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數字仿真與虛擬現實技術概述

   數字仿真與虛擬現實技術概述

  麵對當前知識經濟、信息產業和國防現代化迅速發展的形勢,我國政府、軍隊和企業十分重視信息技術的創新研究和長遠發展,正製定和實施包括基礎研究、高技術 開發和產業攻關在內的各類國家規劃,並已經或準備給予大量投入。作為技術發展重要驅動力的“虛擬現實”,又一次成為人們關注的熱點之一。

  虛擬現實英文為(Virtual Reality)簡稱VR技術,這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾(Jaron Lanier)在80年代初提出的,也稱靈境技術或人工環境。作為一項尖端科技,虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯 示技術、網絡並行處理等技術的最新發展成果,是一種由計算機生成的高技術模擬係統,它最早源自於美國軍方的作戰模擬係統,九十年代初逐漸為各界所關注並且 在商業領域得到了進一步的發展。這種技術的特點在於計算機產生一種人為虛擬的環境,這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型,並編製到計算機中 去生成一個以視覺感受為主,也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境,從而使得在視覺上產生一種沉浸於這個環境的感覺,可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周 圍環境及事物的內在變化,並能與之發生“交互”作用,使人和計算機很好地“融為一體”,給人一種“身臨其境”的感覺。

  虛擬現實的特點與重要意義

  虛擬現實是發展到一定水平上的計算機技術與思維科學相結合的產物,它的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現實的最大特點是:用戶可以用自然方式與 虛擬環境進行交互操作,改變了過去人類除了親身經曆, 就隻能間接了解環境的模式,從而有效的擴展了自己的認知手段和領域。另外,虛擬現實不僅僅是一個演示媒體,而且還是一個設計工具,它以視覺形式產生一個適 人化的多維信息空間,為我們創建和體驗虛擬世界提供了有力的支持。

  由於虛擬現實技術的實時三維空間表現能力、人機交互式的操作環境以及給人帶來的身臨其境感受,它在軍事和航天領域的模擬和訓練中起到了舉足輕重的作用。近 年來,隨著計算機硬件軟件技術的發展以及人們越來越認識到它的重要作用,虛擬技術在各行各業都得到了不同程度的發展,並且越來越顯示出廣闊的應用前景。虛 擬戰場、虛擬城市、甚至“數字地球”無一不是虛擬現實技術的應用。虛擬現實技術將使眾多傳統行業和產業發生革命性的轉變。

  虛擬現實係統的組成

  一般的虛擬現實係統主要由專業圖形處理計算機、應用軟件係統、輸入設備和演示設備等組成。

  硬件平台

  由於虛擬現實本身的複雜性,產生虛擬環境所需的計算量極為巨大,這對中心計算機的配置提出了極高的要求。目前,國外的VR係統一般配備有SGI或SUN工 作站;大型的虛擬現實係統,采用的是計算機並行處理係統。這些超級計算機雖然性能超群,但是價格非常昂貴,入門級的係統往往也要數十萬美金以上。

  軟件係統

  虛擬現實的軟件係統是實現虛擬技術應用的關鍵。虛擬技術在國外的應用比國內早,培育出一些大型的VR開發及演示軟件,但他們在建築、城市規劃領域應用有較大的先天不足。主要問題包括:軟件應用需要二次開發、與行業特點結合不夠緊密以及價格比較昂貴等。

  輸入工具和演示設備

  虛擬現實技術的特征之一就是人機之間的交互性(interaction)。為了實現人機之間充分交換信息,必須設計特殊輸入工具和演示設備,以識別人的各 種輸入命令,且提供相應反饋信息,實現真正的仿真效果。不同的項目可以根據實際的應用可以有選擇的使用這些工具,主要包括:

  頭盔式顯示器 、 跟蹤器 、 傳感手套 、 屏幕式、房式立體顯示係統

  三維立體聲音生成裝置

  最具吸引力的領域

  虛擬現實是一項難度很大的綜合技術,要達到逼真的多種感覺和實時的自然交互是非常不容易的。例如:逼真的立體視感(沉浸感)需要寬視野和高分辨率的顯 示設備,而現有的頭盔顯示器不僅分辨率低、價格貴,而且帶在頭上更是不方便;又如,要對大型地理數據(如地形圖)進行三維瀏覽和交互處理,往往響應時間很 慢;至於觸覺反饋或嗅覺設備離實用更有很大距離,等等。

  虛擬現實涉及的關鍵技術主要有:大規模數據的場景建模技術;動態實時的立體視覺、聽覺等生成技術;三維定位、方向跟蹤、觸覺反饋等傳感技術和設備;符合人類認知心理的三維自然交互技術;三維交互軟件及係統集成技術等。

  由於虛擬現實具有極其重要的應用前景,因而促使人們不斷去創新、克服困難!哪些方麵是最有吸引力的虛擬現實應用領域呢?

