基于環(huán)境設(shè)計教學(xué)的虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

摘 要：虛擬漫游技術(shù)作為當下的設(shè)點數(shù)字技術(shù)之一，它實質(zhì)上是一種交互式高級人機界面，利用虛擬漫游技術(shù)可以模擬實時交互的三維虛擬環(huán)境，使用戶獲得沉浸式體驗。環(huán)境設(shè)計屬應(yīng)用型學(xué)科，基于虛擬漫游技術(shù)開發(fā)的虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)，可以達到豐富教學(xué)手段、提高學(xué)習(xí)成效、提升專業(yè)影響力的目標，具有較高的創(chuàng)新與應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：環(huán)境設(shè)計;教學(xué);虛擬漫游技術(shù)

虛擬漫游技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要分支，其實質(zhì)上是一種交互式高級人機界面，通過計算機圖形學(xué)、人機接口和多傳感技術(shù)等，構(gòu)建一個可實時交互更迭的三維虛擬空間環(huán)境;通過視點與空間的關(guān)聯(lián)變化，形成用戶與虛擬場景的交互動態(tài)關(guān)系，從而使用戶在環(huán)境漫游中獲得沉浸式體驗。20世紀90年代起，漫游技術(shù)初步應(yīng)用于建筑行業(yè)，并在相關(guān)領(lǐng)域得到迅速推廣和發(fā)展。我國一些重點高校如浙大、清華、北京航空航天大學(xué)對該技術(shù)進行了積極投入和研發(fā)，并在視景技術(shù)、三維圖形算法、建模方法等方面取得了一系列重要突破。1996年，天津大學(xué)在SGI硬件平臺上開發(fā)了基于VRML標準的虛擬校園系統(tǒng);其后國內(nèi)高校相繼推廣，我國多所高校制作發(fā)布了校園實景漫游系統(tǒng)。上述研究成果不斷推進虛擬現(xiàn)實核心技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。近年來，該技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計和城市規(guī)劃領(lǐng)域，相關(guān)研究也以此為主。相對于上述領(lǐng)域，環(huán)境設(shè)計專業(yè)中對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究較少，研究力度遠遠滯后于快速增長的市場需求。本文立足于高校環(huán)境設(shè)計教學(xué)，將數(shù)字漫游技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)教學(xué)，通過虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，達到豐富教學(xué)手段、提升教學(xué)水平的目的。

1 虛擬漫游技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 符合國家信息化戰(zhàn)略，對接專業(yè)市場需求

隨著國家對信息技術(shù)的高度重視和有效推進，虛擬漫游作為當下的熱點數(shù)字技術(shù)之一，其借高沉浸感、多感知性和實時交互性的優(yōu)勢，迅速應(yīng)用于建筑、工業(yè)設(shè)計等環(huán)境展示領(lǐng)域。環(huán)境設(shè)計屬于應(yīng)用型學(xué)科，應(yīng)以市場驅(qū)動為導(dǎo)向，對接行業(yè)市場需求。數(shù)字虛擬漫游和交互性技術(shù)在教學(xué)資源開發(fā)中的應(yīng)用，符合專業(yè)發(fā)展需要，有利于教學(xué)研究與行業(yè)需求的有機銜接。

1.2 拓展和豐富教學(xué)手段，有利于提高學(xué)習(xí)成效

環(huán)境設(shè)計專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)手段以CAD制圖結(jié)合MAX制作效果圖進行方案設(shè)計與評價，教學(xué)過程中學(xué)生對空間環(huán)境的觀察囿于角度、方位、時段等諸多因素，缺乏與空間的互動，限制了概念深化和創(chuàng)新思維的延展，教學(xué)對新媒體技術(shù)的需求迫在眉睫。數(shù)字漫游技術(shù)的介入，突破了教學(xué)瓶頸，將學(xué)生對靜幀圖像的理解轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂虚_放性、實時性特征的多感官交互空間，有助于環(huán)境的臨場性體驗和對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集分析，為深化思路、細節(jié)提供了有力支持，也為教學(xué)方式開拓了新的途徑。

2 基于環(huán)境設(shè)計教學(xué)的虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

2.1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)服務(wù)于教學(xué)的虛擬環(huán)境交互漫游系統(tǒng)

環(huán)境設(shè)計專業(yè)在課程教學(xué)中面臨的主要問題是，現(xiàn)有教學(xué)資源和技術(shù)難以滿足教學(xué)內(nèi)容對空間環(huán)境的實時交互性需求。研究開發(fā)一套服務(wù)于體驗式教學(xué)的桌面式環(huán)境交互漫游系統(tǒng)，不僅可以增強學(xué)生對設(shè)計方案的實時感受和理解能力，提高方案精準度，而且也支持學(xué)生上傳優(yōu)秀設(shè)計方案，滿足資源庫雙向建設(shè)、同步更新的要求。建成后的系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：第一，可實現(xiàn)在三維虛擬環(huán)境下對教師建設(shè)的場景資源進行自主漫游和運動控制，或沿指定路徑對整個場景進行自動漫游，支持用戶在虛擬環(huán)境中以動態(tài)和交互方式對空間環(huán)境進行身臨其境的全方位審視。第二，支持通過硬件傳感設(shè)備進行交互操作，通過頭盔顯示器等硬件設(shè)備，實現(xiàn)用戶對虛擬環(huán)境真實自然的沉浸式交互體驗。第三，該系統(tǒng)服務(wù)于課堂教學(xué)，支持教師結(jié)合授課內(nèi)容進行環(huán)境實時交互演示和方案評價;允許學(xué)生上傳發(fā)布教師審核通過的交互模型，整合教學(xué)成果，逐步充實和完善系統(tǒng)資源。

