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网络虚拟现实及其在建筑技术中的应用

已有 6388 次阅读 2009-11-24 10:58 |个人分类:科研随笔|系统分类:科普集锦| 网络虚拟现实, 虚拟环境, 建筑技术

1 引言

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)产生于20世纪60年代,是在计算机图形学、多媒体技术、人机交互技术、传感技术及系统仿真技术等基础上发展起来的新兴学科,是指以计算机技术为核心,综合利用交互设备融视、听、触、感为一体的模仿现实的三维空间再现技术。虚拟现实已经得到了广泛的应用,比如模拟驾驶、虚拟学习培训、建筑设计与施工等等。虚拟现实的特点为:交互性(Interaction)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion),即简称为3I

2 网络虚拟现实的出现

从单机到网络是一个必然的发展趋势,虚拟现实也不例外。从表1所展示的计算机应用发展的三个阶段可以看出,网络虚拟现实的出现时必然的,并且将来会得到更加广泛的应用,并成为一种趋势

 

 

第一阶段

第二阶段

第三阶段

 

专业技术人员

专业人员

消费者

体系结构

 

个人机

 

 

 

2D图形

虚拟现实(3D图形)

操作元素

请求、报告

窗口、菜单、图标

场景、替身

 

文本、键盘

图形、键盘、鼠标

发掘、交谈、感知

 

开发一个大型软件,需要位于不同地理位置的开发人员相互之间的协作。在第二阶段中,程序员之间的协作采用上传、下载代码的方式进行,即每个程序员将自己更新后的代码上传到服务器中,比如CVSConcurrent Versions System)、VSSVisual Source Safe)等。在第三阶段中,程序员之间的相互协作可以在一个虚拟的网络环境下进行,目前这种虚拟现实的技术已经出现,各个开发人员可以把自己修改的代码或文本发布到一个基于网络的虚拟现实场景中,供其他成员阅读和修改。

目前网络虚拟现实已经得到了广泛的、成功的应用,如虚拟超市等等。

3 网络虚拟现实的特点及发展

虚拟现实都是3D图形,数据量巨大,单机的虚拟现实可以直接存储虚拟场景,但对网络传输来说需要较大的带宽,这是不利的。于是VRML(虚拟现实建模语言)就运营而生,一种采用文本语言来描述虚拟场景的虚拟现实技术,适于在网络中传输,由本地机上的VRML浏览器重新解释生成三维虚拟场景。

VRML语言由原型、造型、脚本、路由等组成。其中节点的原型是对节点中的域、入事件和出事件的声明;物体的造型即场景图是由描述对象及其属性的节点组成,VRML使用场景图数据结构来建立3D实体,包括几何关系、质材、纹理、几何转换、光线、视点以及嵌套结构;脚本是一套程序,作为一个事件级联的一部分执行,一个Script节点包含一个Script程序,这个程序用JavaJavaScript等语言来编写,脚本可以接受事件,处理事件中的信息,并产生基于处理结果的输出事件;路由是连接产生事件和接收的节点之间的通道的组成。VRML经历了三代标准:VRML1.0VRML2.0VRML97

VRML97是在网络上传输交互式三维图形和建立共享虚拟世界的一项重要的创新性技术,它在VRML2.0的基础上做了少量修改。但随着Web技术的迅速发展和VRML应用领域的扩展,VRML97逐渐暴露出了它的缺点,如属性过多难于实现、与其它应用集成困难、稳定性和一致性不能满足用户要求等问题。这些问题严重阻碍了Web交互式三维图形技术的发展,以及交互式三维图形技术在Web上的大规模应用。于是又产生了新一代的面向Web的交互式三维图形规范X3DExtensible 3D Specification)。

X3D是由Web3D联盟1998年底提出。Web3D联盟是致力于研究和发展Internet上的虚拟现实技术的国际组织,其前身是VRML联盟。X3D规范使用可扩展标记语言(Extensible Markup Language,简称XML)表达VRML对几何图形和实体行为的描述能力,是VRMLXML的集成。X3D整体结构包括四个部分:内核(核心特性集),VRML97特性集,应用程序接口和扩展集。X3D还可以通过DOM(文档对象模型)与其他应用程序进行交互。

