虚拟现实（Virtual Reality）技术近年来在计算机应用技术研究领域十分活跃，作为一种扩展的计算机人机界面技术，在军事、航天、医疗、工业、工程、娱乐、教育等方面应用具有很大的潜力。虚拟现实（以下简称VR）的出现，无疑也为创新的、艺术与技术相结合的建筑设计领域开拓了一个新的思路，它打破了以往建筑设计"从平面、立面、剖面和三维模型"的表现模式，设计者可以在任意时间和设计的任意阶段"走进"自己的设计场景空间中，从任意的角度观察和检讨自己设计，身临其境地感受空间、尺度、环境光线甚至是声音的变化，从而使设计创作更臻完美。
1 虚拟现实技术概念
1.1 虚拟现实技术
VR技术是一种扩展的计算机人机界面技术，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、传感器技术和人体行为学研究等多项技术。具体的说，虚拟现实技术是多媒体技术发展的更高境界。Barrie Sherman和Phil Judkins在"Glimpses of Heaven，Visons of Hell"中将VR技术的特性归纳为5个"I"，即Intensive（高密度性）、Interactive（交互性）、Immersion（融入性）、Illustrative（清晰性）和Intuitive（直观性）。而这些特性也正是建筑师之所以对VR技术感兴趣的重要原因。
1.2 立体影像（Stereoscopic）生成基本原理及模式
图1 立体影像与2D、3D影像的区别
立体影像技术是VR技术的重要组成部分；它与2D影像、3D影像的区别参见图1所示。人们之所以能够看到立体的景物，是因为双眼可以各自独立地看物体，然后经过大脑的自然融合，即呈现立体的景物在大脑中。要在单一的电脑显示器屏幕上观察到立体景物，只有一个办法，就是将左、右眼所看到的影像各自独立分开。首先要在电脑显示器上交替显示左右眼观察的影像，同时透过一个同步快门观赏器，当屏幕显示左眼影像时，将右眼遮蔽起来；相反，当屏幕显示右眼的影像时，将左眼遮蔽起来。如此周而复始，以快于人类的视觉暂留速度进行交替显示，就这样大脑就会产生立体视觉了。现在常见的立体显示格式主要有：交错显示（Interlacing）、画面交换（Page-Flipping）和画面同步倍频（Sync-Doubling）等。
1.3 立体影像（Stereoscopic images）观察设备
上述已提到要观察到立体影像，就必须采用立体观察设备。现在常用的主要设备是立体眼镜。立体眼镜是具有一种特别的、间歇透光功能的特殊眼镜，通过将画面的垂直同步信号当作快门切换同步信号，自动交错遮挡相应的左右眼镜片，从而使用户达到观察立体影像的目的。使用立体眼镜的局限在于人的眼睛必须时刻盯着显示器，要保持头部基本不动，同时因为能看到显示器的边界以及周围环境，使得用户意识到自己不是处于这个虚拟环境中。
图2 头盔显示器
除立体眼镜外，立体影像观察设备还有头盔显示器，如图2所示。农牧区是VR技术中较为昂贵的部件。但对于提供真实的虚拟现实体验而言，它又是最重要的部件。立体眼镜肯定能使用户观察在立体影像，但它却不能使用户产生在虚拟现实中的沉浸感，而头盔显示器却使之成为可能。
1.4 VRML语言
时事浏览技术指的是可以按观察者的意图自由地在建筑空间中进行浏览，与建筑浏览动画相比，最大的不同就是有着较高的自由度。运用VRML（虚拟现实标记）语言正是体现这种浏览技术的好方法。VRML是一个"开放"的标准，它不仅仅是一种显示三维模型的方式，同时像HTML一样能把Web作为一个巨大的超文本文档来创览一样，VRML可以使人们把Web当成一个连续的三维空间来创览，同时，VRML程序所占的磁盘空间非常小，便于网络间的相互传输。