  軍事:美國國防部和軍方認為:虛擬現實將在武器係統性能評價、武器操縱訓練及指揮大規模軍事演習三方麵發揮重大作用。他們製定了戰爭綜合演示廳計劃、防務仿真交互網絡計劃、綜合戰役橋計劃及虛擬座艙等應用環境,並在核武器試驗及許多局部戰爭中進行了應用。

  航天航空:美國宇航局是虛擬現實最早的研究單位和應用者。宇宙飛船及各類航空器是需耗費巨資的現代化工具,而進入宇宙有大量未知、危險的因素,因而模擬各種航空器可能遇到的環境,不僅可節省大量費用,而且是十分必要的。虛擬風洞就是一例。

  計算機輔助設計:各種工業產品、建築物均需反複構思和設計,但往往用戶仍不滿意。美國波音公司Butler設計了一架稱為VS-X的虛擬飛機,它可使 設計人員有身臨其境觀察飛機外形、內部結構及布局的效果。建築設計師可在蓋樓前通過虛擬建築物,讓用戶自己來觀察外形和內部房間部位,也便於設計師修改設 計。

  外科手術和人體器官的模擬:外科醫生的培訓是一項投資大、時間長的工作,這是因為不能隨便讓實習醫生在病人身上動手術,可是不親自動手,又如何學會手 術呢?虛擬手術台已能部分模仿外科手術的現場。同樣,提供模擬的人體器官,可讓學生逼真地觀察器官內部的構造和病灶,具有極高的實驗價值。

  科學研究和計算的可視化:各種分子結構模型、大壩應力計算的結果、地震石油勘探數據處理等,均十分需要三維(甚至多維)圖形可視化的顯示和交互瀏覽,虛擬現實技術為科學研究、探索微觀形態等提供了形象直觀的工具。

  遠程控製:虛擬現實可采用遙控手段,通過機械手、機器人對危險或有毒環境進行操作。

  教育、遊戲與其他:這是向人們,尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的好機遇,它具有三維聲像效果,能進行交互操作的功能,因而已被商家們看好,競相開發低檔虛擬現實產品。

  數碼技術在建築工程中的應用

  一、曆史

  1963年電腦具備了繪圖能力,將電腦繪圖(computer graphics)的功能運用到建築設計,便是建築中第一代CAD—電腦輔助繪圖(computer—aided drafting)。

  自20世紀60年代起,將電腦在人工智能上的發展應用到建築設計思考過程中,以及用電腦繪圖功能來記錄大量“建築圖文資料”,這一過程稱為電腦輔助設計CAD——(computer—aided design)。這一直到今天仍是重要的發展方向。

  1990年起,電腦的數碼影像處理與合成技術日漸成熟,再加上電腦模擬與動畫發展也趨健全,此時電腦在許多設計學科中不再隻是被視為“工具”,而是進一步 成為思考與表現設計理念與操作方式的“媒體”(media)。因此出現了電腦媒體化設計(computer—mediated design)—CAD。甚至被直呼為電腦設計(design with computer)——DWC。這一階段著名的代表是美國設計大師Frank gehrg 和Peter Eisenman。他們在世界各地的設計作品,完全稱得上是一次革命。

  自1993年互聯網浪潮帶給建築業更大的衝擊。一方麵,將全球的距離完全拉近以及將全球的建築資源完全整合,形成所謂“網絡輔助設計”(internet —aided design)——IAD或“網際設計”(web—based design)——WBD。另一方麵,網絡能形成的網際空間(cyberspace networked space),更是從根本上打破了建築向來以點、線、麵等幾何關係所構建的空間概念。大約至1995年起,電腦在自由形體(free forms)的塑造支持上日益成熟,再加上能呈現更逼真設計的虛擬實境技術也更成熟,越來越多以前想像的到的建築和空間可被建構、甚至某些已付諸實施,形 成所謂“虛擬建築(Virtual architecfure)與虛擬空間(Virtual space)”。

