□ 刊發(fā)于《中外建筑》
2006年第01期
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革新城市形象設(shè)計--虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用淺析
李玉婷 蒲小瓊
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摘 要：本文探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市形象設(shè)計這一領(lǐng)域的優(yōu)勢，并分析了傳統(tǒng)應(yīng)用方法的不足，在此基礎(chǔ)上提出了建立城市形象立體交互系統(tǒng)的一套具體工作流程，再結(jié)合實例展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市形象設(shè)計中的廣闊前景。
關(guān)鍵詞：城市形象；城市形象設(shè)計；虛擬現(xiàn)實
Abstract: The article explorel the advantage of application of virtual reality in design of city image, and analyzel the disadvantage of traditional application methods. On the foundation of those analysis, advances a set of specific work flow to build a three-dimensional interactive city image system, and illustrates a great future of the application.
Key words: city image; design of city image; virtual reality
中圖分類號：TP391；TU984
文獻標(biāo)識碼：A
文章編號：1008-0422（2006）01-0006-04
1 引言
城市形象是公眾對一個城市的整體印象、整體感知和綜合評價；是城市景觀形態(tài)客觀的、集中的表述。完整意義上的城市形象由城市建設(shè)理念、城市規(guī)劃設(shè)計和城市形象設(shè)計三部分組成，其中城市形象設(shè)計是城市建設(shè)理念和城市規(guī)劃的完善和延續(xù)，它可以把城市中可視的物質(zhì)實體及環(huán)境視覺要素規(guī)范化、象征化、符號化，并通過整合構(gòu)建城市具有識別性的形態(tài)[1]。
傳統(tǒng)的城市形象設(shè)計方式一般為：方案工作模型、效果圖和三維動畫。在傳統(tǒng)設(shè)計方式中，制作方案工作模型需要將城市模型經(jīng)過大比例尺縮小，這樣只能獲得城市的鳥瞰圖形象，無法讓人們從正常的視角來感受城市的環(huán)境空間；效果圖只能提供靜態(tài)的、局部的視覺體驗；三維動畫雖然有較強的動態(tài)三維表現(xiàn)力，但不具備實時的交互性，在方案的修改及其路線的變化方面需要重新計算，這既不方便設(shè)計師的動態(tài)推敲和方案調(diào)整，也不便于客戶對方案提出即時的、具有針對性的修改意見。因此，在城市形象設(shè)計工作中，我們迫切需要一種具有易修改性和良好交互性的“真實的”表現(xiàn)手法，以滿足設(shè)計師和用戶的需求。為此，筆者從虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念和特點入手，探討在城市形象設(shè)計中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢和方法，并提出了基于模型的三維體驗式城市形象立體交互工作系統(tǒng)。
2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念和基本特征
虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是20世紀(jì)90年代以來興起的一種新型信息技術(shù)，也是一種計算機界面技術(shù)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等）,通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中,實現(xiàn)用戶與環(huán)境直接地自然交互。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)有三個基本特征：沉浸感、交互性和構(gòu)想。其中沉浸感是指在VR系統(tǒng)中，用戶與計算機的交互方式就像現(xiàn)實中人與自然交互一樣，用戶可以完全沉浸到通過計算機創(chuàng)建的環(huán)境中去；交互性是VR系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)三維動畫的特征，用戶不再被動地接受計算機所給予的信息，而是能夠使用交互設(shè)備來操縱虛擬物體，以改變虛擬世界；構(gòu)想則是指用戶可以利用VR系統(tǒng)從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識，從而深化概念、萌發(fā)新意[2]。正是對這種身臨其境的真實感和對超越現(xiàn)實的虛擬性的追求，推動了VR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，VR技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)、設(shè)計、教育、軍事、醫(yī)學(xué)和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并帶來了巨大的經(jīng)濟效益。
3 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入城市形象設(shè)計
3.1 VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用歷史
