虚拟现实技术在室内空间设计中的应用

吴 曼 张 群 Wu Man & Zhang Qun

(1.南京林业大学，江苏南京 210037；2.淮安市政设计研究院有限公司，江苏淮安 223005)

1 虚拟现实技术简介

美国VPL公司的Jaron Lanier在1989年首次提出了虚拟现实(virtual reality，VR)一词，它与网络技术、多媒体技术成为21世纪最具发展前景的三大计算机技术。虚拟现实技术通常是指数据手套、头盔显示器等一系列新型交互设备，用来模拟出让人体验或感知虚拟环境的一种计算机软硬件环境，这种模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。除计算机图形技术营造的视觉感知外，还有听觉、触觉、动作捕捉等感知，多感知的混合运用可以给用户提供一种全身心的沉浸式体验（图1）。它的沉浸感、交互性和想象力这三大特征（简称3I特征）可以将虚拟空间的营造的更加成熟（图2）。因此，在室内空间设计中运用将虚拟现实技术，可以使用户切身感受所设计的虚拟环境，通过其中的交互操作对室内空间进行多角度、全方位的虚拟漫游[1]。

2 虚拟现实技术在室内空间表现中的应用

与传统的人机界面以及流行的视窗设计操作相比，虚拟现实技术以视觉为主的新的交互界面配合可穿戴联网设备在空间表现、设计方法和技术思想上都有了质的提升。它通过综合计算机仿真技术、人工智能、计算机图形学、即时交互、互联网、动作捕捉与传感等技术将设计者“传送”到需要营造的空间环境中，再由计算机营造的自然实际空间里进行艺术表现和环境营造[2]。

2.1 虚拟现实技术空间表现的艺术性

通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及混合现实（MR）等人工智能技术进行空间表现的形式形成了一种新的艺术形式，即虚拟现实艺术。它与传统艺术表现形式的最大的区别在于超文本性和交互性[3]。虚拟现实技术空间表现手法是通过内在复杂的数据计算和技术集成，给设计者提供精简的可视化和即时交互的设计方法，它能够将繁杂的计算机语言转换为全新的认知与行为体验。虚拟现实技术独特的艺术性体现在以新的人机交流方式进行交互表达，实现创造的作品与设计者之间对话，塑造出更具表现张力的沉浸式艺术环境。

2.2 虚拟现实技术空间表现的交互性

设计师通过运用虚拟现实技术（VR、AR、MR），不仅可以构建出极具想象力的艺术空间，还搭建出一个具有强烈对话意识的交互平台。设计者可以借助泛虚拟现实技术促进其他参与者与空间之间的沟通，获得即时反馈，从而更好的把握参与者对空间的需求。同时，可以通过动作捕捉设备对参与者的行为模式进行记录，为对空间效果、空间解构、空间重塑提供意识性的参考元素。在泛虚拟现实中，AR（增强现实）、MR（混合现实）又可以将数字空间与现实空间完美结合，真正实现人与信息的交互体验，赋予参与者更多的参与感和再创造的权利。2016年来自瑞典的家居品牌宜家（Ikea）推出了一款虚拟现实App，宜家VR体验（IKEA VR Experience）名为“虚拟现实厨房”（Virtual Reality Kitchen）。消费者可以在购买前，通过VR技术预览装修效果（图3）。

2.3 虚拟现实技术在物联网智能家居室内空间中的应用

物联网是在互联网的基础上实现物体之间通信，是信息空间与物理空间的融合，联结数字应用和物理应用，将事物数字化、网络化。在物与物、人与物及人与环境之间实现高效信息交互，有效连接物理的实体与虚拟的网络，使用户能够不受时间和空间的限制，用户可以远程遥控家中的各个物理实体[4]。智能化系统首先在美国建筑界得到实施和应用，之后被各个国家引用并广泛的应用到办公系统、医疗系统和工业产品等领域。智能化系统随着社会的变化而变化，具有柔性和弹性，自然在家居环境中也出现了智能化系统的身影[5]。智能家居系统本身就是物联网影响下的产物，基于虚拟现实的智能家居系统是在智能家居空间的基础上利用网络通信技术、自动控制技术、音视频技术、安全控制技术、综合布线技术、虚拟现实技术等将与家居生活相关的所有设备集合。将无序的、零碎的、混乱的解构空间构建成为一个有序的、有逻辑的整体是虚拟现实智能家居系统的主要作用，以提升家居空间的安全性、舒适性、便捷性和装饰性。

增强现实（AR）技术作为虚拟现实技术中的一种，其作用在与增强现实空间中的视觉感受，并且对增强现实空间中的虚拟物体进行交互控制的方法[6]。物联网的智能家居系统连接了家中的各种设备，为家居环境提供照明控制、供电控制、网络控制、安防控制、暖通控制、电器控制、环境检测控制、定时控制等多项功能，而增强现实技术可以在现实空间的基础上通过物体识别技术、动作实时捕捉技术、建模成像技术来构建各个控制系统的控制终端，实现随时随地的调控整个家居空间里的各项功能以达到身体舒适的环境，全方位与居住空间实现信息交互，优化生活方式，创造更加高效、便利、环保的物联网智能家居系统。

