虚拟现实技术在城市环境设计中的应用

郭瑞丽 唐海波 赵垠婷 张立丽

摘 要：城市环境设计涉及的学科和内容较多，包括建筑学、人类学、景观设计等，具有综合性、多样性的特点。随着科技的发展，城市环境设计的方式、方法也得到了不断优化。当下，人们对现代城市环境设计有了更高的要求，不仅要求城市环境设计作品环保、美观，还要求城市环境设计作品具备较强的功能性。因此，设计师可采用现代化科技手段，将虚拟现实技术应用在城市环境设计中，以提升城市环境设计效果和效率。

关键词：虚拟现实技术;城市环境设计;实时模拟演示

基金项目：本文系黑龍江省高等教育教学改革研究项目（SJGY20200717）研究成果。

在进行城市环境设计的过程中，设计师常用的技术方法有三维动画、实体模型、效果图渲染等。这些设计方法虽然改变了传统的纯人工设计模式，提升了设计效率，但也存在着一些不足。以实体模型为例，其虽然立体感较强，但由于是按比例缩小的模型，设计师很难了解具体的设计细节，导致评估结果不够准确。效果图渲染只能表现离散的、静止的效果，缺少总体性。三维动画虽然结合了前两种方式的优点，但其提供的运动路线具有固定性特点，无法对其进行随意调整，人机交互性不强。因此，设计师应进一步完善相关技术，将虚拟现实技术应用在城市环境设计中，对图像、声音、动画等要素进行整合，实现详细、全面的模拟展示，在强化作品表现力的同时，增强其人机交互效果，使自身产生身临其境的感受。

一、虚拟现实技术在城市环境设计中的应用特征

（一）基本特征

相较于传统的模拟技术，虚拟现实技术可以营造出还原度更高的虚拟环境，具有更强的交互性特征。将虚拟现实技术应用于城市环境设计中，可以使参与者和仿真环境之间产生相互作用。设计师可以根据自身的感知能力和认知能力，在虚拟环境中获得启发，并利用虚拟环境中的空间和逻辑信息进行分析和设计。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、想象力三大基本特征。所谓沉浸感，就是用户以第一视角的身份在环境中存在，而存在的真实程度就是沉浸感[1]。如果沉浸感较强，则说明场景的真实程度较高。理想的虚拟环境甚至会使用户难以辨别真假。虚拟场景可以随着用户视角的变化而变化，并配合照明、音响等实现效果的最优化。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，在虚拟环境中，用户若直接抓取物体，此时手的触感、物体的重量感都会随着手的移动而发生变化，这些都是通过人机交互技术完成的。想象力是用户沉浸在多维信息空间中时，通过自身的感知能力和认知能力获得更多信息，从而激发自身的思维潜能，对时空环境产生现实的构想，更加主动地进行想象。

（二）关键技术

虚拟现实技术是一种集成技术，其结合了计算机、传感与测量、仿真等技术。计算机技术主要涉及人工智能、信息网络等技术和学科。其中，环境建模技术最为重要，可以说是虚拟现实技术中的一种核心技术。该技术的应用旨在获取更加详细的三维环境数据，根据具体的应用需求和数据来构建环境模型。计算机模型可以用于制作图形图像。如果模型精准、时间充足，设计师可以根据不同的光照条件，生成不同的图像信息。立体声合成和立体声显示技术也十分重要。在虚拟现实系统中，消除声音的方向和与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点。研究表明，人可以通过声音在水平方向上的相位差、强度差别来判定声源方位。所谓立体声效果就是靠左右耳听到在不同位置录制的不同声音来实现的，能够给人一种方向感。但目前在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关[2]。立体视觉也运用了类似的原理，主要运用了眼睛焦距、大小对比等方式来呈现距离感、空间感。在VR系统中，立体视觉发挥着十分重要的作用。显示器不同，用户双眼看到的图像也不同。一些系统采用的是单独的显示器。用户在戴上VR眼镜之后，两只眼镜分别能够看到奇数帧图像和偶数帧图像，从而产生立体感。三维图形和立体图形的生成技术虽然已经比较成熟，但计算机图形学领域的专家学者还在进行更多复杂场景的研究。此外，触觉反馈技术、交互技术、系统集成技术等也十分重要，因此相关人员需要对其进行深入的研究和开发。

二、虚拟现实技术在城市环境设计中的应用方式

（一）实时模拟演示

将虚拟现实技术应用在城市环境设计中，不仅可以构建虚拟空间，还有助于设计师采用实时模拟演示技术在虚拟空间中检查城市环境设计效果，分析方案的可操作性，具有实时模拟演示的作用。目前，VR技术在影视、游戏等领域中得到了广泛应用。但随着技术的优化、应用成本的下降以及计算机性能的不断提升，VR技术的应用领域也愈加广泛，使得VRML语言应运而生。这种虚拟现实建模语言可以用于创建虚拟现实的物体，通过VRML插件可以实现网页在线观看，采用旋转、移动等浏览工具观看物体，获得较好的动态效果。在VR技术被广泛应用于人们娱乐生活中的同时，其他领域对VR技术的研究也在不断深入。在建筑行业中，采用VM（电子模型）技术，可有效提升建筑设计、建设的质量和效率。需要注意的是，在以此为基础探索VRML技术、描画数据问题的同时，要对速度进行改进[3]，同时也要对夜景识别技术进行开发，使其与VR技术表现方式进行结合，在VR影像中呈现出城市建设规划内容。通过真实的模拟，设计师能够了解城市建设的实际情况、存在的问题，解决建筑街道改造等问题，这可以促进城市环境设计水平的提升。