將VR技術(shù)引入到城市規(guī)劃和仿真設(shè)計的起源可以追溯到20世紀(jì)80年代初期，當(dāng)時美國Skidmore和Merrill兩個城市就在城市建設(shè)上應(yīng)用了3D城市仿真技術(shù)，而始于90年代中期的虛擬洛杉磯項目和費城城市模型，則是當(dāng)今城市仿真模型中最復(fù)雜、最成功的系統(tǒng)。目前，歐美等發(fā)達國家已經(jīng)廣泛地將VR技術(shù)應(yīng)用到了城市規(guī)劃和設(shè)計領(lǐng)域。
20世紀(jì)80年代中期，我國的北京、深圳、�？�、廣州、濟南等城市開始應(yīng)用“城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)”。進入90年代，更多城市進一步將計算機技術(shù)應(yīng)用到城市規(guī)劃管理與設(shè)計中，如深圳和上海分別為福田中心區(qū)和浦東新區(qū)建立了城市模擬系統(tǒng)，“虛擬城市”的研究和設(shè)計在我國開始起步[3]。
3.2 VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢
較之于傳統(tǒng)的城市形象設(shè)計方法，基于VR技術(shù)的城市形象設(shè)計具有以下優(yōu)勢：
（1）基于VR技術(shù)的城市形象設(shè)計可以以多種運動方式和從特定的角度去感受城市空間。在這種虛擬環(huán)境中，人們可以步行、車行甚至飛行等方式在運動中感受城市的形象，也可以從某些特定觀察角度體驗城市空間，如在城市制高點上俯瞰全城，在城市的入口處、主要景觀軸線上、主要城市廣場和街道上感受城市的形象。
（2）基于VR技術(shù)的城市形象設(shè)計可以進行三維空間的綜合信息交流。利用這種虛擬環(huán)境，可以把人們對環(huán)境空間的感受，用不同的壓力表示出來，通過頭盔和數(shù)據(jù)手套等VR設(shè)備傳遞給觀察者，從而拓展了設(shè)計師控制未來城市形象的能力[4]。
（3）基于VR技術(shù)的城市形象設(shè)計可以進行實時多方案比較。在虛擬的城市三維空間中，可以實時地切換不同的方案，然后在同一個觀察點或同一個觀察序列中感受不同的城市形象；當(dāng)然，也可以對某個特定的局部要素，如建筑物的高度或色彩、行道樹的種類、雕塑等小品的尺寸、廣場鋪地圖案等做修改，并實時地與修改前的方案進行比較推敲，從而大大提高了方案的設(shè)計速度和評估質(zhì)量。
（4）基于VR技術(shù)的城市形象設(shè)計，加強了宣傳效果，可以輔助政府決策和促進公眾參與。VR技術(shù)提供的實時互動的真實規(guī)劃效果，使決策者、城市建設(shè)部門、城市管理部門和公眾能夠更好地掌握城市的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展，理解城市的建設(shè)理念和規(guī)劃意圖，從而為政府和公眾之間有效的合作提供了理想的平臺。
將VR技術(shù)應(yīng)用于城市規(guī)劃和城市仿真設(shè)計,一方面，設(shè)計師可以將各種規(guī)劃和設(shè)計方案定位于虛擬環(huán)境中,由此去考慮這些方案對現(xiàn)實環(huán)境的影響,并對各種方案進行比較、修改；另一方面，用戶也可以提前在虛擬環(huán)境中真實地感受空間設(shè)計的合理性、舒適性和實用性，并對各種方案進行評價、選擇。這樣，既避免了在實際建造中浪費不必要的時間和資金,又能大大提高城市設(shè)計評估質(zhì)量。
3.3 VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用方法
3.3.1 VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的傳統(tǒng)應(yīng)用方法
VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用始于VR技術(shù)在建筑和工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。建筑設(shè)計者用CAD或3DMAX工具對建筑物進行設(shè)計和建模，然后通過3DMAX制成動畫。這樣的虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然具有較強的動態(tài)三維表現(xiàn)力，卻不具備實時的交互性，基本上不能及時輔助設(shè)計師動態(tài)推敲和調(diào)整方案。
3.3.2 VR技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用分類
隨著研究的不斷深入，VR技術(shù)發(fā)展迅速，種類非常多。它們在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用大致可以分為兩類：基于模型的三維體驗式技術(shù)和基于照片的全景技術(shù)。
（1）基于模型的三維體驗式技術(shù)。這種技術(shù)的思路是：首先制作一個矢量化的3D模型，然后開發(fā)一個實時渲染引擎，并傳輸模型文件以及在本地做實時渲染，最終顯示具有交互性的3D圖形和動畫。這種技術(shù)立體感、空間感強，給人的真實感也就非常強，是最有發(fā)展前景的VR開發(fā)方向。
基于這類技術(shù)的國外VR軟件有： MultiGen系列仿真軟件（Creator、Vega等）、虛擬現(xiàn)實建模語言——VRML、新一代的三維圖形規(guī)范——X3D、Cult3D、Viewpoint、Atmosphere、B3D、Java3D、EON Studio等。另外，CityMaker 和Rocket3D Studio是基于此技術(shù)的兩款具有代表性的國產(chǎn)VR軟件。它們均具有簡單易用、渲染效果較好、性價比較高的優(yōu)點。
（2）基于照片的全景技術(shù)。這種技術(shù)主要通過圖片或者相片的縫合，實現(xiàn)自由的風(fēng)景環(huán)視和對物體的三維拖動顯示。此技術(shù)具有一定的交互性，但由于它是圖片模擬的，所以空間感不是很強，也正因為這個原因，它比之一般的三維體驗式現(xiàn)實速度快，在計算機計算速度還不是很快的現(xiàn)狀下這將是一種很好的虛擬現(xiàn)實解決方法。