3D Studio MAX软件不仅支持VRML程序的输出，进行所谓的鼠标手工导航，同时还可以在VRML程序中通过选择摄像机在三维场景中进行导航设置，在场景中指定活动控件和触发器，丰富了时事浏览的内容。
2 虚拟现实技求在建筑设计中的应用技本环节
2.1 建筑立体影像合成技术
前面讲述了立体影像生成的基本原理和模式，但在建筑视觉设计中具体尽怎么运用的呢？我们使用的立体影像生成软件系统是3D Studio MAX；此软件系统提供一个摄像机插件-XIDMARY；它实际是由两个水平设置的摄像机组成。将它设置在建筑场景的适当位置，可以在同一个时刻求出建筑的静态图片或浏览动画。这时你得到的将是同一个目标物体的两个画面（左右摄像机所求得的）。最后的步骤是将求得的两个画面合成为能使用立体影像观察设备观察的立体影像，合成建筑立体影像的主要方法是：
〇 将求得的两个画面在立体影像合成软件中行合成。如3D Stereo Image Factory（TM）PLUS软件，它可以合成目前常用的如JPEG、TGA、TIF、BMP等格式的位图图像。
〇 直接利用3D Studio MAX软件中的VIDEOPOST视频合成器将两个画面合成立体影像。VIDEOPOST视频合成器是3D Studio MAX中独立的一个模块，相当于一个视频后处理软件，包括动态影像的非线形编辑功能以及特殊效果处理功能，图3所示为VIDEO POST视频合成器操作界面。运用这种方法制作建筑动画的立体影像操作非常方便。
图3 3D Studio MAX软件中的VIDEO POST视频合成器
2.2 建立三维建筑虚拟环境空间
模拟建筑环境空间首先要建立建筑三维模型，但我们通过显示器观察官时却只能是一个角度，一个侧面：如何能够表现建筑的整体环境空间呢？以前主要采用浏览动画的方式，如建立一个样条曲线作为浏览路径，将模拟"人眼"的摄像机架设在这条路径上以求得一种进入建筑环境空间的动态变化。但这种动画的可操作性、人机交互性较差。因此如何模拟真正意义上的三维建筑环境空间是现代建筑表现的一个议题。
这里利用3D Studio MAX软件中VRML语言输出功能可以实现以鼠标导航的三维建筑虚拟空间。3D Stodio MAX软件中VRML选项是可以用来建立可被网络测览器测览的三维场景文件，同时可以为场景中的三维物体指定活动控件和触发器。如可以将建筑场景中的电视机设置为触发器，当浏览到电视机前，用鼠标点触电视机，场景会自动播放已设置好的一段浏览动画，使建筑三维虚拟环境更丰富有趣。图4为运用网络浏览器IE5.5打开建筑VRML文件进行虚拟环境浏览的情景。
图4 IE5.5浏览建筑VRML文件的过程
鼠标导航功能并不是实际意义上的虚拟现实，要实现真正意义上的建筑虚拟环境，需要将时事浏览技术和立体影像技术完美的结合起来，这需要大量昂贵的软硬件支持，如要求有VR工作站及相应的软件、VR头盔、VR手套及数据衣等。
3 应用3D Studio MAX软件制作建筑虚拟现实场景
在应用虚拟现实技术制作建筑场景时，除了硬件外，最主要的就是要生成虚拟现实环境的工具。也就是说，有了观察影像的立体眼镜或头盔显示器后，就需要制作虚拟现实的软件系统。这里以常用的3D Studio MAX三维动画软件作为软件平台，介绍制作建筑虚拟现实场景的过程和使用技巧。
3.1 在3D Studio MAX软件中建立建筑三维场景
3.1.1 创建建筑三维模型
在影像软件3D Studio MAX软件中创建建筑三维场景的第一步就是建立建筑形体的三维模型，它在整个工作流程中非常重要，其后的灯光、材质等元素的添加，都是以三维模型为基础的，可以说建模是万丈高楼的地基。建立虚拟现实环境的建筑模型与电脑渲染图的侧重点不同，因此在建模时应注意以下一些原则：
〇 制作建筑静态立体影像与建筑VRML文件在建模所需的细节等级不同；
