虚拟现实技术在建筑类课程教学中的研究与应用

董春华 赵昆明 胡建平 王 丽

（1.中国矿业大学（北京），北京 100083；2，天津城建大学，天津 300384）

一、引言

随着信息社会的到来，实现教育的现代化，加强优质教育资源的开发、应用及共享，已成为我国教育发展的目标。计算机辅助教学的引入，使得教学方式不再单纯地依靠书本和教师授课的形式，多媒体改变了传统的教学方式，网络促进了网络化远程教育的发展，这些信息化技术弥补了传统教学所不能及的诸多方面。但对于建筑学等实践性较强的课程，仍然无法体现现实教学中的真实情景，致使授课效果打了折扣[1]。

建筑设计所需的创造力主要由三种能力构成，即创造性思维能力、创造性想象力和想象的物化能力。在建筑设计学习中，创造力和想象力的挖掘培养是至关重要，将为未来建筑设计形成一个良好的思考习惯和坚实的表达能力[2]。因此，在有关空间与形体的教学中，如何帮助学生建立正确的空间感和形式感，如何培养学生的空间形体构思能力，是建筑设计类课程的重点。建筑图是建筑设计的最后成果的表达，是建筑师之间相互交流的图示语言工具，构思设计的过程也是以图解思维方式来完成的。在建筑设计、建筑结构、城市规划与设计等专业课教学中主要以建筑图作为教学媒介，这种方式对建筑信息的整体感表达存在一定局限性，难以满足教学过程中的交互性及体验性。

现代信息技术的进一步发展，促使学习环境呈智能化、互动化和虚拟化等多种方式发展[2]。作为一种有效创造力的手段，虚拟现实技术应用到教育领域当中。它是一种全新意义上的教学媒体，能够促使教育形态、教育环境、教学过程的基本要素及相互关系发生重大变化，使教学过程中的教师、媒体、学生之间的关系形成一种新的结构。将虚拟现实技术引入到建筑教学之中，呈现建筑物的立体化信息，为学生提供生动、逼真的感性学习资源，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力，使建筑教学由传统的“以教促学”的学习方式升级为学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

目前虚拟现实技术在建筑设计领域的应用已经非常广泛。李文基于虚拟平台EON对三维建筑模型进行了仿真及光照分析[3]，刘夕榕研究并实现了慢城宁海展示中心的虚拟漫游[4]，苏阳利用虚拟现实软件Unity3D实现了婺源徽派建筑的虚拟漫游[5]。在建筑遗产保护领域，章立基于虚拟现实平台Virtools建立了建筑遗产的简单交互系统[6]。这些研究为建筑设计提供了更好的发展空间，但如何将虚拟现实实时交互的优势充分运用到建筑类课程教学过程中仍有待进一步研究。

二、虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality）是一种综合应用各种现代信息技术，有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级人机交互技术，是当前教育技术中的前沿技术[7]。虚拟教学的三维展现形式能够为学生提供逼真、生动的感性学习资源，使学习过程形象化，学生由知识的被动接受者变成虚拟环境中的一名参与者，这种学习方式对调动学生的学习积极性、培养学生的技能以及突破教学的难点、重点能够起到积极作用[8]。

目前，用于虚拟现实制作和虚拟现实系统开发的软件非常多，其中Skyline是国内制作真三维数字场景的首选软件。作为成熟的三维网络数字地球平台软件，Skyline能够创建出具有实景照片效果的三维场景，并能够实现在三维场景中进行实时浏览、规划和分析等各种应用，实现了对几乎所有空间对象的虚拟仿真、模拟显示及各种分 析 。 Skyline 主 要 由 TerraBuilder、TerraGate 和TerraExplorer Pro三个产品组成。其中，TerraBuilder实现三维地形数据集的生成，TerraGate实现三维地形及空间数据的发布，TerraExplorer Pro实现三维场景的构建和浏览功能，三者将不同的地理空间数据有效地组织起来，再结合具体的业务专题，构建完整的虚拟GIS平台[9]。