4 网络虚拟现实在建筑技术中的应用

4.1 虚拟小区和虚拟校园

随着互联网的发展,人们希望足不出户也可以了解外面的世界,于是各种可以漫游的虚拟现实系统就出现了,这给人们了解另一个地方提供了方便。教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,阐明了虚拟校园的地位和作用,虚拟校园也是虚拟现实技术在教育培训中最早的具体应用。

基于网络的虚拟校园和虚拟校区有以下三个特点:利用三维建模技术在电脑上重建数字校园,虚拟校园或小区环境供游客进行三维浏览和漫游,了解整个学校或小区;集成网络功能,方便交流和沟通,并可以实现远程访问;对校园和小区的各种设施进行三维可视化显示,方便管理。

传统的校园电子地图,不具备快速显示及查询功能,三维虚拟校园可直接嵌入到大学的网站,直接通过网络浏览器察看,其丰富的、人性化的信息查询等功能,有效地提高了信息的传播效率,有助于大学自身的宣传和信息的高度集中、配置和互动。另外,还可以在虚拟校园中建立一个本地搜索引擎,供用户浏览查找信息是非常有效的。譬如当我们搜索图书馆的主题时,在出来的搜索结果列表里面,我们可以访问图书馆的具体位置、实景,以及图书的借阅情况、开放时间等。

4.2 虚拟城市规划

在城市规划建设中,很多城市都以“园林式、生态型、现代化”为建设目标。要达成这样一个目标,要建立这样一座面向未来的崭新的城市,建设规划者需要一种全新的管理手段和管理工具。这种管理手段和工具具有长久的生命适应力,它能够贯穿于城市的规划设计、开发建设和建成管理的整个生命周期过程;不仅在城市的建设前期,这种管理工具和手段能够做好规划设计的论证和辅助决策工作;在城市的建设过程中,还要满足因发展的需要而进行的动态调整管理要求;甚至在城市建设完成以后,还要能够做到的在前期建设基础上的整个城市的全面综合管理工作,成为未来数字城市管理的重要手段。

在城市规划领域,虚拟现实技术更是在这其中起着重要作用,国外在这方面已有许多成功的实际应用,像美国的拉斯维加斯、加拿大的多伦多、澳大利亚悉尼等城市其优美的城市形态和景观都给我们留下深刻的映像,而这一切是与他们在城市规划前期全部或部分采用了虚拟现实技术起的关键作用是分不开的。在国内,北京、上海、天津、深圳等许多城市也已经将虚拟现实技术与规划业务相结合,实现了适合自己工作需求的三维城市规划仿真系统。

对面向信息时代的未来的数字化城市规划管理,人们越来越达成普遍共识:未来的数字化城市规划管理将是构建在虚拟现实应用基础上的融合了GISGPS、遥感技术和宽带网络的综合的数字化城市规划管理。

利用虚拟现实技术,将二维平面图表现的规划设计方案和模型预测结果,在三维立体虚拟空间中进行全方位、内外景、跨时空的展示表达,使得政府决策者和规划设计师可以预先看见规划设计和决策的结果。同时,基于真实的测绘级别的地形数据构建三维场景,为使用虚拟现实手段辅助规划设计提供了更为科学的数据支持,此外,大量真实的三维城市数据,将会构建出一个完整的三维数字城市数据库。这些数据,反过来又能影响城市未来的规划。

三维数字城市系统的应用意义,不仅仅体现在报建管理、城市设计、规划展示和辅助决策中,更是作为未来的数字城市管理的坚实有力的基础,为迈向未来的全新的信息时代的一流的数字化生态园林城市走出扎实的一步。

4.3 自助式虚拟装修系统

早期的建筑效果图都是用3DMax建模的,样板房也是用静态的三维图形展现给用户。随着虚拟现实和网络技术的发展,效果图不再是静态的图形,而是一个可以漫游的虚拟场景。客户可以远程利用网络来了解样板房,更加方便和逼真。

 