〇 在有关视觉设计方面不要试图获取非常高的精确度；否则会降低工作效率；
〇 在满足要求的前提下，应尽量减少模型的点数、段数，不要过于苛求细节部位，尽可能使用"模拟的"几何体。
3.1.2 设置场景
将建立完成的建筑三维模型如何真实地表现出来，就需要搭建场景，主要的工作是建立适当的光环境、模拟摄像机和模拟背景等。
光线是场景视觉信息与视觉造型的基础，没有光线便无法体现物体的形状、质感和透视关系。光环境的建立是建筑虚拟现实表现制作中的最困难的部分。要想设置和运用好光，首先应了解真实的灯光变化，要明白软件系统的模拟光源与真实光源的差别。3D Studio MAX软件对灯光效果的模拟，采用一种称为光线追踪（Ray Trace）的方法计算，光线追踪从看到画面中的像素去跟踪光的来源，只计算有用的光线，同时光线追踪可以精确地计算直按照明、阴影、镜面反射、曲面反射和透射效果。但真实光源的照射过程更为复杂，对象所承受的光线并非均来自于光源；空气的散射，地面、墙面、顶面的反射都会使场景对象受光，而光线追踪只计算光源本身经反射和折射到达的光，对全局的漫反射及其它表面反射的光线视而不见，这就需要运用3D Studio MAX软件中的布光技巧去弥补。
模拟摄像机与真实世界的摄像机有着共同的概念和术语，3D Studio MAX软件中摄像机调节参数就是通过模仿真实摄像机而设定的。在设置中主要考虑画面的构图问题和建筑透视的特点，如视点一般在高于地面1.45m至1.80m处，镜头（Lens）一般使用48mm左右等。
3.1.3 建筑材质设计
材质是体现三维对象真实性视觉效果的主要保证，视觉效果包括颜色、质感、反射、折射、表面粗糙以及纹理等诸多因素，材质设计正是通过对这些因素进行模拟，使场景对象具有某种材料特有的视觉特征。真实的材料视觉效果包含很多因素，3DStudio MAX软件不可能模拟全部视觉因素，解决的方法是对真实材料视觉效果进行有限的模拟，这种有限的模拟主要包括两个方面一是通过材质基本参数的设计，包括颜色、反光量、反光强度、自发光等；二是引入贴图的概念，贴图系统比基本参数系统更为复杂、主要包括过渡色贴图、反射贴图、不透明贴图、凹凸贴图等，它与基本参数混合成为最终的材质效果。在VR场景中，不要过多的使用反射、折射效果，应将重点放在空间的总体构成和构件形体特色方面。
3.2 建筑动画设置和VRML三维环境的生成
3.2.1 建筑动画与Walkthrough Assistant程序
建筑浏览动画是指模拟人在建筑空间内外行走所观察到的动画效果，一般是将摄像机固定于一条行走路线上，高度近似为人眼高度，视野近似为人眼的视野，然后依据计算出的行走速度进行运动，当然对于一部完整的、逼真的建筑浏览动画而言，仅仅穿行是不够的，还应使用在一点上向四周环视或目光集中于一点环绕等多种表现手段，这就要借助于3D Studio MAX软件中的穿行助手Walkthrough Assistant程序。具体设计步骤是：
〇 绘制运动路径：运动路径是一根空间样条曲线，绘制时要符合人运动的规律，一般要求曲线光滑、所到达的方位应具有便于观察建筑室内外景象的特点。
〇 计算动画长度：为了能够精确模拟人在行走时的运动速度，需要依靠运动路径的长度来进行计算。
〇 创建摄像机并调节动画：此步骤在Walkthrough Assistant程序中进行，Walkthrough Assistant程序的控制面板如图5所示，点取"Create Camera"按钮即可产生一个自由摄像机。再按下"Pick Path"按钮，并选取己绘制好的路径曲线，结果自由摄像机自动放置在路径的起始处。这样我们就可以借助此程序进行温游动画设置了。
3.2.2 VRML文件的创建与使用
