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淺談建筑設(shè)計中VR設(shè)計的使用
VR 是用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺, 使人能通過適當(dāng)裝置對虛擬世界進(jìn)行交互式體驗。通常用戶頭戴一個頭盔, 手持傳感手套, 仿佛置身于一個幻覺世界中, 在虛擬環(huán)境中漫游, 并允許操作其中的物。使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知, 從而達(dá)到身臨其境的感受。
VR 技術(shù)與建筑設(shè)計利用
VR 技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計, 在建筑設(shè)計階段就能以可視的、動態(tài)的方式全方位展示建筑物所處的地理環(huán)境、建筑物外貌、建筑物內(nèi)部構(gòu)造和各種附屬設(shè)施, 使人們能夠在一個虛擬的環(huán)境中, 甚至在未來的建筑物中漫游。因而, VR 技術(shù)是建筑方案設(shè)計、裝修效果展示、方案投標(biāo)、方案論證及方案評審的有力工具, 在建筑設(shè)計業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)和建筑裝修業(yè)等領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用前景。
建筑物虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)計的基本要素
利用VR 技術(shù)進(jìn)行建筑物設(shè)計的基本要素包括虛擬場景建模、虛擬場景渲染、虛擬攝影機設(shè)置、運動速度控制以及虛擬觀察者各種動作的模擬( 步行、旋轉(zhuǎn)及其它動作) 等等。
虛擬場景建模無論采用何種虛擬方式, 首先要遇到虛擬環(huán)境建模問題。目前既可采用VRML 等專用的虛擬現(xiàn)實建模語言, 又可以采用SGI 公司的Open Inventor 等來完成建模, 也可以直接利用OpenGL 建立模型庫或開發(fā)專門的建模工具, 但這樣做的工作量是非常大的。另一種方法是借助于3DSMAX 等普通的三維建模工具, 先建立起三維模型, 然后用編程或借助于工具的方法, 導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中, 并利用Open GL 完成渲染。此外, 微軟近年提出的DirectX 雖然主要是針對三維游戲編程, 但是由于其硬件要求低 ( 目前大多數(shù)圖形加速卡都支持DirectX) , 而且其開發(fā)包DirectX SDK 中提供直接導(dǎo)入3DSMAX 模型的工具, 用Direct3D 技術(shù)完成渲染。這樣, 就為在低成本硬件環(huán)境中研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了條件。
虛擬場景渲染建筑物虛擬現(xiàn)實常常要表現(xiàn)一個龐大的建筑群。對于較小的場景, 可以很快地完成渲染; 但對于復(fù)雜的大型場景, 一旦超過計算機物理內(nèi)存能力, 由于需要使用虛擬內(nèi)存, 渲染時間將會增加十幾倍甚至數(shù)十倍, 慢到令人難以忍受的程度。當(dāng)然, 可以根據(jù)計算機內(nèi)存的大小來控制場景規(guī)模, 使得所有的渲染工作都在計算機物理內(nèi)存中完成, 但有時也會遇到必須處理大型場景的情況。解決這一問題的辦法是, 把虛擬現(xiàn)實場景分解為可直接在物理內(nèi)存中完成渲染的若干組, 分組進(jìn)行渲染。這種方法無論對預(yù)制還是實時動畫, 都是行之有效的。在交互式漫游過程中, 可根據(jù)觀察者當(dāng)前時刻所處的位置, 將場景分為若干個動態(tài)子塊, 在遠(yuǎn)方不斷地、動態(tài)地實時生成新的動態(tài)模塊。這一技術(shù)不僅可以節(jié)約渲染時間, 而且可以有效地避免在交互式漫游過程中走到天盡頭, 甚至掉到宇宙中這樣的問題。
虛擬攝影機設(shè)置
