虚拟现实技术-综述

1、浅谈虚拟现实技术在规划领域中的应用作者 ：Why摘要：随着信息时代的到来，越来越多的高新技术应用到社会的各个领域中来，而作为信息技术发 展的首要驱动力的“虚拟现实”技术也越来越多地应用到规划领域中来。本文着重论述了虚拟现实技 术在城市规划中的应用范围、应用的意义及其为我们带来的便利。关键词：虚拟现实、范围、发展、迫切性、城市规划虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）,又称灵境技术，是90年代为科学界和工程界所关注的技术。它的 兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域；为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规 模的数据可视化提供了新的描述方法。它是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体的说，就是采用以计算 机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然 的方式与虚拟环境中的对象进行交互使用、相互影响，从而产正亲临其境的真实环境的感受和体验。这种技术的 应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在 许多不同领域的应用，可以带来巨大的经济效益。1、虚拟现实

2、技术的发展概述1965年，Sutherland在篇名为终极的显示的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以 及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。随后的1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一个HMD的样机完成 不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD 系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在80年代初正式提出了 “VirtualReality” 一词。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的 研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。 1984 年， NASAAmes 研究中心虚拟行星探测实验室的 M.McGreevy 和 J.Humphries 博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输 入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。在随后的虚拟交互环境工作站VIEW）项目中，他 们又开发了

3、通用多传感个人仿真器和遥现设备。进入 90 年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的 声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市 常而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基矗例如1993年的 11 月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成 了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，而用虚拟现实技术设计波音777 获得成功，是近年来引起 科技界瞩目的又一件工作。可以看出，正是因为虚拟现实系统极其广泛的应用领域，如娱乐、军事、航天、设计、 生产制造、信息管理、商贸、建筑、医疗保险、危险及恶劣环境下的遥操作、教育与培训、信息可视化以及远程 通讯等，人们对迅速发展中的虚拟现实系统的广阔应用前景充满了憧憬与兴趣。2、虚拟现实在规划领域的应用范围虚拟现实在规划信息存储和查询系统中的应用例如土质数据库系统，地域信息系统，地理信息系统，城市政策信息系统等。这一类系统多采用数据库系统 的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这种数据表现出来是抽象的，可接受性差， 例如，地理信息系

4、统对地形地貌的表现，如果只是由数字来表现，则可读性很差，如果表现为地形图的形式，则 相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入地形、地貌的数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以 取得必要的数据，而且能够有直观的感受，不用再劳神费力地想象地形图所表现的实际地形情况。 虚拟现实在规划的辅助表现集成系统中的应用例如景观表现系统，交通规划系统等。目前，景观表现系统其表现物段主要是二维的图片，如果能够让用户 产生一种身临其境“人在画中游”的感觉，则景观的规划将更加科学合理、全面，而这种身临其境的感觉，正 是虚拟现实技术要解决的问题。实际上应用于景观表现的虚拟现实系统已经开始试用，德国的 Frankfort 的中心 城市，最近将城市模型输入虚拟环境，用以规划一座银行，其实现并不是很复杂：首先把各个建筑物的平面图（轮 廓）输入到记录地区的数据库中，将各建筑物的高度赋于适当的值的自动生成三维城市模型；再对重要建筑物利 用CAD系统以不同精度进行修改，把建筑物正面的照片扫描进去经过修改加工输入CAD数据库；最后在VR系统 及数据模型中加上动态措施及环境因素。目前，这一系统可以让人得到在其中漫游的感

5、觉，以后还可望在此基础 继续修正。 虚拟现实规划和建筑设计可行性论证系统中的应用目前，规划和建筑方案的设计还处在一个凭主观想象和经验基础上及抽象数据模型基础上的，而且对规划和 建筑设计方案的可行性没有一个系统的评价论证，因此，在城市建设过程中，很容易出现实际情况跟预期效果偏 差很大的情况，并且，这样造成的损失是无法挽回的。如果，利用虚拟技术对须控制的要素（周围环境、建筑高 度、建筑体量、建筑色调等）对项目建成前后进行描绘，从而发现设计中的不完善的部分，反复修改，再根据修 改后的参数虚拟现实，直到在虚拟现实中达到预期效果，这样就可减少甚至杜绝实际建成效果与设计意图偏差很 大的情况。 虚拟现实在规划管理辅助决策系统中的应用目前，国内规划和建筑项目的审批辅助决策大多是两条途径：1、对于一般项目规划管理者参考国家或地方 性技术规定来决定项目的可行性 2、规划管理对于重大项目的审批通过设计单位撰写项目可行性研究报告书和组 织专家评审等办法来决定项目的可行性。上述规划辅助决策的两条途径都有它的局限性。完全根据国家或地方性 技术规定来决定项目的可行性显得太僵化，它不一定适应于城市的每一地块和每一个项