在3D Studio Max软件中生成建筑模型VRML文件非常容易，只要通过"File"下拉菜单的"Export"选项，并选择VRML97的WRL格式输出即可，但要生成一幅有趣的、内容丰富的建筑浏览VRML文件应在场景中指定活动控件和触发器，建筑VR场景中常用的主要活动控件和触发器有：
〇 锚触发器（Anchor）：此控件设置一个"点取-播放"的触发器，使场景中的对象与另一个URL链接（类似HTML文档的超级链接），或是与场景中的另一个摄像机链接，类似电影中的镜头切换。
〇触动感应器（TouchSensor）：此控件将一个场景中的三维物体设置为触动方式，使它在VRML97浏览器中被选择后即可开始一段动画，例如将室内空间的一幅画设置为触动感应器后，在VRML97浏览器中点取这幅画，它就可以开始播放一段设置好的动画。
图5 Walkthrough Assistant
〇 细节级别（LOD）：此控件指定对象根据距离视点的远近而改变表面数目的计算，这样对较远的对象，计算量会减少。
3.3 建筑立体影像的生成与合成
3.3.1 插件XIDMARY的设置
运用插件XIDMARY可以在3D Studio MAX软件中制作立体影像，具体步骤是：
〇 在建筑场景中增加由插件XIDMARY提供的XIDCamera，并调整到场景的合适位置。
〇 调整XIDCamera的主要参数：Eye Dist（两眼间距离）和Focus Dist（焦点距离），如图6所示。这一步骤非常重要，这意味着最终是否能观察到建筑场景的立体影像。这里有一个经验公式：
Eye Dist = Target Dist / 50
如系统自动量测出Target Dist = 480，则Eye Dist = 480 / 50=9.6。
3.3.2 运用VIDEO POST视频合成器合成建筑场景的立体影像
当正确设置了XIDCamera参数和位置后，下一步就是要渲染建筑场景的立体影像了。这里介绍运用VIDEO POST视频合成器设置和渲染建筑场景的主要方法：
〇 在VIDEO POST视频合成器中运用按钮将XIDCamera Right和XIDCamera Left加入到合成器的控制栏中，如图7所示。
图7 将XIDCamera Right和XIDCamera Left加入到合成器中
〇 将XIDCamera Right和XIDCamera Left一并选择，点击按钮，在"Add Image Layer Event"对话框中选择"XIDMARY Stereo Compositor"选项，如图8所示。
图8 Add Image Layer Event对话框
〇 在"XIDMARY Stereo Compositor"对话框中设置立体影像的模式，"如""代表画面同步倍频模式，如图9所示。
〇 点击按钮，在打开的对话框中选择要储存的文件名和目录，点击按钮，在打开的对话框中设置渲染参数，而后点击""按钮开始渲染着色。
渲染出的建筑立体影像如图10所示，从图中可以看出影像是虚的，这正是立体影像的特征，要观察正确的立体影像就需戴上立体眼镜。
图9 XIDMARY Stereo Compositor对话框
图10 建筑立体影像图
4 结论
在虚拟现实环境中，人们仿佛置身于一个完全真实的环境空间中，使得建筑设计能够突破"平面、立面、剖面"的刻板模式，进入一个更直观更生动的层面。但是由于VR技术发展时间短，在技术和应用上还有许多问题，这些不足主要体现在软硬件设备要求较高，价格昂贵以及建筑设计技术与VR技术的融合问题等。我们已利用现有的软硬件设备制作出一些VR作品，尽管还没有达到真正意义上的虚拟现实，但相信只要建筑设计人员不拘束于传统的设计方式和设计理念，VR技术在建筑设计实践上的普及将指日可待。
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