  二、數碼建築的意義

  2、1 數碼建築是一種新工具。

  如果數碼技術僅僅代表著“電腦繪圖”或“電腦輔助繪圖”不具備任何設計思考過程,則電腦真的隻是種工具。而且,作為工具的數碼技術是第一個新的突破,影響力將大大勝於羅馬時期的平麵或繪圖與文藝複興的建模法。

  2、2 數碼建築是一種新理論。

  如果目前的數碼技術具備了輔助設計思考的能力,同時又能利用網絡來輔助設計方法與設計過程,那麽建築設計自20世紀30年代包豪期的設計方法理論應會大量 改寫。另一方麵,若電腦可作為重要的設計思考媒體,進而透過數碼媒體的特質,產生前所未有的設計思考模式與在此新模式下的建築物,則我們將會見到自16世 紀文藝複興早期的早期思考理論,在停滯了500年後有了重大發展。最近,如果網際空間的經驗可能影響到對實質空間的經驗,而且自由形體和虛擬現實可以營造 出以前無法想像的建築空間“virtual space”,則建築賴以維生的空間理論,將繼埃及的量體空間、希臘羅馬的幾何空間、哥特式的神秘空間、文藝複興後期到巴洛克的動態空間、現代與後現代空 間之後,一種新的建築和城市空間。

  2、3 數碼建築是一個新時代。

  如果把所有的數碼技術整合起來,視為對建築設計具備全麵性的影響因素,並且接受現今人類曆史發展的新時代便是數碼電子時代這樣的觀念,則數碼建築是繼史前 時代、埃及、希臘與羅馬、早期基督教、拜台庭、哥特、文藝複興、巴洛克與洛可可、新古典、現代與後現代之後的一個新的時代。如果是這樣的話,數碼建築將會 全麵改寫建築在產業、社會、文化方麵的影響力,以及引發一種基於數碼性的價值體係,和美學體係(什麽是好的,什麽是美的)。

  三、建築設計界的動向

  3、1 自1990年代以來,幾乎所有的“解構建築大師”都或多或少地采用了數碼技術進行設計,而且已在世界各地建成了不少實物。

  F·蓋裏所設計的西班牙古__海姆美術館已成為城市的新的標誌。在此前後,他還設計了類似自由形體的博物館、辦公樓和美術館,在設計過程中,他的團隊有一位來自法國的軟件工程師,他長期從事航天軟件的開發和研究,正是在他的參與和幫助下,蓋裏的作品才得以完成。

  另外一位解構大師P . 艾森曼也以同樣的方式進行建築構思和設計。例如他在哈佛大學建工學院所做的課題《M—Emeny Games》就是借助量擬技術完成構思。

  其它著名設計師還有D.Libeskind,Tom Mayne,Greg Lynn,Eric Dwen Moss 等人以及OCEAN,VN Studio,Nox等新生代建築事務所。

  在他們的努力下,我們所熟悉的建築基本要素—功能、形式、體量、空間,均已被重新定義。因此國際上已接受一種新的建築—數碼建築(digital Arditecture)。在建築中,電腦的工具性已被提升為建築的數碼性(digitality of Arditecture)。

  3、2 近10年來,世界上著名的大學都對建築係學生的教育形式,教育內容進行了根本性的修正,這些大學為:哈佛大學、MIT、哥倫比亞大學、瑞士聯邦工業大學(ETH)。這些大學的建築係的課程都進行了調整。

  3、3 世界各地正進行著數碼建築的國際性大賽,台灣舉行的2000年遠東國際數碼建築設計大賽,來自43個國家的244件作品參加了競賽,獲前5名的設計被邀請 到美國俄勤岡大學建築學院任教,成為UN Studia知名事務所擔任設計師。前100名的作品已紛紛被各校建築係選為輔助性教材。

  四、3DVRI在房地產行業和政府決策中的作用

  3DVRI房地產開發設計輔助係統簡介

  作為一種高技術模擬係統和可視化工具,虛擬現實技術在工程性仿真領域有無可比擬的功能和優勢。虛擬現實不僅僅是一個演示媒體,而且還是一個設計工具,它以視覺形式反映了設計者的思想。