三、虚拟建筑教学系统的开发及应用

1.虚拟建筑教学系统开发

为了探索虚拟现实技术在建筑教学模式中的应用，本文尝试以天津市历史风貌建筑为研究目标，基于虚拟现实平台Skyline 6.0开发了基于B/S结构的虚拟建筑教学系统，实现了建筑的内部及外部造型特征的三维可视化展示，以及网络虚拟环境下的信息查询、量测以及日照分析、统计分析等功能，使学生在畅游三维虚拟环境的过程中与建筑学知识进行实时交互，激发学生的造性思维和空间形体构思能力。系统实现流程如下。

（1）创建并发布三维地形场景

运用TerraBuilder将遥感影像与数字高程模型DEM融合叠加，生成一个现实影像的、带地理参考的三维地形场景[9]。为实现多用户实时共享三维地形数据，利用TerraGate将三维地形数据集进行网络发布[10]。

（2）创建三维地物模型

地块、道路、绿化景观及建筑等地物模型是构成三维场景不可或缺的要素之一。利用三维制作软件3D Studio MAX创建三维几何模型，使用图像处理软件Photoshop进行地物的纹理处理。建模过程包括处理纹理、导入CAD底图、建立模型、映射贴图以及数据导出[11]。模型建好后，导出为微软的.x格式模型文件。

（3）创建三维场景

三维场景是虚拟系统的基础和研究对象。利用TerraExplorer Pro将上述三维地形数据、地物模型、以及矢量数据、文本、图片标注、多媒体信息等相关要素进行整合，创建并发布三维工程FLY文件，生成一个具有真实感的虚拟现实三维场景。

（4）空间分析功能开发

利用 Vistual Studio 2010、SQL Server2008数据库和TerraExplorer Pro提供的二次开发API组件TerraDeveloper，实现三维场景漫游、导航、查询、定位、量测等空间分析功能[12]。例如，导航功能如图1所示，左下角的二维地图与三维视图实时联动；查询功能如图2所示，通过信息树模型列表和点击模型两种方式进行双向信息查询，点击模型查询目标建筑物，具体实现代码如下。

图1 建筑外部结构

图2 查询功能

2.虚拟建筑教学系统应用

天津是一座兼具中西文化交汇特点的、具有丰富历史文化资源的大都市。天津的历史风貌建筑凝固了天津城市的历史与文化，记录着这座城市的成长轨迹。其中，五大道历史文化街区更是被誉为世界建筑博览苑，英式、意式、法式、西班牙式、文艺复兴式、古典主义以及中西合璧式等各种建筑风格汇集一处，成为建筑学者感受世界多元建筑文化的魅力、了解各国建筑艺术与特色的博物馆。

天津五大道官网等多个网站对五大道街区进行了丰富详细的图片和视频讲解，虚拟建筑课程教学系统结合这些网站数据，以五大道历史文化街区为研究区，以虚拟交互结合图片、音频、视频等多种方式进行历史风貌建筑信息的辅助教学。系统的应用能够打破传统建筑教学的时间与空间的局限性，增强学生对学习对象的真实感受。

（1）虚拟五大道街区的格局与空间规划艺术展示

建筑教学通常利用建筑设计图、图片及视频等方式为学生展示建筑区或单体建筑的文化与风格特征。这种方式表达具有抽象性和片面性，难以直观形象地展示整个区域或建筑单元的规划与空间布局。虚拟教学系统的直观性、真实模拟性等特点，可以实现区域局部与整体关系的展示，为城市规划与设计、居住区规划、外部空间设计等多门建筑教学课程提供了更好的教学手段。

建筑教学系统建立了虚拟五大道历史街区，漫游在该虚拟环境中，学生能够直观地感受到五大道的街区格局与空间关系的和谐性。从高空俯视整个街区，由于街区被九国划分各自建设，使得整个街区格局具有明显的拼接特征，但近观局部，各租界区域的规划建设，尤其是英租界新区自成一体，体现了独特的风格。街区道路组织整体呈方形均质组织，南北向道路主要解决区域交通，东西向道路增加街坊间的联系，加上单行道的限制，保证了交通的畅通。作为居住区，其功能的完整性和规划布局的先进性仍值得借鉴和思考。