虚拟现实技术中信息显示和实时反馈是构建物联网智能家居系统中的关键所在。信息显示和实时反馈的意义在与快速的搭建人与居住空间的交互平台，其中通过增强现实的显示器，用户可以在处在空间的任意地点和时间获得居住环境的各项数据，将其作为调节空间环境的参考信息，再结合现实的情况和人体感受即时控制如温控开关、电器开关、照明开关、窗帘开关、安全系统开关、环境监测开关等。即时反馈则是给予物联网智能家居系统使用者人体处于舒适时室内居住空间的各项数值，以便于智能系统进行数据储存，调节出更适于个体的健康居室环境，实现居住空间对使用者私人定制的环境空间[7]。

图1 虚拟现实系统工作原理

图2 虚拟现实3I特征

图3 宜家APP“虚拟现实厨房”

图4 传统室内空间设计与虚拟现实辅助设计对比

3 虚拟现实技术对室内空间的解构

虚拟现实技术应用到室内空间是将整体空间进行分解从而得到单元信息，再通过分解的单元来生成与现实相同或增强的模拟空间。虚拟场景的建模、数据管理、绘制以及交互信号的组成，都来源于对室内空间的剥离式解构、对场景的细节的把握和对室内空间感官元素的捕捉。

3.1 虚拟现实技术对室内空间的拆解

虚拟现实技术通过即时显示器对真实的场景进行采集，取得视频或者图像，将其分解成为独立的单元，将未进行拆分的整体室内空间按照不同的逻辑路线进行归类划分，并且即时反馈给设计者或用户，以便于设计者或用户对整体空间进行细节观测，从而收集多元化的信息和元素。拆分出的视觉元素以数据信息的方式进行储存，而设计者或用户同样会获得有关室内空间布局、装饰元素、家具尺寸等的模糊意识，这些都有助于虚拟现实技术对住宅室内空间构建全新的场景，完成对室内空间的重塑[8]。

3.2 虚拟现实技术对室内空间的分析

虚拟现实技术在对室内空间元素进行拆解后，计算机获得的视觉元素以及人所得的视觉映射印象可以为虚拟现实技术提供可供参考的数据支持，以完成对室内空间可视化的分析，为空间无序的组织形式提供具有一定理性参考信息，便于设计师或用户建立对室内空间初步印象，为室内空间的重塑收集一切有用的数据元素和视觉化元素。

4 虚拟现实技术对室内空间的重塑

虚拟现实技术对室内空间的重塑建立在两个方面，一个是基于室内空间解构的数据分析，一个是基于增强现实技术的高清晰度场景重构。

4.1 基于室内空间解构的数据分析

增强现实技术（AR）系统结构主要由四部分构成，它们是虚拟场景生成单元、头部跟踪设备、透射式头盔显示器和交互设备[9]。其中虚拟场景生成单元主要承担虚拟场景的建模、绘制、管理工作以及管理其它外设；头部跟踪设备主要用于用户视线变化的跟踪；透射式头盔显示器负责将虚拟和现实融合后的信号显示出来；交互设备则负责输入和输出用于实现环境控制操作及感官的信号。这些基于空间解构的数据分析系统结构的建立是为了便于对精确场景的理解，从而完成空间模块的搭建，实现理性有序室内空间的塑造[10]。

4.2 基于增强现实技术的高清晰度场景的重构

空间解构的数据分析为高清晰度场景的建立提供了完备的数据基础和信息储蓄，接下来就需要增强现实技术中的物体检验和识别技术、跟踪定位技术、虚拟场景生产技术等对场景进行建模、渲染、显示。物体检测和识别是用于搜寻室内空间中的各单元目标，这也是对空间构建中的最基本的一项技术，它不仅要识别人物此时在场景中的位置，还需要定位住宅室内空间中虚拟物体的位置，以建立人与空间构建的物体虚拟框架。跟踪定位技术主要由硬件和视觉两种类构成。硬件跟踪的方法主要分为光学跟踪和惯性跟踪；而视觉跟踪方法则更具有拓展性，也更依赖于优化算法来解决跟踪精度问题。总体来说跟踪定位技术是为了实现在室内空间中人与机器之间实时交互、跟踪渲染，它能够捕捉人或物体在空间中的即时状态，为空间的动态构建提供移动时的数据信息。

