利用VR/AR进行建筑设计是一种什么样的体验?

2019-01-15 | 作者:洪玉洁

编者按:自虚拟现实(VR)和增强现实(AR)诞生之初,人们就对它们报以极大的关注。VR和AR以其逼真的沉浸感和交互性,被广泛应用于游戏、医疗、设计等诸多领域。当VR/AR与建筑设计相遇,又将带来什么样的新奇效果?来自哈佛大学设计学院的洪玉洁博士近期到访微软亚洲研究院,与我们分享了她在建筑设计领域进行的VR/AR应用探索。以下是演讲实录。


洪玉洁博士 哈佛大学设计学院

很高兴能来到微软亚洲研究院与大家分享我个人对VR和AR在建筑学领域的应用进行的探索。

VR和AR是都是三维的用户界面,而建筑设计是一种三维的设计,所以我认为建筑设计领域将是VR和AR发展的重要应用领域。虚拟现实技术使建筑师能够突破时间和空间的限制去构造自己想要的建筑物,这不仅能带给他们一种全新的、“身临其境”的体验,也对提升工作效率有很大帮助。

目前已经有人开始尝试将VR和AR应用于建筑制造中。机器人操作系统的精准度和可重复性对建筑制造和结构具有重要意义,而AR作为一个新兴技术,将具有更多信息的虚拟图层添加到这个系统中。由于用于建筑制造的机械臂相当笨重,所以在较小的制造规模下探索AR/VR和自动化是十分有价值的。

还有许多人尝试将VR和AR作为一种三维设计工具,因为它们能增强设计师在设计和体验空间时的沉浸感,数字空间和现实空间的融合将对建筑师进行概念设计、参与设计讨论并做出决定,以及人与公共空间的互动带来革命性的改变。VR和AR,作为三维交互界面,为技术人员提供了一个开放的设计空间,使得各种工具和应用软件能够帮助到建筑师的设计过程,使得用户能在游戏环境中感受设计过程。这是一种让用户理解建筑设计的有效方式,同时,也推动了设计的民主化。

下面,我将与大家分享我对VR和AR在建筑领域应用进行的一些探索。

VR/AR与建筑采光设计

采光一直是建筑设计中非常关键的因素。传统的设计过程中,建筑师更多关注的是像窗户这样有开口的地方,用户只能在大楼建成之后才能体验到光照效果,因此,设计师是没办法提供光照体验的。在现代建筑学中,采光被视为工程问题,主要有两种设计方式,一是光照验证(Daylight verification),二是光照设计(Daylight design)。在传统的线性设计过程中,光照验证在具体设计环节之后,因此,发现采光问题后很难修正,而在集成设计过程中,这种问题得到了一些缓解。通常,在一个设计组中会有不同的人共同应对采光的问题。

我还对现有的采光设计技术进行了一些文献研究。现在有很多光照模拟软件,比如很多同学在用的Diva,但它只能对特定时间内的平均光照进行可视化呈现。目前计算机图形学中的采光设计研究主要集中在光照的模拟和可视化方面,而不能提供具体的、瞬间的光照体验。但是基于计算机图形学的某些技术,瞬间的光照体验是可以实现的。比如很多游戏在制造逼真的光照效果上是十分成功的,它们通过对光照效果的巧妙运用,更好地塑造场景的氛围,给用户更好的体验。

这些效果的呈现主要依赖两大技术:Bloom和HDR(High-dynamic-range imaging),它们都可以应用在VR中。Bloom的作用是让所有明亮的像素以平滑的方式在更大的区域中展开;HDR则是在显示器有限的亮度范围内,更好地反映出真实世界中的视觉效果。另外一种技术是SSAO (Screen space ambient occlusion),目前还不能在VR中应用。它可以实时模拟全球亮度,实时定义光的形状和深度。现在的硬件已经变得更好也更便宜了,这些硬件和软件技术都已经足够成熟,能为人们创造更好的光照体验。

VR采光设计系统

这是我在硕士阶段进行的一项研究,叫做LumiSpace。我搭建了一个VR采光设计系统,供建筑师设计室内采光体验。

在这里,我想先给大家演示下我研究成果的原型:一个VR采光设计系统,可以使建筑师设计室内的采光。视频中的白色部分就是你设计的需要光照的空间,系统会自动生成窗户所在的位置,也就是绿色的部分。在这个系统中有一个全球的光照系统,根据你设计的光照空间,系统会自动生成合适位置和大小的窗户。

这是一种逆向设计光照的方式,在传统的设计中,你需要先设计窗户,然后在建筑完成时才能体验到光照的效果。但是在这个系统中,你也可以在一天中的不同时间,或是一年中的不同季节来体验不同的光照效果,甚至可以设计夜晚时的光照效果。在这个系统中,我们使用三星Gear VR以及它的手柄作为输入设备。这个系统对于一般人来说可能不太美观,但是建筑师却认为它很好看。我们略去了很多细节,这是因为在建筑设计初期阶段中,我们只用简单的模型。你们可能会觉得绿色的部分不像窗户,但这只是给建筑师的一个参考。