2.2 拓寬系統(tǒng)服務(wù)觸及面，搭建本專業(yè)與地方、社會間的交互平臺

為進一步拓寬漫游系統(tǒng)服務(wù)的范圍，增強系統(tǒng)利用率，開發(fā)建成后的系統(tǒng)資源不僅服務(wù)于課程教學(xué)，也可作為本專業(yè)面向社會的教學(xué)信息推送平臺，面向公眾展示優(yōu)秀教學(xué)成果，以構(gòu)建高校與用人單位之間直觀、有效的溝通橋梁，達到提升專業(yè)社會影響力、促進招生和就業(yè)的目的。出于資源的優(yōu)越性和開發(fā)的可行性考慮，項目資源建設(shè)可面向本專業(yè)創(chuàng)作周期最長、藝術(shù)和技術(shù)水平都相對成熟的畢業(yè)設(shè)計方向滲透，與畢業(yè)創(chuàng)作過程結(jié)合，甄選優(yōu)秀設(shè)計方案制作和開發(fā)虛擬場景資源，配合畢業(yè)設(shè)計展覽同步面向社會推送教學(xué)成果。同時，系統(tǒng)的服務(wù)面也將進一步延展到社會大眾和相關(guān)用人單位，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)資源交互。

3 虛擬漫游系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)問題

3.1 虛擬環(huán)境的建模和優(yōu)化技術(shù)

場景建模技術(shù)是環(huán)境漫游系統(tǒng)開發(fā)的首要環(huán)節(jié)，在處理三維模型創(chuàng)建、調(diào)整、優(yōu)化面數(shù)等方面具有重要意義。良好的模型資源計算方法可以大大提高場景繪制的精度和效率，減少后期制作的成本和周期。建模軟件的評價指標主要包括精度、面數(shù)優(yōu)化及其與后期軟件的兼容性。綜合考慮上述因素，可采用3DSMax和GeogleSketchup建模，其優(yōu)勢是業(yè)內(nèi)普及面廣、模型庫相對豐富。但無論采用哪種建模方式，對模型的技術(shù)規(guī)范都應(yīng)達標，一個精簡、規(guī)范的模型文件對后期程序的控制管理至關(guān)重要。

3.2 虛擬場景的材質(zhì)、光效處理技術(shù)

真實自然的材質(zhì)和光影效果是影響場景表現(xiàn)力與感染力的關(guān)鍵要素。對虛擬漫游場景進行高真度還原有3個技術(shù)指標。第一，渲染軟件的材質(zhì)編輯和管理能力及對材質(zhì)貼圖表面紋理、反射、折射等屬性的處理能力。第二，對場景燈光分布方式、燈光照度、光影光斑的高還原度以及渲染器對光線性能優(yōu)化的計算方法和計算效率。第三，圖像分辨率和畫面刷新率。其中，畫面刷新率是指實時建模的畫面刷新速度，它決定了建模的效率;圖像分辨率是指輸出畫面的清晰和細膩程度，它決定了輸出影像資源在細節(jié)上的真實程度。Max創(chuàng)建的模型可配合Vray渲染引擎來完成材質(zhì)調(diào)節(jié)、布光和全景輸出的流程，Sketchup模型基于Vray的功能不夠完整，可導(dǎo)入Lumion進行編輯和實時渲染。

3.3 交互界面的編輯和發(fā)布

交互編輯和輸出是實現(xiàn)漫游的決定性環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)的決定性因素是系統(tǒng)制作的資源調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)。一般來說，一個漫游系統(tǒng)通常需要多幅全景畫面才能拼接為一個豐富、完整的虛擬空間環(huán)境，實現(xiàn)用戶對場景的總體瀏覽。但事實上，每幅全景圖的數(shù)據(jù)量都在十幾到幾十MB，無法一次全部調(diào)入內(nèi)存;即使單幅場景也往往需要分割為許多部分，每次僅僅加載一個子圖像，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的漫游路徑加載下一幅圖像。因此在系統(tǒng)編輯過程中，對編輯軟件的資源調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)的性能要求至關(guān)重要。綜合上述考慮，利用Pano2VR進行交互界面的編輯制作，可更加快速高效地設(shè)置交互熱點、添加文本，嵌入音視頻，成果最終發(fā)布為基于Flash的SWF格式文件或支持iPhone/iPad等移動終端的HTML網(wǎng)頁文件，以實現(xiàn)交互瀏覽。

4 虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)的創(chuàng)新與推廣價值

虛擬環(huán)境漫游系統(tǒng)應(yīng)用和服務(wù)于環(huán)境設(shè)計教學(xué)，不僅拓寬了該技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，也為教學(xué)模式開辟了新的研究思路，具有較高的借鑒和推廣價值。其創(chuàng)新點在于，整個系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用和建設(shè)是一個良性循環(huán)的過程，在上述過程中，學(xué)生既是系統(tǒng)的使用者和受益者，也是參與資源開發(fā)的建設(shè)者。這種開發(fā)模式不僅極大地節(jié)省了教師的精力支出，提高了建設(shè)效率，而且也增強了學(xué)生對系統(tǒng)建設(shè)的參與度，更在實踐中鍛煉了學(xué)生的職業(yè)技術(shù)能力和自主創(chuàng)新能力。

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作者簡介：王慧卿（1978—），女，山東濱州人，碩士，從事環(huán)境藝術(shù)設(shè)計與理論研究。