  軟件定位:以3DVRI虛擬現實技術平台功能結合房地產項目全程開發各項標準和要求的項目開發設計輔助係統。

  軟件目的:3DVRI房地產開發設計輔助係統可創建一個一體化平台,不僅能使開發商與建築師、規劃師、景觀設計師排除由於技術語言而造成的交流障礙。使交 流更加直觀化、客觀化。而且能讓公司各部門排除由工種不同而造成的溝通障礙,使各部門的工作銜接更緊密,極大地促進了工作效率。係統對項目的每一個階段性 方案都實行動態模擬,互動對比和最佳優化,降低或避免開發風險,減短項目開發周期,降低開發成本從而提高房地產項目全麵決策的科學性和整體開發管理的有效 性。

  2002年7月2日,全國房產開發用地實行招標製度,隨著幾年來的市場成熟度提高,房地產界的競爭會進一步的回歸到產品上來。在杭州,不少著名房地產企業 已意識到這一問題,並且以不同的方式作出響應,這集中表現在:①越來越多的開發商注重產品定位和設計,聘請國外二流或一流的設計師等主持產品設計。②某些 企業正在籌建房產品研究機構,研究範圍包括:行業預測、邊緣產品開發(如景觀房產、教育房產等)。集團遠程操作規範化中國人的居住行為和心理、甚至建築材 料和技術,先進的景觀、建築設計理念等等。③某些以實行進的房產企業已開始從實質上認識產品本身的質量。④越來越多的企業在建設成本的上,對外表和內部的 比例有所變化。

  以上跡象和理論充分說明,杭州乃至中國的房地產已進入一個“產品本位”的時代。作為數碼技術中的領先層麵,3DVRI恰恰在產品決策設計過程中可以發揮巨大的作用。

  4、1 借助於3DVRI係統可使房地產項目開發整合決策過程理性化、直觀化、可試性。

  常規而言,房產品定位過程的5個步驟,它們分別是:①基地評估和項目定位。②規劃設計(總圖),③單體設計,④景觀設計,⑤室內設計。其中尤為重要的是基 地評估和項目定位,通常做法是實地勘察加以圖麵方案。這一過程由於信息獲取的缺失而不斷反複,最終的鳥瞰總圖(概括性)也不能解決以下問題。

  這一方案是否最適合這塊基地?

  這一方案中單位之間相互關係如何?

  同一基地究竟有幾個可行方案?(在規劃條件範圍內)

  發展商為了解決這一問題,通常的應付策略是:①邀請3-5家設計單位做出3-5個方案。②條件允許的話做出基地模型(沙盤)。③利用三維圖麵進行方案論證。

  引進3DVRI係統可以做到:

  ① 基地模擬。

  ② 基地上方案模擬(虛擬)。

  ③ 基地上諸方案替代。

  ④ 單體關係模擬。

  使項目定位階段能非常直觀地進行論證。

  4、2 3DVRI能構築開發商與建築師、規劃師、景觀設計師之間的交流平台,排除由於技術語言而造成的交流障礙。使交流更加直觀化、客觀化。

  4、3 3DVRI使房產品設計一體化。由於目前的設計相互脫節,各專業為了表達自己的設計理念總是簡化其它專業,更重要的是各專業由於服務一個共同的平台而不能 真正的在設計理念上統一和相互理解。3DVRI係統可以在一個係統中使以上幾個專業設計同時展現,也就是說可以同時評估和決策。

  4、4 由於產品設計的脫節,由於產品設計與實際產品之間的不對應性,使得很多發展商造成產品建造過程中的返工和修改,甚至造成產品完成後的隱患。3DVRI可以有效地克服這一問題。三維虛擬便使得開發商在建造之前就可以逼真的觀看到實現後的真正效果。

