虚拟现实技术在商业及建筑动画设计中的应用

    孙冬+王超

    

    摘要：计算机技术的飞速发展，随之人类的思维模式也在日益转变，虚拟现实技术开始频繁地出现在我们周围。虚拟现实技术是一个非常前卫并且及其具有潜力的前沿研究方向，是面向未来的一项重要技术力量。随着技术的推广虚拟现实技术应用的领域也越来越广泛，典型的应用领域有工程、教育，医疗及商业类应用，而商业领域中开始出现商业类动画的应用，这给商业类的动画注入了一股新的力量。

    关键词：虚拟现实 商业动画 建筑

    一、虚拟现实技术概念

    （一）虚拟现实技术概念定义

    虚拟现实简称（vr）此类技术是采取将计算机技术当作核心的先进技术而形成的一类非常逼真的感官体验的虚拟环境，体验者能够经由必要的输入输出设备和虚拟环境里的目标物体展开交互，相互影响，进而获得身临其境的体验与感受。此类经由计算机产生的虚拟环境能够是某一特定客观世界的再现，亦能够是纯粹虚构的世界。输入输出设备包含立体头盔显示器，数据衣服等，还包含不直接穿戴在身上的传感设备。用户对虚拟现实环境的交互包括身体各个部位运动所传递的各种信息，从而用系统反馈回来（图1）。

    （二）虚拟现实技术的特点

    虚拟现实技术是采取计算机技术创建的一类虚拟环境，经由各类输入输出设备达到用户和虚拟环境直接展开交互的技术。迄今为止VR技术有以下4种主要特征：①沉浸感，即用户感到身为主角存在于模拟环境里的真实程度，即不仅拥有计算机技术所具备的视觉感知，还包含力觉感知、听觉感知等。理想的环境模拟拥有人所具备的所有的感知功能，让各个用户达到身临其境的愿望；②多感知性，其不仅包含普通计算机所具备的视觉感知，还包含听觉、触觉、运动感知，更有甚者，还包含味觉、嗅觉等。理想的虚拟现实应当具备人所具备的所有感知功能；③交互l生，即参与者对于模拟环境中物体的可操作程度以及从环境获得反馈的自然程度。④自主性，人能够经由对于虚拟环境里物体参照各自的模型以及规则展开自主运动的操作程度。

    （三）虚拟现实技术的研究现状

    首先从世界最发达的国家说起，美国身为世界强国是虚拟现实技术探究的起源地，当前大多数较为先进的科研机构均坐落在美国。美国这个NASA Ames实验室长期以来均为很多VRT思想的源头，在很久之前，其就开始对于空间信息显示展开探究，二十世纪末就开始了虚拟视觉环境显示项目，之后还研发了虚拟界面环境工作站。在欧洲，英国的Bristol公司研发的软件系统DVS是一个领先于某些标准操作系统环境。公司还提供了领先于DVS的环境编辑语言。日本亦紧随全球发展潮流，其此项技术的发展在全球有关领域的探究里亦拥有非常关键的地位。VR技术这一领域投资大、难度高。相较此类国家而言，我们国家在，VR技术上的探究起步较迟，还具备非常大的上升空间，伴随计算机工程等技术的迅猛发展，此项技术已经获得了充分的重视，获得了我国各领域人士的兴趣以及关注，对其的探究和运用，构建虚拟环境，正往一个更为全方位的方向发展。

    （四）虚拟现实技术发展趋势

    纵览虚拟现实技术在这三十多年来的发展过程，当前看来“高能、低成本”依然是其将来研究主要遵从的路线，有下面几个核心发展方向，基于软件、硬件层面加以探究：

    1.动态环境建模技术。VR技术的中心内容是依据人的需要创建对应的虚拟环境，在这之中动态环境建模技术的目标是获得现实环境里的三维数据，为创建虚拟的环境给予具体数据。接着依据我们的需求，创建对应的虚拟环境模型从而获得三维数据。