虚拟系统可以帮助学生快速了解整个区域的功能布局。利用虚拟环境中对虚拟对象的标注和信息查询等多种功能，学生可识别居住区与周边商业、教堂、医院、体育馆、音乐厅、公园绿地等公共设施的功能布局，整个区域功能的完整性及完善的公共设施组织一目了然，对学生理解和学习居住区的规划有很好的指导意义。

（2）街区内建筑与道路等的布局及空间关系展示

虚拟建筑教学系统能够更好地表达建筑教学中区域布局的空间层次感，使人沉浸到区域环境中感受区域的舒适度。虚拟系统为学生提供了沉浸在街区街道上任意漫游的体验功能，如同真实地走在林荫街道上，学生能够惬意地感受到街道的空间尺度与建筑布局的和谐。五大道历史街区内建筑多为2-3层，道路宽度多为12米左右，道路宽度与建筑高度的比例控制在1∶1以内，尺度舒适宜人。建筑与院落、围墙、街道之间形成较强的层次递进感，学生通过虚拟建筑教学系统不仅能了解街区内的各种空间尺度关系，而且透过茂密的树丛可以隐约看到掩映的建筑，感受到深幽寂静的五大道街市风格，这不仅为城市规划调研、道路与交通规划等课程塑造了便捷的体验环境，同时对专业美术、景观生态规划等课程的教学也具有重要的美学启示意义。

（3）历史风貌建筑艺术特写

五大道街区建筑形式多样、中外风格兼容并蓄，包罗了穆勒、保罗·鲍尔蒂等著名建筑师的许多建筑作品，其设计水平和风格对现代建筑学者也很有启迪意义。虚拟建筑教学系统对于建筑单元的展示比传统方式更为直观细腻，可分三个细节层次建模，从院落整体布局到建筑外观结构，再到建筑内部结构。对于特色的建筑造型，如巴洛克式的绞绳式立柱、意式的檐口和圆窗等，其建模尺度能够细化到0.1米。如原文法楼建筑的外观结构呈飞机状（图1），张学铭故居画室内木制护墙板局部有木雕花饰（图3）。学生能够对建筑模型进行定位查询（图2），对特色结构或兴趣点进行量测分析（图4），以及对区域进行二维和三维导航、日照分析和统计分析等。虚拟系统对历史风貌建筑的多样化展示，能帮助学生领略建筑艺术中内容与形式、色彩与环境、造型与材质、空间与结构等各方面的美学价值和启示，这使得建筑设计与建筑结构等课程教学的教学效果更好、更有效，且易于被学生接受[13]，同时，也为学生学习历史文化遗产保护、中外城市建设史、外国建筑史等课程提供了丰富的素材。

图3 张学铭故居室内模型

图4 量测功能

（4）虚拟五大道街区的演变过程模拟

五大道历经百余年的战争、地震以及建设开发的影响，其周边和内部区域改造不同程度地改变了其原有的面貌。虚拟系统的动态模拟功能，能够对历史风貌街区历年的变化进行动态模拟，还原各阶段的细节特征，展示五大道历史遗迹的演变历程，为今后街区的保护、修缮和复原提供数据支持。

四、结论

利用Skyline建立了虚拟建筑教学系统，能够使学生通过虚拟漫游、查询、量测及统计等实时交互功能进行自主学习，感受虚拟环境中区域的整体规划艺术和建筑设计的真实感，极大地提高了建筑类专业学生的学习兴趣，有利于知识的建构。同时，该系统还能展示天津的百年历史文化底蕴和大都市的文化，能够为历史、旅游等专业的教学提供历史风貌建筑导览功能。运用虚拟建筑教学系统进行虚拟建筑教学具有形式多样、教学资源容量大以及在教学中实时交互等特点，便于教学资源的更新与共享，能够为建筑类专业的课程教学提供较好的补充和辅助作用。

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