虚拟现实技术及其重要特征

　　虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR),又称虚拟环境(Virtual Environments)、仿真技术(Simulator Technology)等。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果，并以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界。在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中,使设计者可以深入探索，参与者可以直接参与虚拟对象在所处环境中的作用和变化,令人仿佛置身于一个虚拟的世界中，产生身临其境的感觉。而这就是虚拟现实技术的第一个重要特征，即浸没感(Immersion)或临场参与感。

　　虚拟现实技术的第二个特征是交互性（Interaction）。虚拟现实与CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画是不一样的，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响，用户可以通过鼠标、游戏杆或其它跟踪器，随意“行走”在方案规划中的建筑物内，甚至可以“乘座”电梯，上到二楼去看一看新店铺的门面设计，感受一下购物中心大厅的装饰和透过明媚阳光的天窗。

　　虚拟现实技术的第三个特征是想象性（Imagination）。虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具。它以视觉形式反映了设计者的思想，比如在盖一座现代化的大厦之前，你首先要做的是对这座大厦的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，还需要设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人才能读懂，而虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的、即看即得的完美境界，这可以大大提高设计和规划的质量与效率。


　　CAD的不足和缺陷

　　一般建结构设计都包含结构形式的选定、形状尺寸的假定、模型化、结构分析验算、图面绘制、材料计算等过程。CAD技术在土建工程中最早的应用就是在结构设计中，目前对应于设计的CAD系统可以分为三类：

　　第一类，对应于各个设计过程中的系统。例如结构形式选择系统、结构分析系统、设计系统、绘图系统、材料计算系统等，其中每个系统都可以处理多种结构形式。第二类，集成化设计系统。这类系统的自动化程度一般较高，只需输入少量的数据，利用集成系统即可完成设计的全过程。第三类，通用CAD系统，如AutoCAD，Microstation等。这类系统只提供基本的图形处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。该类系统的作业效率一般较低，需要进行二次开发，以适用于不同专业的需要。

　　以上这些CAD系统只擅长于进行几何数据处理，以表现三维空间的物体以及着色，但对于处理建筑设计工程中的复杂物理数学关系，如结构应力，热传导，声、光效应等，则显得无能为力。并且由于适用各个设计过程的系统使用起来不方便，为完成一项设计就需要使用多个系统，这不但要掌握每个系统的使用方法，还需要重复输入大量数据，所以集成化设计系统已有取代各种分项设计系统的趋势。目前使用的CAD系统大都建立在绘图支撑软件的基础上，绘图与分析计算是分开的。在绘图阶段就是单纯的绘图，计算机辅助设计体现在将设计人员的思想用图形表现出来(特别是用于绘制施工图时)，而不是在全局上，不是从方案选择、具体设计、分析计算到施工图。人们希望有了设计人员的知识、经验和设想后，通过计算机的分析，计算比较判断，不仅将方案形象地表现出来，而且将量化后的数据及结论输出来，设计者再依据它修改方案。这就是绘图与结构计算一体化的思想。

　　集成化软件也有其固有的一些缺点，比如操作时规定限制多，菜单级别多，过分强求树状结构等，这些都使操作变得非常繁杂。虽然这类软件已经向绘图与计算相结合的目标迈进，即实现了在建模后紧接着进行计算，建模所形成的数据可为后续的计算所利用，但这两者还是各自为政的。而更进一步的做法是将两者结合起来，随着模型的建立进行分析比较，将得出的信息作为建模的参考。

　　虚拟现实技术解决难题

　　将虚拟现实技术应用于集成化CAD系统中，能够较好地解决以上存在的问题，实现理想的绘图与结构计算一体化。如果把虚拟现实技术与现在的集成化CAD系统的设计思想相结合，创建虚拟现实的集成化CAD系统，包括从设计的建筑方案、结构方案的选择直至最后结果的实现，这必将大大提高设计效率，提高设计质量。

　　建筑师在利用虚拟现实CAD系统时，可以很方便地建立和修改建筑方案。此时，建筑师仿佛置身于待建场地中，可以很便捷地从库中提取各种物件、材料、家具和设备，就像搭积木一样搭起一座虚拟的建筑。而该虚拟建筑的尺寸可以和实际设计中的建筑一样，不但色彩逼真，而且有材料的质感，我们可以十分方便地对其进行着色、修改，并可以在随时改变视角和光源的条件下从任意视点去观察这座建筑，以便得出满意的方案。这样结构设计师也就可以利用已经建起的模型选取结构方案，调整荷载和定义荷载，并由系统自动进行结构分析得出结果，如配筋量和配筋图等，如果不满意，则可以修改参数或方案。在设计中令人头痛的另一个问题就是建筑、结构、设备等各方的协调问题。目前采用的方法是各方分别设计，再一起讨论，协商修改，反复进行直到满意。如果采用VR集成CAD系统，则可以实现各方同时设计，在整这个系统的协同下，各方的方案、问题可通过VR系统实时展现出来，那么在设计过程中遇到的冲突就可以随时协调直到满意，这就极大地提高了效率。

　　总之,虚拟现实是一种可以创造和体现虚拟世界的计算机仿真体统技术。充分利用计算机辅助设计和虚拟现实技术,可以有效地减轻设计人员的劳动强度,缩短设计周期,提高设计质量,节省投资，并且随着网络及计算机软硬件的发展,该技术的应用层面会更广,成长幅度也会更大。借助虚拟现实技术,利用计算机科技来呈现建筑设计成果,已成为一种新的趋势，我们应该在建筑设计领域充分发挥虚拟现实技术的强大潜在能量，创造出更多的应用价值。

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