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“虚拟室内”技术原理


□ 李 鹏 陶毓博 王逢瑚

内容摘要:文章介绍了虚拟现实技术的原理、虚拟现实技术在室内设计中的应
用、如何建立一个虚拟现实系统的方法以及目前存在的问题和对未来技术的展望。
关键词:室内设计 虚拟现实

一、引言

室内与家具设计追求创新性。创新性意味着丰富的想象、开阔的视野和多方向、多角度的思维。创新性对于设计而言能激发设计者的灵感,提高设计的质量。而传统的室内与家具遵循“平面、立面、剖面和三维模型”的表现模式,其设计思维是首先在头脑中有一个构想,然后在纸上绘制出二维的造型草图或效果表现图,尽管这种方式培养了一种设计的思维顺序,但是它也限制了设计者在设计过程中的创新性。今天,虚拟现实技术在设计领域的应用,较大程度地解决了这个问题。这项可以使人“沉浸”在计算机创造的虚拟环境中的技术,让设计者看到、听到并触摸到虚拟环境,以自然的方式与虚拟环境交互式地传递信息。如果这项技术应用在室内与家具设计上,设计者可以迅速地理解室内空间的概念、分析与检验所用材料的质感、设计的尺度与比例、体验色彩与氛围,极大地提高设计者的设计潜力。为此,室内与家具设计行业应该引入虚拟现实技术,在专业领域中建立全新的“虚拟室内”的设计思想。

二、虚拟现实技术概述
“虚拟室内”技术原理图片1
虚拟现实技术(Virtual Reality)是在计算机图形学、计算机仿真技术、人-机接口技术、传感技术和多媒体技术的基础上发展起来的一门交叉学科。可以说,虚拟现实技术是想象力和高科技的结合,是多媒体技术发展的更高境界。虚拟现实技术的特点是:
1. 多感知性。在虚拟环境中,用户除了具有三维视觉之外,还有听觉、力觉、触觉、运动感,甚至包含味觉、嗅觉。
2. 沉浸感。它是指用户作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。三维模型、空间感、三维环绕音响,场景随视点的变化而变化。
3. 交互性。用户对虚拟环境中的物体的可操作程度,从虚拟环境中得到反馈的自然程度和对虚拟环境进行重新布置的方式。
4. 自主性。是指在虚拟环境中物体反映一般规律的真实程度和用户在虚拟环境中应遵循的一般准则。

三、虚拟现实在室内CAD技术中的应用

由于信息技术飞速的发展,室内计算机辅助设计(CAD)技术也得到了快速的发展。首先是在实体/表面建模技术上日趋成熟 ;其次模拟灯光技术逐步提高,绘制出的室内效果图接近于真实的照片级的感觉。但是目前所有的CAD软件用户界面仍然是基于鼠标和键盘的二维形式,基本上没有什么变化,设计人员如未经专门的软件学习,难以使用传统的CAD系统,进行设计时常常需要设计者和绘图员两个人,这在设计过程中会造成设计者“灵感”的丢失。如果在设计过程中运用虚拟现实技术,就可以使室内设计变得简单、直观,并带来以下便利:
1. 设计者进行室内CAD设计时,更加准确、直观、方便,更能体现设计师的意图。例如可以让设计人员在虚拟建筑物内漫游,来验证自己的设计是不是合适,对于采光、音效、通风等许多问题,设计者预先估计比较困难,利用虚拟现实技术虚拟出建筑物,让设计人员到室内考察,特别是对于演讲厅、电影院的设计,可用虚拟现实技术考察声音效果,帮助设计人员检验所用材料的音效特性,改进设计。
2. 通过对设计模型的数据分析,可以直接看到设计缺陷,减少设计错误,降低设计风险。例如,美国伊利诺斯州的科普利纪念医院病房设计完成后,请了一大批残疾的老战士坐在轮椅上,戴上头盔式显示器和数据手套进入虚拟的病房中,对设计进行检查评论。这些老战士带着头盔到处察看,结果发现水池上方的水龙头调节手柄距地面太高,坐轮椅的人够不着,设计人员及时修改了这一设计缺陷,避免了设计漏洞。
3. 在设计阶段,客户就能监视设计者采用的设计方法,确保设计不会导致浪费和增设不必要的制造过程。例如在一项室内设计工程中,客户可以清楚地看到每一项设计的施工过程和施工后效果,各个工序完全是透明的,避免了报价与预算的不准确性。

四、如何建立一个虚拟室内设计系统

从20世纪60年代,科学家吉布森(J.J.Gibson)一直在研究扩展人感知能力的传感器,并把人的感知系统划分为视觉、听觉、触觉、嗅觉和定向五部分。事实上,正是这五个主要的感官的辅助装置逐渐发展组合,演变成如今构成虚拟现实系统的各个重要组成部分。图中是汪成为院士提出的在个人电脑上实现沉浸式虚拟现实系统的原理图,尽管现在的计算机性能与原理图中的相比性能有了大幅度的提高,但是总的结构和原理没有变化。
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