虛擬現(xiàn)實(V irtual Reality， 簡稱VR ) ， 又稱為虛擬環(huán)境(V irtual Environm en t s)、人造空間(Cyber space)、人工現(xiàn)實(A rt if icial Reality)、仿真技術(shù)(Sim u lato r Techno logy) 等。 它集成了計算機圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)、并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果。 它以模擬方式為使用者， 創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界。 在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中， 使設(shè)計者可以深入探索、參與者可以直接參與虛擬對象在所處環(huán)境中的作用和變化， 仿佛置身于一個虛擬的世界中， 產(chǎn)生融合性……997 年， B ridges 與Charito s 提出建筑設(shè)計與VR 之間， 存在著一雙向關(guān)系， 建筑設(shè)計可引用VR 來評估與驗證設(shè)計意圖， 而虛擬現(xiàn)實的環(huán)境可引用建筑設(shè)計知識來建構(gòu)。
1.虛擬現(xiàn)實的建筑演示系統(tǒng)
在建筑和規(guī)劃學(xué)科領(lǐng)域， 使用虛擬現(xiàn)實演示單體建筑、居住小區(qū)乃至城市空間， 可以讓人以不同的俯仰角度去審視或欣賞其外部空間的動感形象及其平面布局特點。它所產(chǎn)生的融合性， 要比模型或效果圖更形象、完整和生動。
使用虛擬現(xiàn)實語言， 可實現(xiàn)實時場景及單體編輯， 動畫、解說等多媒體信息和虛擬現(xiàn)實無縫連接。 它讓人易于交流， 加強大眾與專業(yè)團體對城市及開發(fā)區(qū)規(guī)劃的理解與認(rèn)識， 勾畫未來城市的形象等。
臺灣交通大學(xué)建筑與文化研究院劉育東教授在臺灣新竹市東門城廣場規(guī)劃中， 第一次對。公共工程進行公開討論， 以擬定后續(xù)的發(fā)展準(zhǔn)則。 居民們希望從任意角度了解工程項目的。情況， 所以將虛擬現(xiàn)實引入用戶參與設(shè)計系統(tǒng)是十分必要的。虛擬現(xiàn)實能適應(yīng)因特網(wǎng)上傳播的需要， 并能滿足房地產(chǎn)信息的需求。 對房地產(chǎn)開發(fā)商、建筑設(shè)計和規(guī)劃行業(yè)來說， 虛擬現(xiàn)實的展示方式是大勢所趨。
(1)在商品房交易中， 消費者除了關(guān)注商品房的價格、位置之外，越來越關(guān)注房屋的環(huán)境、結(jié)構(gòu)、設(shè)計、裝潢。 用戶在查詢某商品房時，可以定位指定觀察室內(nèi)戶型以及小區(qū)環(huán)境�？梢杂H身體驗小區(qū)建成后的三維虛擬環(huán)境，了解室內(nèi)空間、周邊環(huán)境、固定設(shè)施的配套情況，因而仿佛身臨其境。虛擬現(xiàn)實可以輔助戶型室內(nèi)裝修設(shè)計及建材選擇。場景中每個物體，可進行獨立的移動、隱藏等編輯操作。 動感十足的虛擬現(xiàn)實可刺激用戶的購買欲，有助于銷售，縮短售房周期。
(2) 設(shè)計院可將自己的設(shè)計方案動態(tài)形象地展示， 以充分表達自己的方案， 提高中標(biāo)率。
(3) 中標(biāo)后對甲方、乙方而言， 可通過VR 方式審視。 雙方可逼真快捷地進行設(shè)計數(shù)據(jù)的修改， 使設(shè)計臻于完善， 直至滿意。
2 虛擬巡游系統(tǒng)的形成過程
以動畫及虛擬系統(tǒng)的形成過程為例， 介紹如何將虛擬現(xiàn)實輔助于建筑設(shè)計方案中。
2.1 數(shù)據(jù)采集
包括平、立、剖面與透視圖。 包括能充分反映建筑物的特點、立面效果， 以及重要建筑物的空間關(guān)系的規(guī)劃區(qū)域?qū)嵕皥D像， 諸如多角度、多距離觀察的錄像與攝影圖片。 還包括空間參照物， 如周圍建筑物， 相關(guān)的圖紙和文本。
2.2 用三維建模軟件建模
依據(jù)方案設(shè)計圖在三維圖形系統(tǒng)中構(gòu)造建筑物， 常用建模軟件有A u toCAD 和3DSMAX. 使用3DSMAX 制作動畫。 將其以VRML (V irtual RealityModeling L anguage) 文件格式輸出。
2.3 優(yōu)化虛擬系統(tǒng)
