

图5 使用场景（图片来源：作者自摄）

而AR 的实时交互也存在体验上的不足。单单在手机设备上的体验，用户在操作中虽然能得到相应的信息反馈，但是通过对现实平面化的物件转变生成三维立体的实物还是会有不真实感。现在最成熟的设备是利用3D 投影技术获得的增强现实，虽然成型的价格还是较为高昂，但是能够让物件获得多感知性，基于手机平台而构建一个全方位的、真实的世界用来体验。体验者也能够更好地接触设计，提出自己的意见，以此来强化设计质量。

结语

本文以宾大教学作品为例，探索性地提出基于VR 和AR 技术的建筑空间设计的应用，并初步进行了设计实现，丰富了建筑、空间设计的表达形式。基于VR 和AR 的虚拟增强现实技术的使用能够呈现逼真的环境和对象，建筑设计人员能够在虚拟的环境中展开设计和实验，同时有利于实现在现实中难以完成的各种交互展示功能，并且有利设计人员的空间感知能力。

现如今，国外院校如宾夕法尼亚大学、英国伦敦大学学院、建筑联盟学院等先锋建筑院校都或多或少地采用VR 和AR 来增强设计的表达。由于空间思维能力等因素，使得部分人员在设计中难以建立良好的三维能力，无法快速地找到设计的重点。而虚拟现实和增强现实技术的运用，能够很好地解决这些问题。