    2.图形实时生成和显示技术。怎样“实时生成”是三维图形的生成技术的重中之重。立体显示与传感器技术的发展对于VR技术提供平了一个优良的平台，当前我们应当基于此技术上加以革新，因为当前我国的虚拟设备还无法实现系统的要求。

    3.交互设备的研制。我们能够经由输入输出设备，来达到VR技术让参与者采取人类自然的技能和感知能力与虚拟世界里的对象展开交互作用，让其形成身临其境的体验。主要的输入输出设备主要有：数据手套、数据衣服、头盔显示器等（图2）。因此，就目前形势来看新型、便宜數据手套和数据服将成为未来发展的趋势。

    二、虚拟现实技术的商业应用

    （一）虚拟现实技术在游戏中的应用

    Unity3D技术的研发历史不长，Unity是一款游戏引擎亦或是游戏制作工具，它致力于游戏开发者使生活更好、更舒适，也是我们创建构造虚拟现实环境的工具。其中主要有三方面的表现：1.虚拟现实技术模拟真实环境；2.虚拟现实技术和交互娱乐的结合；3.虚拟现实技术使游戏的感觉更感性。以上就是虚拟现实技术和游戏的相互融合的主要三个方面。

    （二）虚拟现实在建筑开发中的运用

    建筑产业的竞争日益激烈，传统方法的性能已经远远不能满足消费者的需求，如样品室，地图，沙盘，平面图。所以机智果断启用最新技术并将其转化为生产力，抓住把握市场趋势、发展的需要，就可先行一步，击败竞争对手。虚拟现实技术范围非常广泛是一种综合了网络技术、动画、电视广告和多媒体的新兴技术，在国内外虚拟现实技术都是很受欢迎的，这种技术是在当今大大提高了房地产行业综合实力，随之带来的就是更大的经济效益（图3）。

    （三）虚拟现实在工业中的应用

    当今社会，大批的人海战术已经不再适应工业的快速成长，各种行业已经产生了强大的转变，先进的科学和技能进发出巨大的能量。VR技术的引入，更加符合当今社会科技飞速发展的需求，可以说是科技发展历史上—次大的飞跃。把此类技术应用到行业里是历史发展不可逆的发展态势。VR技术的发展给很多企业提供了很多方便，被广泛运用到其发展中。在公司的发展中VR技术的发展大大提高了工作效率，缩小了计划上的错误，减小了给企业带来的损失，对其发展起了重要的作用。

    （四）虚拟现实在建筑设计中应用

    把虚拟现实技术运用到集成化CAD系统中，可以在很大程度上将很多问题加以妥善处理，达到理想的结构与绘图、计算一体化。倘若将其和当前的集成化CAD系统的设计思想紧密联系在一起，构建虚拟现实的集成化CAD系统，完成从建筑设计与结构方案的选择到最后结果的实现，必将大大节省工作时间提高设计质量。

    首先，建筑师能够熟练地采用此系统创建以及修改建筑方案，VR技术的应用让建筑师好像身处于虚拟的环境里，提前体验接下来将要实行的方案，能方便地从库中提取各种物件和材料、家具、设备。该虚拟建筑模型的尺寸与实际设计里的建筑相同，色彩亦十分逼真，基于质感层面而言更是没的说，建筑师能够就其展开一定程度的修改、着色，且能够基于任何视点来观察此建筑，随时改变视角以及光源的条件，以便得最佳方案。

    最后，设计师就可以利用完成的模型，选取方案，调整各方面参数，由系统自动进行数据分析，得出如配筋量和配筋图等结果。对参数反复修改直至满意。

    三、虚拟现实技术在建筑动画领域的探索

    （一）虚拟现实技术应用与建筑动画领域的优势

    建筑动画是把建筑以动画的形式可视化地表现给大众，VR技术的应用为科技行业的发展带来了极大的便利，抛弃了以往单纯的平面手绘表现，这样我们就可以通过利用计算机的三维软件制作出理想中的虚拟建筑以及周围的环境或动态施工过程，也可以对古代的建筑进行复原，向当今社会展示古老的文化，保护古代遗产，还能实现让体验者提前体验概念建筑的愿望。