(1) 使用LOD (L evel of detail) 算法替代模型的不同版本， 以減輕VRML 瀏覽器的負(fù)擔(dān)。通過這種算法， 對于遠處的或者是不重要的物體， 用較少的多邊形表示。 對于近處的或較重要的物體用較多的多邊形來表示， 從而在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上減少多邊形的數(shù)目。
(2) 在場景中放置足夠多的攝影機， 以供用戶選擇。
(3) 使用U SE， 對原始節(jié)點進行重用， 以減少文件長度。
(4) 使用超鏈接節(jié)點A ncho r， In line 等， 鏈接其它虛擬空間。A ncho r 使場景中的對象與另一空間造型鏈接， 或與場景中另一相機連接。In line O b ject 可合并另一虛擬現(xiàn)實文件。
(5) 通過A udio Clip ， Sound 算法提供虛擬的聲音效果。
2.4 使用java scr ipt 語言擴展虛擬世界的動態(tài)行為
J avascrip t 語言是用于VRML 各個節(jié)點的一種描述語言。 它使*. WRL 文件所模擬的世界， 具有較強的真實度。
拙政園名冠江南， 是中國的四大名園之一， 亦是世界文化遺產(chǎn)之一。其空間蜿蜒曲折， 藏露掩映， 欲放先收， 達到小中見大的效果。 我們?yōu)樽菊䦂@最精彩部分(中部水院的小飛虹、小滄浪、得真亭、松風(fēng)亭等) ， 建立了虛擬巡游系統(tǒng)。
3 對建筑設(shè)計思維的影響
傳統(tǒng)建筑設(shè)計以紙和筆進行草圖設(shè)計。 據(jù)此， 建筑師按自己對實際尺寸的把握進行設(shè)計。因此， 設(shè)計者無法融入所設(shè)計的空間中， 其觀察與想象均受到限制。
虛擬現(xiàn)實， 提供了其它傳統(tǒng)表現(xiàn)方式所無法比擬的、嶄新的信息交流界面。 建筑師可從任意角度， 觀看虛擬物體的三維效果(空間的形狀、大小， 物體的色彩、材質(zhì)等) . 可通過實時三維場景調(diào)整、信息查詢以及多媒體信息集成等技術(shù)， 為方案的比較推敲， 為設(shè)計風(fēng)格、造型特點，以及相關(guān)信息的展示， 提供了強有力的支持。 在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中， 虛擬環(huán)境開拓建筑師的想象力， 提高創(chuàng)造力， 有助于建筑師產(chǎn)生多樣化設(shè)計方案， 提高設(shè)計質(zhì)量。美國Iow a 大學(xué)開發(fā)出新型設(shè)計工具VRDet〔2〕。 設(shè)計者可直接在該系統(tǒng)中設(shè)計， 整個設(shè)計過程可被錄制并回放。 設(shè)計者還可觀察他的思維過程， 對于了解建筑師的設(shè)計方法具有重要意義。
VADet 采用23D 語言系統(tǒng)提供固定聲音， 有4 個C2 環(huán)繞屏幕顯示系統(tǒng)， 可使用LCD 立體眼鏡。C2 輸入設(shè)備基于CAV E 系統(tǒng)(Cruz2N eira， Sandin& DeFan t i，.993) ， 能直接處理對象，對用戶反應(yīng)有快速的立體的顯示。VADet 系統(tǒng)也可應(yīng)用于配備有C2 的跟蹤及輸入設(shè)施的頭盔浸入裝置。
VADet 使用一個面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計。 它強調(diào)交互性能， 可擴充性及獨立的顯示界面。系統(tǒng)的核心是一組C+ + 類。3 個主要的類為環(huán)境類、控制類與形類。VADet 使得設(shè)計者在任一設(shè)計階段可探索整體尺寸的虛擬物體。 系統(tǒng)有精確的風(fēng)格， 可修改尺寸。 虛擬設(shè)計尺寸比C2系統(tǒng)的物理尺寸大。 物體能在實際尺寸內(nèi)產(chǎn)生、復(fù)制、刪除、移動、縮放或再生。 該系統(tǒng)可被視為一個三維草圖工具。
虛擬現(xiàn)實發(fā)展前景十分誘人。 從某種意義上說， 它改變了人們的思維方式， 改變?nèi)藗儗κ澜�、對自己、對空間和時間的看法。
虛擬現(xiàn)實不斷發(fā)展， 將成為建筑應(yīng)用軟件的主流。IN TEL MCGRAWH ILL 公司所出版的《V irtual Reality： Th rough The N ew Look ing Glass》一書， 提出虛擬現(xiàn)實是21 世紀(jì)的工具的說法。V rnew s 也認(rèn)為虛擬現(xiàn)實是最有發(fā)展?jié)摿Φ氖箨P(guān)鍵技術(shù)之一。 虛擬現(xiàn)實具有完善的交互作用能力， 能幫助和啟發(fā)進入虛擬境界的參與者的構(gòu)思的信息環(huán)境。 利用計算機系統(tǒng)提供的人機對話工具， 同虛擬環(huán)境中的物體交互操作， 使人達到一種境界虛擬， 但其感覺卻具有真實的效果。 我們應(yīng)充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實強大的潛在功能于建筑領(lǐng)域。