虛擬攝影機焦距設(shè)置在建筑物虛擬現(xiàn)實中, 虛擬攝影機是對虛擬觀察者眼睛的模擬, 一般情況下焦距應(yīng)與人的正常視野接近, 即為35 mm 左右。當(dāng)焦距小于28 mm 時或大于50 mm 時, 均不能正確反映建筑物的透視關(guān)系, 要么畸變, 要么景深過小。除非有特殊需要, 攝影機焦距一般應(yīng)設(shè)置在35 mm 左右。
虛擬攝影機高度設(shè)置虛擬攝影機高度一般應(yīng)接近人眼平均高度, 一般攝像機的高度在17 m。而且在漫游過程中, 虛擬攝影機應(yīng)盡量保持平視, 即攝影機與攝影機目標(biāo)點高度相同。當(dāng)需要仰視或俯視, 而物體變形太大時, 可適當(dāng)增加焦距。
動畫運動速度控制
因為虛擬攝影機代表觀察者的眼睛, 所以, 如何把虛擬攝影機看到的與觀察者在虛擬場景中觀察到的聯(lián)系起來, 就極為重要了。在考慮虛擬場景中動畫的運動速度時, 作為動畫創(chuàng)作者需要認(rèn)真考慮觀察者會有什么樣的速度感覺, 以及這種感覺是否適合于計算機動畫。攝影機通過場景的速度快, 場景運動得就快, 觀察者感覺得速度就快。特別是當(dāng)動畫中出現(xiàn)熟悉的物體, 例如建筑物、家具和汽車時, 觀察者就會有很強的相對速度的感覺, 這時創(chuàng)作者應(yīng)花一點時間來考慮一個人在給定的環(huán)境中, 應(yīng)當(dāng)走多快才能看清場景。
虛擬觀察者運動模擬
步行模擬步行模擬是模擬觀察者在虛擬環(huán)境中漫步。在實際生活中, 當(dāng)觀察者經(jīng)過一個地方時, 眼睛留下的印象不會是簡單地從一邊看到另一邊, 有時會停下來, 看一下詳細(xì)情況或環(huán)境。當(dāng)觀察者注意到比較關(guān)心的目標(biāo)時, 常常會忘了單純的散步。重建這種印象, 就是產(chǎn)生有趣動畫的過程。這實際上是由制作者代替觀察者事先決定什么值得一看, 以及怎樣看。在交互式漫游時, 則是通過交互方式, 由操作者選擇看什么以及看。
旋轉(zhuǎn)模擬在制作虛擬環(huán)境中的漫游動畫時, 旋轉(zhuǎn)路徑最容易引起返工。其原因往往是制作時未能對漫游動畫中的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行深入的探究。漫游動畫中的旋轉(zhuǎn)可分兩種情況: ( 1) 視點不變, 攝影機作圓弧運動或曲線運動。例如, 用回轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)建筑物外觀。就相對運動而言, 此時本質(zhì)上相當(dāng)于讓物體旋轉(zhuǎn)。盡管此時每一幀畫面都在發(fā)生變化, 但觀察對象始終在畫面內(nèi)。一般借助于虛擬物體可較好地完成這種旋轉(zhuǎn)。 ( 2) 視點變化, 攝影機坐標(biāo)不變或作曲線運動。例如, 掃視環(huán)境或模擬觀察者的轉(zhuǎn)身、轉(zhuǎn)彎動作。此時不僅每一幀畫面都在發(fā)生變化, 而且觀察對象也時刻在改變, 除非運動速度非常緩慢( 當(dāng)然將耗費大量幀數(shù)) , 否則很難看清楚動畫內(nèi)容。對大多數(shù)人來說, 合適的轉(zhuǎn)動速度大約是每秒轉(zhuǎn)動 45。如果需要在轉(zhuǎn)動過程中仔細(xì)觀察, 每秒就只能轉(zhuǎn)動15~ 20。
建筑物虛擬現(xiàn)實漫游
建筑物虛擬現(xiàn)實漫游一般都要表現(xiàn)該建筑物所處的虛擬地理環(huán)境、建筑物全貌, 以及該建筑物的各種附屬設(shè)施, 常采用瀏覽和鳥瞰的方式進(jìn)行。在瀏覽式漫游中, 為了給人以身臨其境的感覺, 應(yīng)力求減少鏡頭切換, 依靠巧妙的漫游路徑設(shè)計, 用連續(xù)的鏡頭, 一氣呵成地完成所要表現(xiàn)的內(nèi)容。此外, 為了在整個漫游過程中正確表現(xiàn)主體對象與周圍景觀的透視關(guān)系, 虛擬環(huán)境建筑群也應(yīng)使用三維模型, 而不宜用背景貼圖替代。為了節(jié)省渲染時間, 除該建筑群與少數(shù)表現(xiàn)地理特征的建筑物外, 其余作為襯托的建鳥瞰式漫游的主要優(yōu)點是居高臨下, 整個虛擬建筑結(jié)構(gòu)布局一覽無遺, 而且十分自由, 可以省去模擬觀察者在建筑物內(nèi)穿行、轉(zhuǎn)身之類動作的麻煩。筑物模型應(yīng)盡可能簡略。
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