    （二）虚拟现实技术与古代建筑遗产保护

    随着时代的变迁，古建筑的损毁程度越来越大，甚至很多世代建筑佳作都被历史的潮流所淹没，后人只有通过历史资料上的图文等来了解古代的建筑风貌，局限性很大，给研究者带来了极大的不便。古代建筑遗产拥有非常巨大的历史、科学、艺术价值，基于古建筑的特定以及vR技术的优势，能够经由资料的搜集、整理、探究把获得的信息展开数字化重新构建虚拟漫游系统，从而有利于保留原古建筑原有的数据，供后人研究和浏览。目前对古建筑进行复原利用VR技术，在国内外已经得到广泛的认同，现如今我国的“虚拟故宫博物”就是一个成功的实力，使人们在家里就能够观赏到故宫全貌，对于古文物的保护亦具有相当重要的意义（图4）。

    一般来说，为了制作出更精确的建筑模型，必须进行精准的建筑数据的测量。包括各个方面的各项数据，比如说梁枋等细部连接节点。为了在展开模型制作的时候能够有参考，应该对于细部状况展开草图的绘制。另外，每座建筑都不能孤立地存在，它必须要有周围环境的衬托，所以我们需要熟悉其周围的环境并记录下来，包括其绿化、地形、地貌等。测量的过程，需要全站仪等测量工具。传统的测量方法是选取建筑上的特殊几何点数据进行分析，再由三维軟件进行建模，这种离散点测量方法几何形状规则，对于框架结构的楼房类建筑相对简单，但对于形状不规整、有飞檐翘脊的古建筑，反而增大了工作难度。这时可采用三维激光扫描技术，它可以高密度地采集建筑表面的点，形成点云，点越密集越精确。

    为了真实地再现古建筑的场景，我们应该在对于数据展开测量的同时，采用相机拍摄建筑对应的纹理细节贴图图片，在这之中包含墙面、屋顶等，并对我们收集到的这些照片资料进行编号，以便和后续CAD图对应。为保证贴图照片的质量，拍摄的时候要注意光线、角度。

    为了全方位地理解古建筑文化遗产的内涵，在实地调研的同时，还要做收集相关资料的工作，首先我们可以通过查阅历史文献、采访当地土著居民来获得有效信息再进行卓一筛选。在创造合成古代虚拟建筑环境的时候，可以利用虚拟现实系统的优势将收集到的相关资料出入其中，提供给参观者。

    实地调研完毕之后，我们应该将搜集到的数据展开归纳、总结，为之后的工作奠定基础。首先用AutoCAD软件画出平面图，可以在测量阶段就把CAD图画出来。

    古建筑里的台阶、梁柱、墙壁此类物体形状是规则的，能够经由3ds MAX的标准基本体来创建模型。然而就古建筑周围山水、树等形状不规则的景观，难以采取标准基本体来创建模型，此时能够采取随机分形集合技术来构建模型。另外，为了让最后的虚拟古建系统运作顺畅，应该对于模型展开优化设计。优化设计在下一步的烘焙之前应该落实到位，倘若烘焙好之后想要再展开优化就需要返回3ds MAX再一次对于模型加以修改，修改好以后再次烘焙，如此就做了许多重复性工作。

    三维模型制作完毕以后，为了确保古建的真实性，应该对于建筑模型贴图。然而在采用贴图以前我们应该对于照片展开PS处理，由于古建筑通常具有相当长的历史，照片中的建筑难免有污点、残缺、裂纹，拍摄时也要注意周围的光线，其也影响到照片的质量，因此亟需Photoshop等软件展开处理，另外，对于照片的亮度、对比度亦应该加以修复。

    最后就是将模型中的光影用贴图的形式导入到虚拟漫游、交互软件中，体验真实的感觉。

    结语

    虚拟现实技术实现了在商业及建筑设计过程中的空间和时空的真实转换，令扁平和乏味的图纸与图片更加立体和生动，全面而直观地展现设计师的意图和概念。虚拟现实技术发展的空间和涉足的行业会随着科技的发展愈发广阔，尤其在文化传播方面给设计者提供更为深刻的设计思路。