計算機技術(shù)用于建筑設(shè)計已有多年，計算機輔助設(shè)計(CAD) ，主要是幫助設(shè)計者把設(shè)計、計算、畫圖、數(shù)據(jù)存儲和處理等繁重工作交給計算機完成，而設(shè)計者把主要精力用于創(chuàng)造性構(gòu)思。計算機產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，可通過圖形設(shè)備向設(shè)計者展示，并可模擬，允許設(shè)計者作出修改。虛擬現(xiàn)實(簡稱 VR) 技術(shù)能創(chuàng)造身臨其境的感覺。
虛擬現(xiàn)實也稱虛擬環(huán)境或虛擬真實環(huán)境，是迅速發(fā)展的一項綜合性計算機、圖形交互技術(shù)，它集成了計算機圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)并行處理，利用計算機生成的三維空間形象實現(xiàn)的目標(biāo)合成技術(shù)，通過視、聽、觸覺，以圖表及動畫方式呈現(xiàn)，讓觀看者“眼見為明”。它改變了傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計被動靜態(tài)的信息傳遞方式。它的特性包括： (1) 交互性(interactive) ; (2) 想像性(imagination) ; (3)沉浸性(immersion) .虛擬現(xiàn)實就建筑視覺模擬的可行性而言，應(yīng)用領(lǐng)域可包括：建筑物模擬、室內(nèi)設(shè)計模擬、城市景觀模擬、施工過程模擬、物理環(huán)境模擬、防災(zāi)模擬、歷史性建筑模擬等。在建筑設(shè)計中既要進行空間形象思維，又要考慮到以用戶的感受為核心，是一連串的創(chuàng)新過程，包括規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)施工、維護等。巨大的成本和不可逆的執(zhí)行程序，不能出現(xiàn)過多的差錯，虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)造和體現(xiàn)虛擬世界的計算機系統(tǒng)，虛擬世界是整體虛擬環(huán)境或給定仿真的對象的全體，充分利用計算機輔助設(shè)計和虛擬現(xiàn)實，可減輕設(shè)計人員的勞動強度，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省投資。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中應(yīng)用廣泛。
2 、展示建筑物的整個信息
現(xiàn)階段的二維、三維的表達方式，只能傳遞建筑物部分屬性的信息，并且只能提供單一尺度的建筑物信息，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可展示一棟活生生的虛擬建筑物，使人產(chǎn)生身臨其境之感，設(shè)計不僅僅是設(shè)計者的事，住戶、管理部門都可起到輔助決策的作用。
3 、遠距離瀏覽
設(shè)計者設(shè)計的建筑物與工程單位可以相互溝通交流，通過萬維網(wǎng)達到遠距離瀏覽，也可以以計算機語言開發(fā)與虛擬現(xiàn)實造型語言整合，虛擬現(xiàn)實用于Internet 網(wǎng)中提高其普遍性與實用性。
4 、實時多方案比較
在建筑設(shè)計過程中，一般都會對設(shè)計的建筑物提出不同的設(shè)計方案，對未來建筑物的形象做多種設(shè)想，在虛擬的建筑三維空間中，可以實時地切換不同的方案，在同一個觀察點或同一個觀察序列中感受不同的建筑外觀，這樣，有助于比較不同的建筑方案的特點與不足，以便進一步進行決策。事實上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不但能夠?qū)Σ煌桨高M行比較，而且可以對某個特定的局部作修改，并實時地與修改前的方案進行分析比較。
5 、專用的人機接口交互
