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浅谈建筑设计中VR设计的使用
VR 是用计算机生成逼真的三维视、听、嗅等感觉, 使人能通过适当装置对虚拟世界进行交互式体验。通常用户头戴一个头盔, 手持传感手套, 仿佛置身于一个幻觉世界中, 在虚拟环境中漫游, 并允许操作其中的物。使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知, 从而达到身临其境的感受。
VR 技术与建筑设计利用
VR 技术进行建筑设计, 在建筑设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境、建筑物外貌、建筑物内部构造和各种附属设施, 使人们能够在一个虚拟的环境中, 甚至在未来的建筑物中漫游。因而, VR 技术是建筑方案设计、装修效果展示、方案投标、方案论证及方案评审的有力工具, 在建筑设计业、房地产业和建筑装修业等领域有着日益广泛的应用前景。
建筑物虚拟现实环境设计的基本要素
利用VR 技术进行建筑物设计的基本要素包括虚拟场景建模、虚拟场景渲染、虚拟摄影机设置、运动速度控制以及虚拟观察者各种动作的模拟( 步行、旋转及其它动作) 等等。
虚拟场景建模无论采用何种虚拟方式, 首先要遇到虚拟环境建模问题。目前既可采用VRML 等专用的虚拟现实建模语言, 又可以采用SGI 公司的Open Inventor 等来完成建模, 也可以直接利用OpenGL 建立模型库或开发专门的建模工具, 但这样做的工作量是非常大的。另一种方法是借助于3DSMAX 等普通的三维建模工具, 先建立起三维模型, 然后用编程或借助于工具的方法, 导入到虚拟环境中, 并利用Open GL 完成渲染。此外, 微软近年提出的DirectX 虽然主要是针对三维游戏编程, 但是由于其硬件要求低 ( 目前大多数图形加速卡都支持DirectX) , 而且其开发包DirectX SDK 中提供直接导入3DSMAX 模型的工具, 用Direct3D 技术完成渲染。这样, 就为在低成本硬件环境中研究虚拟现实技术提供了条件。
虚拟场景渲染建筑物虚拟现实常常要表现一个庞大的建筑群。对于较小的场景, 可以很快地完成渲染; 但对于复杂的大型场景, 一旦超过计算机物理内存能力, 由于需要使用虚拟内存, 渲染时间将会增加十几倍甚至数十倍, 慢到令人难以忍受的程度。当然, 可以根据计算机内存的大小来控制场景规模, 使得所有的渲染工作都在计算机物理内存中完成, 但有时也会遇到必须处理大型场景的情况。解决这一问题的办法是, 把虚拟现实场景分解为可直接在物理内存中完成渲染的若干组, 分组进行渲染。这种方法无论对预制还是实时动画, 都是行之有效的。在交互式漫游过程中, 可根据观察者当前时刻所处的位置, 将场景分为若干个动态子块, 在远方不断地、动态地实时生成新的动态模块。这一技术不仅可以节约渲染时间, 而且可以有效地避免在交互式漫游过程中走到天尽头, 甚至掉到宇宙中这样的问题。
虚拟摄影机设置
虚拟摄影机焦距设置在建筑物虚拟现实中, 虚拟摄影机是对虚拟观察者眼睛的模拟, 一般情况下焦距应与人的正常视野接近, 即为35 mm 左右。当焦距小于28 mm 时或大于50 mm 时, 均不能正确反映建筑物的透视关系, 要么畸变, 要么景深过小。除非有特殊需要, 摄影机焦距一般应设置在35 mm 左右。
虚拟摄影机高度设置虚拟摄影机高度一般应接近人眼平均高度, 一般摄像机的高度在17 m。而且在漫游过程中, 虚拟摄影机应尽量保持平视, 即摄影机与摄影机目标点高度相同。当需要仰视或俯视, 而物体变形太大时, 可适当增加焦距。
动画运动速度控制
因为虚拟摄影机代表观察者的眼睛, 所以, 如何把虚拟摄影机看到的与观察者在虚拟场景中观察到的联系起来, 就极为重要了。在考虑虚拟场景中动画的运动速度时, 作为动画创作者需要认真考虑观察者会有什么样的速度感觉, 以及这种感觉是否适合于计算机动画。摄影机通过场景的速度快, 场景运动得就快, 观察者感觉得速度就快。特别是当动画中出现熟悉的物体, 例如建筑物、家具和汽车时, 观察者就会有很强的相对速度的感觉, 这时创作者应花一点时间来考虑一个人在给定的环境中, 应当走多快才能看清场景。
虚拟观察者运动模拟
步行模拟步行模拟是模拟观察者在虚拟环境中漫步。在实际生活中, 当观察者经过一个地方时, 眼睛留下的印象不会是简单地从一边看到另一边, 有时会停下来, 看一下详细情况或环境。当观察者注意到比较关心的目标时, 常常会忘了单纯的散步。重建这种印象, 就是产生有趣动画的过程。这实际上是由制作者代替观察者事先决定什么值得一看, 以及怎样看。在交互式漫游时, 则是通过交互方式, 由操作者选择看什么以及看。
旋转模拟在制作虚拟环境中的漫游动画时, 旋转路径最容易引起返工。其原因往往是制作时未能对漫游动画中的旋转进行深入的探究。漫游动画中的旋转可分两种情况: ( 1) 视点不变, 摄影机作圆弧运动或曲线运动。例如, 用回转方式表现建筑物外观。就相对运动而言, 此时本质上相当于让物体旋转。尽管此时每一帧画面都在发生变化, 但观察对象始终在画面内。一般借助于虚拟物体可较好地完成这种旋转。 ( 2) 视点变化, 摄影机坐标不变或作曲线运动。例如, 扫视环境或模拟观察者的转身、转弯动作。此时不仅每一帧画面都在发生变化, 而且观察对象也时刻在改变, 除非运动速度非常缓慢( 当然将耗费大量帧数) , 否则很难看清楚动画内容。对大多数人来说, 合适的转动速度大约是每秒转动 45。如果需要在转动过程中仔细观察, 每秒就只能转动15~ 20。
建筑物虚拟现实漫游
建筑物虚拟现实漫游一般都要表现该建筑物所处的虚拟地理环境、建筑物全貌, 以及该建筑物的各种附属设施, 常采用浏览和鸟瞰的方式进行。在浏览式漫游中, 为了给人以身临其境的感觉, 应力求减少镜头切换, 依靠巧妙的漫游路径设计, 用连续的镜头, 一气呵成地完成所要表现的内容。此外, 为了在整个漫游过程中正确表现主体对象与周围景观的透视关系, 虚拟环境建筑群也应使用三维模型, 而不宜用背景贴图替代。为了节省渲染时间, 除该建筑群与少数表现地理特征的建筑物外, 其余作为衬托的建鸟瞰式漫游的主要优点是居高临下, 整个虚拟建筑结构布局一览无遗, 而且十分自由, 可以省去模拟观察者在建筑物内穿行、转身之类动作的麻烦。筑物模型应尽可能简略。
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