6、目。对于重大项目的审批， 专家的意见也是根据自己的经验和个人的爱好，也没有一个科学的根据。因此，规划管理、决策者需要一个决策 的可靠依据。而虚拟现实技术则可通过模拟仿真为规划管理者决策提供有力、可靠依据。3、虚拟现实技术在规划领域中应用的迫切性由于城市规划的延续性和超前性要求较高，城市规划一直是对全新的仿真技术需求最为迫切的领域之一。从 总体规划到修建性详细规划乃至建筑单体设计，在各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、 实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），来改善人居生活环境，使城市布局更加合理，城市更 加美观。规划决策者、规划设计者、以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终 成功的前提。虚拟技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用虚拟技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人 员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样 决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、 效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 一个大型的公共建筑工程

7、项目或比较重要的建筑，如车站、机场、电 视塔、桥梁、港口、大坝、核电站等，建成后往往会对某一地区的景观、环境等有较大的影响。它们建设成本高， 社会影响大，其安全性、经济性以及功能合理性的意义更加重大。目前，这种重大项目的建设过程的初期可行性 评价是建立在高度抽象的模型基础上，其结果经常出现很大偏差。项目上马前的功能评价也只是建立在想象和经 验的基础上，经常出现偏差。而这种偏差造成的功能上的缺陷几乎是无法弥补的。当然，目前也有一些功能评价 建立在物理模型和计算机仿真模型分析的基础上。但物理模型是缩小比例的模型，试验和评价难免出现误差，而 且试验周期长，费用较高。目前，计算机仿真模型由于存在和图形结合差、可视化不强的缺点，许多功能上的评 价，特别是建筑的使用功能的评价，很难达到满意的效果。如何在规划和建筑的设计阶段就对方案进行全面、客 观的评价，是人们所关心的问题。许多研究未来城市的资料表明：随着城市人口的空前增长，市民文化素质的提高、土地需求的白热化状态、 以及城市机能的高度集约化和信息化，工业时代城市的稳定社会结构和传统职能均被打破，许多新的课题将应运 而生。城市人口的高速增长带来的一

8、系列社会问题，城市组团密集导致的城市结构系统扩张，城市为向三度空间 的发展所期待的新环境研究，城市建筑（特别是住宅）的高密度和多样化需求提出的新内容、新形式课题，高速运 载系统对环境的冲击，大量人口需求户外娱乐对社会和生态的影响，以及人们对环境质量的新要求，能源匮乏和 生态环境面临的危机等，所有这些都与城市实质环境有关。因此，在环境保护意识日益受到重视的今天，我们不 能不考虑到一个建筑对周围环境所产生的影响，毫无疑问，在工程竣工以前，我们不可能以一个与实际建成后的 建筑同等比例的模型置于实际的环境中，用以考察该建筑物对于周边环境的影响。以三峡工程为例，对于本世纪 最大的水利工程，其影响是深远的，一旦其建成以后无论是对生态环境，还是社会环境都有相当大的影响。就在 截流前几天，一批科学家对三峡上下游进行全面考察，其目的不言而喻自然是为了得到各方面的相关数据，从而 保护上下游的自然环境。然而，以传统的在一堆抽象的数字上加以想象力的发挥，其结果的可信度无疑并不十分 理想。要使结果达到预期的效果，首先必须经过一套完善严密的技术对预期效果来论证和检验。显然，先期技术 成果的演示和论证技术是检验这种

9、效果的有效手段。基于这种情况，世界各国的研究机构都在作不懈的努力，以 找出一种有效的评价规划设计效果及建筑质量的有效办法。虚拟现实技术正是解决这一问题的方法之一。4、虚拟现实技术在规划领域中应用的意义 展现规划方案虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以 通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报 批、管理，有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审。 规避设计风险虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要 求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不 易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项 目的评估质量。 加快设计速度运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变 绿化密度，只要修改系统中的参数即可。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率， 也节省了大量的资金。 提供合作平台虚拟现实技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划 效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图。有效的合作是保证城市规划最终成功的前提，虚拟现实 技术为这种合作提供了理想的桥梁，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。 加强宣传效果对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用 来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视 频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。虚拟现实在城市规划中起到关键性的作用，正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领 域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、 心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个

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