人機接口是使用者與計算機溝通的橋梁，它是代表使用者意圖的轉(zhuǎn)換及計算機程序的執(zhí)行，良好的人機接口的建立，可減少使用者對系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時間和增強系統(tǒng)的使用效率。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)建筑設(shè)計中，必須有特定的人機接口模式：(1) 使用者模式。使用者直接進入虛擬現(xiàn)實中，進行觀測與互動操作，以第一人稱的觀測方式，進行虛擬現(xiàn)實的沉浸觀察，隱藏的接口，只有在使用時才出現(xiàn);(2) 代理者模式。在虛擬現(xiàn)實中，常因沉浸環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的感性差距，而造成空間迷失現(xiàn)象，以至于使用者無法掌握虛擬現(xiàn)實中的狀態(tài)，以空間代理者的虛擬環(huán)境信息的提供，以第一和第二人稱的觀察方式，進行虛擬環(huán)境中的觀測;(3) 監(jiān)控模式。使用者以第三人稱的方式，監(jiān)控虛擬現(xiàn)實中所有的現(xiàn)實狀態(tài)，并進行虛擬物的監(jiān)視與控制，而接口的產(chǎn)生與虛擬現(xiàn)實的種類并無絕對的關(guān)系;(4) 浸入操作模式。將控制虛擬現(xiàn)實物的接口，置于虛擬現(xiàn)實中，以進行仿真式的操作模擬，使用者以
第一人稱的操作方式，對虛擬物進行控制。從系統(tǒng)整合的觀點來分析建筑設(shè)計，系統(tǒng)的接口連結(jié)不當(dāng)，影響設(shè)計質(zhì)量和施工程序。
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基本上有兩種：模型式和圖像式。以模型式虛擬現(xiàn)實，以虛擬現(xiàn)實造型語言(簡稱VRML) 為主要描述語言，使得建筑設(shè)計可用計算機進行三維建模，利用效果圖和三維施工圖與資料庫，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)連結(jié)到資料庫作為實時模擬操作。虛擬現(xiàn)實造型語言，可用來在萬維網(wǎng)(3W) 中定義與更多信息相關(guān)聯(lián)的三維世界的布局和內(nèi)容，使之能夠在一個交互的三維空間中很容易地被表達出來。當(dāng)虛擬現(xiàn)實造型語言瀏覽器啟動后，它會將虛擬現(xiàn)實造型語言中的信息解釋成虛擬現(xiàn)實造型語言空間中的建筑物的幾何形體的描述，一旦VRML 空間被用戶的瀏覽器解釋，它將提供實時顯示，一秒鐘可以顯示多次，這樣，用戶的機器上將會有一個活動的場景。
6 、應(yīng)用實例
荷蘭的虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步較快，Eindoven 大學(xué)的Calibre研究院已用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行設(shè)計和咨詢，他們開發(fā)的軟件包由一組類CAD 的函數(shù)組成，稱為CAAD 軟件，為建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、修改和可視化提供了工具包， 它支持Auto CADDXF 文件的輸入輸出，而且能夠用于虛擬環(huán)境中增加動畫和對象的動態(tài)行為。已用該系統(tǒng)模型化了一座小城市，具體目標(biāo)是在河中小島上設(shè)計一棟博物館。這座城市由好幾百棟建筑物組成，坐落在河邊斜坡上，可以俯瞰小島。首先，數(shù)字化該城市的地圖，創(chuàng)建基本的Auto CAD 模型;其次，按真實三維位置安排每棟建筑物，同時也考慮山坡的輪廓;再次，加上建筑細(xì)節(jié)，如門框和窗框設(shè)計，以便標(biāo)準(zhǔn)地表現(xiàn)該城市的美學(xué)特征。該應(yīng)用實例讓人們領(lǐng)略了該領(lǐng)域和他們所取得的成果。
在美國洛杉磯和費城的虛擬建筑三維模擬系統(tǒng)被認(rèn)為是全球最成功的虛擬建筑模擬系統(tǒng)之一。各國對虛擬現(xiàn)實技術(shù)都在研究和應(yīng)用，我國也一樣，在虛擬世界建筑方面，都已制作和展示了復(fù)雜的虛擬世界模型。虛擬現(xiàn)實技術(shù)所涉領(lǐng)域十分廣泛，技術(shù)潛力巨大，在建筑設(shè)計中應(yīng)用前景廣闊，但軟硬件投資巨大，可重復(fù)性低，如計算機輔助設(shè)計/ 制造數(shù)據(jù)庫/ 計算機輔助工程，多媒體/ 臺式視頻，圖形藝術(shù)，形象/動畫制作，科學(xué)可視化，實時模擬等的硬件價格很高。
總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達及計算機軟硬件的進展，應(yīng)用層面會更廣，成長幅度會更大。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋憬菖c快速處理，利用計算機科技來呈現(xiàn)建筑設(shè)計成果，已成為新的趨勢，而且技術(shù)日新月異。