實現(xiàn)全景虛擬現(xiàn)實的解決方案非常簡單，只要是能編寫程序或縫合照片的軟件，基本都可以用在全景制作的過程里面，例如：Java、Flash、QuikTime 等現(xiàn)在很流行的軟件經(jīng)常用于全景虛擬現(xiàn)實的制作，其中以QuikTime居多。目前國內(nèi)外多數(shù)的全景軟件只能完成柱形全景的制作，并且大多數(shù)都是基于Java技術(shù)而延伸開發(fā)的，如Ulead Cool360、MGI Photo Vista、VR Toolbox、PixMaker等[5]。
3.3.3 基于VR技術(shù)的城市形象立體交互工作系統(tǒng)
在對真實感、交互性要求較高的城市形象設(shè)計工作中，基于模型的三維體驗式技術(shù)是我們的首選。本文將該技術(shù)與城市形象設(shè)計結(jié)合，首先把收集到的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)（包括城市內(nèi)外調(diào)查分析和城市定位的信息資料、城市建設(shè)相關(guān)工程數(shù)據(jù)、設(shè)計規(guī)劃等）進行整理和提煉，然后在3D建模軟件或者建模語言中建立實物模型場景，再導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件中給對象相應(yīng)事件和行為來觸發(fā)對象做出響應(yīng)，得到可交互的虛擬現(xiàn)實場景，最后將此場景在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布或者在多媒體上進行演示。實現(xiàn)此城市形象立體交互的工作系統(tǒng)可以用圖1來表示。
4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市形象設(shè)計中的應(yīng)用示例
在一項九寨溝縣城市形象咨詢工作中，筆者應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對咨詢方案進行了展示。
位于阿壩州境內(nèi)北部之川、甘兩省交界處的九寨溝縣擁有非常豐富的自然資源和人文資源，該縣中南部即坐落著馳名中外的九寨溝景區(qū)，因此將其城市形象設(shè)計的理念定位于“生態(tài)旅游城市”和“民族風(fēng)情地區(qū)”。為了更形象地說明此咨詢方案，便于客戶的理解和開展下一步的工作，我們運用了VR技術(shù)。
在此項方案的展示工作中，考慮到3DS Max具有快速、參數(shù)化的多邊形建模和方便的材質(zhì)調(diào)整等優(yōu)點，并且與很多主流軟件都有良好的接口，我們選擇它作為場景建模的主要軟件；在實現(xiàn)場景漫游驅(qū)動的軟件選擇上，我們選用了Cult3D，主要利用它能在低寬帶網(wǎng)速上高質(zhì)量地渲染3D對象、允許用戶在線配置設(shè)計方案以及可以作為元素插入到Word和Acrobat等文檔中使用等優(yōu)點，以滿足城市形象設(shè)計中多方案的實時比較和在各種多媒體上的展示需求；另外，在使用Cult3D的過程中還運用了Java Action Script(Java動作腳本,簡稱為JAS)進行程序開發(fā)，增強了Cult3D的交互性和擴展性，使其可以更好地滿足具體工作中某些特定需求。圖2所示為本展示方案的軟件系統(tǒng)工作流程。
我們截取了展示方案中某道路局部場景的幾幅圖片：圖3為九寨溝縣某道路原始景觀；圖4和圖5為應(yīng)用VR技術(shù)后該道路景觀的兩個設(shè)計方案。在此道路的虛擬現(xiàn)實場景中，用戶可以隨意漫游，從任意角度觀看城市風(fēng)貌，體驗自然、古樸、富有民族特色的環(huán)境氛圍，從而更好地理解“生態(tài)旅游城市”和“民族風(fēng)情地區(qū)”的設(shè)計理念。兩個方案之間的切換，或者某局部要素的單獨修改(建筑物高度、路燈樣式、行道樹種類、公路護壁花紋、鋪地圖案等)僅需通過點擊鼠標(biāo)或鍵盤按鍵，非常便捷。
4 結(jié)束語
本文介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于城市形象設(shè)計中的優(yōu)勢和具體方法，并通過一個城市形象設(shè)計的實例，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市形象設(shè)計中的廣闊前景。
隨著VR技術(shù)的進一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將進一步和RS（遙感）技術(shù)、GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)和Web技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)多用戶環(huán)境的虛擬城市；在輸入工具和演示設(shè)備方面，會更加廣泛地運用到3D位置跟蹤器、傳感手套、觸覺和力反饋的裝置、立體顯示器以及3D聲音生成器等交互設(shè)備，真正實現(xiàn)自然交互。21世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實的時代，在城市科學(xué)的領(lǐng)域中它將向人們展現(xiàn)一種新的生存方式。
參考文獻：
[1] 呂文強. 城市形象設(shè)計[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2002.
[2] 陳定方，羅亞波等. 虛擬設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.
[3] 劉曉艷，林琿，張宏. 虛擬城市建設(shè)原理與方法[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003.
[4] 遲偉. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市設(shè)計中的實踐[J]. 世界建筑，2000，（10）:56-60.
[5] 劉祥. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助建筑設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.
作者單位：四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院
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