虚拟场景生产技术是在整个空间的重构中扮演视觉传输的作用，不论是将整个空间重新构建的虚拟空间，还是将原有现实进行增强的虚拟空间，虚拟场景的渲染都至关重要，它能够为设计者或使用者提供一个基于识别技术和跟踪定位技术的视觉空间，同时通过设计者或使用者的意志将原有空间没有或者缺失的空间元素进行补充，完成整个室内空间的重塑[11]。

5 基于虚拟现实技术的室内空间设计新思路

上世纪90年代开始，在模型实体制作、信息交流和管理、艺术及娱乐等领域广泛应用虚拟现实技术。欧美、日本等发达国家，家具商和房地产商们也广泛将虚拟现实技术应用于产品的展示和商品的促销。近年来，随着科学技术的快速发展，虚拟现实技术已经逐渐应用在社会和生活的各个领域，其中也包括在室内空间设计中的应该用[12]。室内空间设计的目的是创造出能够同时满足人们物质和精神两方面的室内环境，因此，该环境不仅要求功能合理，舒适优美，而且还要能够体现该室内空间所承载的环境风格、历史文脉及人文精神。室内设计的过程包括前期的项目调研、方案设计、设计施工等，给用户传达设计方案的方式主要通过设计制图、设计效果图、实体模型、电脑辅助设计来实现。虚拟现实技术具有浸入感和交互性的特点，非常适合用于室内空间设计，有利于发掘室内空间设计潜力，同时也更容易得到敢于接受新事物的设计师们的青睬（图4）。现在，很多设计师都会运用虚拟现实技术作为展示自己设计方案的一种手段，而这种趋势对于虚拟现实技术的发展也是一种促进。

传统的室内空间设计中，无论是在设计方案交流、对比还是施工设计上，设计师按照用户的意愿及个人经验做出设计，其设计构思、设计风格和装饰细节均通过图纸展示，用户根据设计师的图纸了解方案，并对方案提出修改意见。这种方式虽然虽然可以考察和锻炼设计师的空间思维能力和图纸表达能力，但是图纸表达毕竟只是在二维平面上展示三维的空间效果，设计师往往并不能把自己的设计意图和风格全面细致的传达给用户，同时用户也无法对整体空间进行把握和理解。这就形成了设计师的表达和用户的期望值之间的落差，较大的落差也会导致方案的反复修改，大大增加了设计周期和设计成本，同时这种落差往往在方案落地后会表现得更加明显。

虚拟现实技术的出现给予室内空间设计更强的表现力，用一种直观的面貌展现出来，这项技术能让设计师在做设计方案时全方位观察室内空间，并及时做出调整，同时也能感受到整体环境是否融合，给予设计双方更多新的体验和设计思路。

5.1 设计双方的交流

利用虚拟现实技术提供的人机交互系统，用户可以通过虚拟室内空间环境，加强空间感受，准确快速地表达设计需求，同时设计师可根据用户的不同社会经济背景和他们提出的适合自己的设计需求，再加上项目本身的环境和自然条件，在虚拟现实系统中根据实际情况调整数据，提供不同的方案给用户进行选择。从而使合作双方能有更具体和直接地交流互动，做到细微准确地明白双方意图，避免不必要的误会[13]。

5.2 设计方案的比较

设计师在设计过程中，经常会提出不同的方案，通过比较来确定最终的结果。在虚拟现实技术提供的三维空间中，可以将各个方案展示出来进行实时对比，通过现场切换，在各种角度观察方案，这样很容易看出每个方案的特点与不足，从而可以进一步对方案进行选择。在同一个方案中，也可以利用虚拟现实技术对设计方案的局部做一些调整与修改，然后实时分析比较修改前后的方案，最终得出最为合理和满意的设计。

5.3 设计技术的论证

在室内空间设计中，设计师在充分考虑室内空间的功能和用户需求的同时，还需要兼顾到施工技术方面的可行性。利用虚拟现实技术不仅仅可以在设计空间上进行仿真模拟，还可以在技术上进行仿真，比如在动力学、运动学等方面，这样就可以模拟室内空间设计的施工过程。运用虚拟现实技术模拟施工过程，可以对施工计划、施工技术的合理性和有效性进行检查，避免实际施工过程中问题的发生。

6 结语

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是信息科学领域的新兴技术，通过人和计算机之间复杂的信息交互，制造人工仿真环境，可以有效地应用于室内空间的设计。在表现手法上，它建立的虚拟环境可以给予设计者更多可能性，革新了传统设计方法，实现设计者与室内空间的意识对话，同时赋予计算机技术更多的艺术表达途径；而对使用者来说，虚拟现实技术的介入给予空间更多元的选择，使得室内空间设计更为合理、高效，设计表达更为直观，有助于对整体空间实现从细节到整体的科学把控。室内空间环境借助虚拟现实技术的解析数据到模型成像完成对空间的解构与重塑，突破了设计体验、人机交流的壁垒，将帮助使用者实现空间沟通和资源调控的优化，建立更人性化、科学化、环保化的室内空间。