为了实现这一应用,我们在软件中依据太阳在天空上的位置和方向,以及太阳光照和亮度的比率,在Unity3D中建立了一个太阳光照模型。用户只需设定具体的时间和地点,光照条件就能自动生成。而且用户可以指定他们希望阳光落在地板上的什么地方,通过计算阳光的方向和位置,建议的窗户位置就会出现。这个系统有几个主要的交互:1)用户可以指定照明区域,系统会生成具有特定位置和大小的窗口;2)用户可以消除照明区域,这样系统就会关闭窗户;3)用户可以在一天的不同时间体验光照效果;4)在夜间,用户可以创建人工光源;5)用户还可以体验到不同的季节的空间。

为了让光照体验更加贴近现实,我们进行了一项实验来对比现实和虚拟的光照感受。我们做了一个装置,它模拟了一个开着窗户的房间,有一个光源在后面移动。我们用这个实验装置观察人们对不同方向和位置的光线的感知。实验记录显示,主要有两个观察结果:第一,当光线照射到窗户上时,亮度会随着周围环境的变化而减弱;第二,当光线到来时,人眼会觉得其它的一切都变得更暗。这有两层原因:首先物理世界中的光度范围很大,而屏幕的光强范围有限;其次,人眼会对不同的光照条件进行动态适应。计算机图形学提供了解决这些问题的方法,即Bloom和HDR。将这两种效果应用到数码相机上,人们能够获得更真实的感觉,更接近真实的光照体验。

接着,我进行了物体大小和距离的感知实验,因为大多数人对VR在建筑中的应用都持积极态度,而我想要验证这一观点,VR是否真的让我们变得更好还是这一切都是人们的错觉,因此我针对物体大小和距离这两个建筑设计中关键的要素进行了一个VR用户研究。在这个实验中,我在一个房间中放置了两个立方体,这两个立方体大小不同,而且它们的位置与摄像机的距离不同。我分别用VR和Rhino(Rhino是一个很常见的3D建模软件)创造了两个完全一致的场景,并对20位设计师进行了测试。研究结果显示,与Rhino相比,VR在帮助人们确定物体大小方面比有明显优势。在距离感知方面,Rhino似乎做得稍好一些,但由于差异不大,样本数量有限,在这里无法得出结论。

项目指导老师:Panagiotis

VR展览

第二个项目是我们之前在哈佛大学做过的一个虚拟现实艺术展览项目,该项目展示了如何使用VR和全景视频以直观的方式展示环境数据。这是在哈佛大学40k画廊进行的的一次特定地点的艺术展览,它能让观众在当前自己所在的位置沉浸式地体验海平面上升,达到让人们了解全球气候变化对当地影响的目的。

首先,我们用6个GoPro相机记录了真实环境的影像,然后用Autopano Video Pro进行全景视频缝合,接着我们在场景中叠加海平面的影像和一些3D动画,使它看起来好像地平面出现在水下。这个展览持续了两周,开幕当晚有200多人参加。我们还被问到是否可以用这个系统来对其它城市的海平面上升进行可视化呈现,我们相信利用同样的操作和该城市的影片,这是可以实现的,而且这种可视化方法还可以用来呈现像污染状况和森林砍伐之类的其它环境问题。

项目团队成员:Joanne, Jiho, Jenny, Jiabao, Kally, Cindy, Yaqing, Namju

HouseZero Holo

第三个项目是为哈佛绿色建筑与城市研究中心(CGBC)提供的可视化工具HouseZero Holo。在这个项目中,我们设计了一个旨在实现零能耗的建筑,同时利用HoloLens和AR的新硬件和软件创建了一个更身临其境和直观的数据可视化模式。该项目主要有两个目标:一是帮助参观者理解建筑在改善自然通风、自然采光和净零能耗方面的创新,二是协助CGBC的研究人员监控这些创新的表现。

项目团队组员:Xiaobi, Mia, Brian, Jiho, Spyros, Xiao

VR游戏

最后一个项目是一个VR游戏,叫做Space Shifter。它基于对熟悉空间的陌生化处理,让用户与虚拟空间产生新颖直观的互动。我们对哈佛校园中Gund Hall里的一系列空间进行数字化处理,使之能够表现现实中的场景,让用户在虚拟现实世界中导航和漫游。

每个游戏场景都是一个特定的房间,房间里有一个入口,玩家必须通过这个入口才能进入下一个空间。当他尝试进入下一个空间时,会有一些几何或光线的变形阻挡他,但总有一种方法可以还原这些变形或发现一些隐藏的特征,使他能够进入下一个房间。

游戏中有三个不同的房间,每一个都以交互发生的方式设定了特定的主题。第一个房间的主题是比例变换。入口就是门,但是当用户向它移动时,房间会伸缩,门会移得更远,所以仅仅靠走过去是不可能实现的。类似地,房间可以向用户试图移动的任何方向伸缩,例如,如果用户试图跳跃,就会出现高得不切实际的椅子,椅子腿之间的空间看起来就像拱廊。第二个房间是楼梯间,使用了多种照明转换。向室内移动时,用户就会触发不同的灯光效果开关,隐藏或暴露房间内部分空间。第三个地方是Piper礼堂。用户漂浮在空间内,而且房间会根据用户的移动围绕水平轴进行旋转。

项目团队组员:Spyros, Jacob

谢谢大家!