自助式虚拟装修系统可以给用户提供一个平台,用户通过这个平台可以自助式地设计和定制自己的房间,室内设计师可以参考用户的喜好来进行室内设计和选择材料。图1展示了一个自助式虚拟装修系统的例子。

4.4 数字化楼盘系统

数字化楼盘系统是指:在计算机中模拟建成或开发中的楼盘,用数字化的方式,直观在计算机中进行表现。同时,用户可以利用鼠标、键盘、方向杆等操控设备,在虚拟的楼盘中进行360度全方位漫游,可以从各个方位自由观看整个楼盘,也可以详细的展示某个虚拟室内空间,并在虚拟漫游的同时,获得相关的楼盘信息(面积、绿化率、户型情况、周边配套设施),把整个数字化的虚拟楼盘,直观的展现在用户面前。同时融入多种辅助设计,互动展示的功能及手段。

网络数字楼盘是在传统虚拟楼盘的基础上,加上网络功能,使得整个VR楼盘能通过网络展现出来,同时,通过网络,楼盘可以整合大量的信息,为楼盘做推广,达到很好的宣传效果。

4.5 景观虚拟展示系统

基于网络和虚拟现实技术开发的交互性的虚拟景区游览系统(分布式虚拟现实系统)对于景区经营管理来说具有重要的意义,可以利用互联网对景点进行宣传、扩大影响力和吸引力,满足潜在游客游览和审美的需求,例如故宫虚拟旅游。无论是景点景区本身还是作为中间商的旅行社都可以向潜在旅游者提供交互式的虚拟漫游经历,从原先的静态信息(文字和图片)发展到动态的“沉浸式”的经历,这种优势是旅游小册子或光盘力所不能及的。通过这种交互式的经历还可以加深旅游者对于景区的印象,消除旅游消费中可能存在的不确定性因素。另外,在这个崇尚技术应用的时代,新技术本身的使用也会大大提高景点景区在旅游者心目中的形象。

除了能让消费者自由自在地在虚拟景点中漫游,逼真的再现景区环境,虚拟旅游系统另外一个特点是能综合集成性地承载海量数据,让游客获取更多的有用信息,在虚拟场景中,游客可以快速查询景区游览线路、景点山体高度、坡度落差,景点交通线路,可以在虚拟系统的酒店中订房订餐,可以在虚拟系统中得知哪里有地方特色产品专卖等等。

4.6 在土木工程方面的应用

虚拟现实技术已经广泛的应用于土木工程的各个领域,例如模拟施工、施工管理、消防灾、建筑立面表现和结构的可视化计算等。

在土木施工的仿真研究领域,比如信息流模拟中加入虚拟现实技术,可以实现对施工过程的仿真模拟,并且通过人机接口(头盔、立体眼镜以及数据手套等)使得决策者处于这一虚拟的环境中,则达到了施工模拟过程,发现问题的目的。如果再结合网络技术,还可以实现远程访问的目的,使得决策层可以多人协作以共同发现问题。

5 结论

虚拟现实是下一代人机交互技术发展的目标,通过网络传输的虚拟现实、虚拟环境则可以让我们更加真实的了解某个对象。

建筑审美是一个生理——心理——意识的综合过程,表现为感知、情感、联想、理智四者有机的结构结合。网络虚拟现实则可以让我们通过互联网实现远程审美建筑的各个方面,包括立面、平面以及内部结构,比建筑模型更加实用和身临其境。

6 发展与展望

目前网络虚拟现实在建筑中的应用还不够真实,比如人机交互只有鼠标和键盘,不能显示环境温度等等。

以后网络虚拟现实的发展目标为:可以更加的身临其境,虚拟场景内的物件可以通过数据手套“触摸”,比如拿起虚拟环境内的一个杯子;为了让用户可以在远程更真实地了解某栋建筑或某个旅游景点,可以在现场安装一些温度传感器,把环境温度、气象等数据实时地通过网络传输到客户端中,当远程用户在虚拟场景中漫游的时候,可以实时地了解现场真实的环境数据。使得虚拟环境变得更加真实。



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1 李海亭

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