目前，已经有半圆屏幕型VR产品、便携式VR产品在城市环境设计中得到了应用，其效果明显高于传统CG模型，可以更加自由地改变物体的行走空间。设计师能够通过这些产品来对比多个设计方案，最后选择最佳的方案。

（二）实时模拟演示的应用

在进行城市环境设计的过程中，设计师可以利用实时模拟演示的方式，模拟真实的环境，然后再实施相关的城市环境设计方案。同时，设计师可以对各类设计方案进行讨论分析，深入研究设计方案的细节和方法，最后再选取最佳的设计方案，并针对设计的结果、目的、内容，向顾客反馈，使顾客能够根据自身的需求和模拟效果来评价设计方案。另外，由于设计师或顾客对工程概念有着不同的理解，其切入点、关注点也有所不同。因此，设计师应对计划的内容进行详细的分析，与顾客交流意见，最终达成一致，保障设计方向的准确性。设计师应通过对真实具体的环境进行分析，构建虚拟现实世界，并将其展示出来，以满足顾客的想象，与顾客在理念、方向上达成一致。此外，在进行实时模拟演示的过程中，设计师需要运用视觉媒介、动态媒介、即时性媒介、Virtools Dev等。这些媒介的应用可以促进实时模拟演示的真实性和完整性。在视觉媒介上，与具有静止化、动态化特征的CG动画展示相同，实时模拟演示可以在视觉角度为用户提供更加准确的信息，加强用户对信息的理解。在动态媒介方面，其主要包括qrVR、CG、VRML等。即时性媒介具有交互性，能够使实时模拟演示在城市环境设计中具有更强的操作性。Virtools Dev有着对基本场景的模型数据进行读取的接口，能够通过视觉编程的方式，完成与虚拟对象的对话互动，具有输入、输出、处理等功能。

（三）实例分析

在进行城市环境设计的过程中，设计师可以对环境设计方案进行合理的分析和优化，对工程的概要、建筑功能、建筑结构、背景接口、工程特征等进行考察和分析。在运用实时模拟演示技術进行城市环境设计的过程中，为了完成更加系统的构建，相关人员需要采用多种环境要素，包括树木、车辆、行人等，因此应轻量化CG数据[4]。在功能和结构的构建方面，应注重对自由飞行、自由奔跑、冲突检测、重力设定、数据轻量化等方面的构建。在自由飞行方面，应对任意地点的注视点进行确定，并将其作为场景图像的中心，使其具有旋转功能，从而使设计师能够从空中掌握整体布局。在自由奔跑方面，设计师可选择任意一个方向，在任意一个地点以特定的速度进行移动，并在地面上选择自己喜欢的视点，进行方案的讨论。在冲突检测方面，由于自由度过高，且在进入建筑时难以进行高难度的操作，在虚拟空间中，相关人员可对各种物体之间的冲突进行检测，包括墙壁、建筑物等。在重力设定方面，与冲突检测的方式相似，需要使视点与地面保持一定的高度。在数据轻量化方面，要确保数据读取效率，使建筑数据只能在可识别范围内进行显示，同时对造型有一定影响的部分也会得到显示。而针对不会显示的内容，应减少其内容，达到数据轻量化的效果。

在设计机动车专用车道的过程中，相关人员可以采用虚拟现实技术进行模拟演示，以人员之间的讨论重点为制作目标。在构建虚拟现实系统的过程中，相关人员应首先明确在虚拟场景中有哪些人物。由于道路空间的使用者主要为当地居民，设计师不仅要从内侧了解建筑，也要从外侧了解建筑。因此，数据定义的对象不仅是街道，还包括建筑物、周边地形、住宅等内容。同时，相关人员应结合客户的要求，对接口进行制作。功能结构除了包括自由飞行、自由行走、冲突检测、重力设定等内容外，还增加了LOD、车辆的自动行走等功能。这些功能能够有效增加虚拟环境的真实感。

综上所述，在进行城市环境设计的过程中，设计师可以采用虚拟现实技术，对设计内容进行模拟。虚拟现实技术能够为设计师提供各种操作工具，帮助设计师了解工程的结构、功能等，为后续进一步优化城市环境设计提供参考依据。在功能设计方面，设计师应明确技术系统存在的问题，对系统已有的功能进行改良，为城市环境设计提供更多支撑工具。

参考文献：

[1]孙旋，孙权，魏欢欢.虚拟现实技术在环境工作中的应用研究[J].中国化工贸易，2019（3）：162.

[2]潘锋.虚拟现实技术在城市规划设计中的应用分析[J].城市周刊，2019（14）：26.

[3]郭健含.VR技术在现代环境艺术设计中的有效应用[J].美术教育研究，2020（4）：88-89.

[4]陈尚军.虚拟现实技术在环境艺术设计中的应用研究[J].百科论坛电子杂志，2019（22）：110.

作者单位：

佳木斯大学美术学院