  4、5 3DVRI還能夠直觀地,最電子化地展示房產品

  現有的展示方法無非是:效果圖、模型和文字。效果圖的失真已經成了共識,致購房者不相信這一表現手段。模型(嚴格的)雖然較為準確,但它的問題是使人永遠 是鳥瞰(附瞰)的角度來看產品。而實際性情況,人們沒有機會鳥瞰真實的房產品。因此也不能真正地從人的尺度去把握單體與前體、單體與總體、單體與環境、單 體與人的關係,可以相信,隨著3DVRI係統的推廣,以後的房交會將會進入一個虛擬世界,每個展位將會大大縮小,甚至一台筆記本電腦就會解決所有問題。

  近年來,虛擬現實技術又有了很大的發展,主要是:1)使用基於圖像的繪製技術(或與圖形繪製相結合),以提高圖形生成的速度;2)各種新的交互設備,譬 如雙手輸入技術,三維力反饋設備,美國Sensable Tech.公司的PHAN?ToM係統等;3)增強現實(Augmented Reality),也稱混合現實,它是將真實環境和虛擬現實的景象結合起來的一種技術,既可減少生成複雜環境的開銷,又便於對實際物體的操作;4)分布式 虛擬現實環境,在因特網(包括高速Inter?net)環境下,充分利用各地資源的優勢,協同開發虛擬現實的應用,如美國大型軍用交互仿真係統 NPSNet及因特網上多人遊戲MUD等;5)多通道人機交互技術,即采用人體多種自然交互手段向係統輸入,如手勢、語音、頭部或身體動作等。

  實際應用的虛擬現實係統大體可分為四類:1)桌麵虛擬現實係統,也稱窗口中的VR,它成本低,主要用於CAD/CAM、建築設計等領域;2)沉浸虛擬 現實係統,使用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來,產生一種身臨其境的錯覺;3)分布式虛擬現實係統,它建立在沉浸虛擬現實係統和分布式交 互仿真(Distributed Interaction Simulation)的基礎上;4)增強現實。

  關於未來的思考

  虛擬現實是技術,還是媒體的欺騙?虛擬現實為何可能?這是一個古老的哲學問題。我們是處在現實中,還是在我們自己的感覺世界中?對於個人來說,更直接的是 感覺世界。以視覺為例,我們看到的一切,不過是視網膜上的影像。從這一角度出發,我們應和心理學家、生理學家一起,認真研究人類的感知問題。虛擬現實有其 二重性:對於人的感官來說,它是真實存在的;對於所構造的物體來說,它又是不存在的。因此,能利用這一技術模仿許多高成本的、對人有危險的、或目前尚未出 現的真實環境,人們可對它進行分析研究、仿真操作及改進設計等。

  技術現狀:虛擬現實目前在技術上仍處於探索中,90年代初有了較大的發展,如CAVE及分布式VR,但後來有一段時間發展相當緩慢,由於響應慢、真實感 差,人們隻是把它當作“玩具”或“演示”而已。近來,隨著因特網技術、基於圖像繪製技術、增強現實等的進展,虛擬現實又有不少新的成果。

  重視人機交互的研究:說到底,虛擬現實是一種新的人機交互範式。與以前任何人機交互形式相比,它有希望徹底實現“和諧的、擬人化的”人機界麵。虛擬現實 係統有三個重要特點:沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和構想性(Imagination),這決定了它與以往人機交互技 術的不同,反映了人機關係的演化過程。在複雜係統中,可能有許多參與者共同在網絡虛擬環境中協同工作,各領域專家需聯合起來開展研究,協同攻關。

  關於信息可視化:信息可視化是科學計算可視化的擴展,通常是指不包括科學計算可視化的其他領域可視化技術,如商業、金融可視化、軟件可視化等。多數情況 下,信息可視化及科學計算可視化並不需要采用昂貴的虛擬現實技術,而用普通二維、三維圖形技術即可達到要求,這樣更便於推廣和普及。

  關於投入:現在各個部門均逐漸重視虛擬現實的研究與開發,並在規劃中給予了較大的投入,這是十分必要的。但我們國家財力有限,應集中各個渠道的經費,開 發一些重點應用,投入使用,以產生效益,而不應該分散財力,隻做幾個“原型”。國家在安排主要財力開發大型“沉浸式虛擬現實係統”的同時,應給予一定的投 入,支持各種小型桌麵虛擬現實係統的研究開發。目前,因特網的應用是一個大好機遇,國外遊戲及教育類的係統已占據了大塊市場,我們應以應用為目標,大力開 發各類桌麵虛擬現實的係統。

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