VR建築設計：初學者指南

本文為AECMagazine雜誌近期一篇短文，由萬間科技BIMVR研發人員翻譯，少許改編。希望對國內建築設計領域年輕的BIM從業人員有點指導作用。也希望多多轉發，分享傳播這些前沿技術及理念，讓其為更多的設計師和企業所掌握。

友情提示，此文較長，翻譯費時，讀完也費時啊！不過相信你會有收穫的！

TruVision用UE4製作的建築VR體驗場景

隨著Oculus Rift和HTC Vive等實用VR頭盔出現，VR現在可以適應各個規模的AEC行業公司。

這是一個非常熟悉的場景：建築師第一次進入建好的建築，房間卻不太符合他最初的設計願景。然而美麗的靜態渲染效果圖即便渲染到有真實尺寸的傢具擺放效果的人眼視力水平，傳統的設計可視化方案也只能傳達這麼多信息了。

在Gensler（國外一家大型建築設計公司），設計總監高先生知道這種感覺。「你仍然需要在你的腦海中翻譯，比如說這個空間感覺到底有多高」，他說。 「經常，我去自己的項目，我會發出這樣的驚嘆，'哇！ 這比我想象的要大得多『，你還有那些時刻。」

他說，這時虛擬現實或VR便應運而生了，而行業中的其他人也開始得出同樣的結論。

VR頭戴式顯示器（HMD）如Oculus Rift和HTC Vive有能力改變建築師在建造之前設計和交流建築物的方式。佩戴者立即沉浸在一個真正的三維環境中，給人難以置信的大小尺寸、深度和空間感，而傳統的渲染效果圖、動畫或物理尺度沙盤模型是無法匹敵的。

使用HMD的VR體驗可以欺騙你的大腦，讓其思考你所看到的是真實的。WorldViz在四月Nvidia的GTC活動上演示的'Walk the Plank'，讓我在裡面寸步難行。即使我知道我站在展覽廳，我真的不敢向前走，因為害怕跌倒。這種存在的感覺是壓倒性的。就感覺我真的「存在」在這個場景中，從那時起，思想對物質是否存在的鬥爭力好像真正失去了。

實際上在建築物內的這種感覺也使得VR成為傳達設計意圖的強大工具。特別地，客戶通常不具有通過查看2D平面圖或3D模型來理解空間關係和尺寸大小的能力。VR可以以與真實物理建築結構完全相同的方式喚起體驗者的身體感官反應。

「我們剛剛有一個客戶，我們展示了一些概念性的渲染效果圖，他們很難[理解建築]」，高先生解釋說。「另一方面，當我們把VR眼鏡戴在他們頭上，『哦，是的，開始施工吧，這樣就可以，這就是我想要的。'」

VR可以在設計到施工全過程的各個階段發揮重要作用，從評估設計選項和展示可行方案，到識別設計錯誤，再到在現場破土動工前解決施工和適用性的所有問題。

即使在概念階段，VR也可以是探索空間之間的關係的有效方法 ，比如光照對房間在一天或一年的不同時間的影響，或看看夾層樓的視野效果。看屏幕上的物理尺度模型或BIM模型，您仍然需要想象在空間內存在什麼。而體驗VR，你能實際體驗到真實的比例和規模尺寸。

在Stingray中探索不同的傢具選擇

以下從7個方面來分別介紹。

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傳統上，用於建築和工程項目的VR體驗場景是用強大的專業VR開發平台創建的，例如WorldViz Vizard或Virtalis Visionary Render。

但是現在VR已經成為主流，所謂的3D遊戲引擎，是通常用來創建第一人稱射擊遊戲的，為建築VR提供一個強大的，低成本（甚至是免費的）選擇方案。

總部在朴茨茅斯的VR專業公司，例如TruVision，依靠虛幻引擎為建築師和客戶生成完全沉浸式的3D體驗場景。

有企業也正在為流行的遊戲引擎專門生產建築設計需要的內容。例如，軟體開發商UE4Arch為Unreal銷售各種材質庫和模型，包括床，桌子和椅子等。

Autodesk Stingray是一個相對較新的遊戲引擎，由Autodesk於2014年收購的BitSquid引擎構建而成。它提供了與Autodesk 3ds Max的實時鏈接，這對於熟悉3D建模、渲染和動畫軟體的設計人員來說是非常有用的。然而，Autodesk也在探索如何使該技術更容易被建築師和Revit的其他用戶使用。Autodesk現在已經發布了一個Revit到VR應用程序插件，稱為Autodesk LIVE。

Crytech是另一個流行的遊戲引擎公司，它有CryEngine，類似Unity，它已經在AEC領域有很大的存在感。Unity還被用作許多新的聚焦建築領域產品的底層開發平台。例如，位於紐約的創業公司IrisVR改裝了Unity做成了Prospect軟體，該軟體工具允許建築師快速將SketchUp、Revit和其他BIM模型導入VR環境中。

Enscape是一個實時可視化工具，專門用於與Revit配合。該軟體可以在標準的顯示器上或VR中使用。

其他軟體開發人員正在通過開發工具來渲染VR全景圖。與上述這些生成用於實時漫遊VR場景的3D模型優化工具不同，VR全景圖本質上是廣角全景圖像，可提供您周圍世界的全方位360度快照。觀看位置是靜態的，這是一個大的缺點，但是畢竟是立體圖像，用戶仍然可以得到一個良好的深度感，質量可以很好。

VR全景圖最適合在入門級的「智能手機」頭顯，如三星Gear VR或谷歌紙板眼鏡上使用，但也能在Oculus Rift上正常工作。

全景圖可以從一系列應用程序中渲染，包括Chaos Group 的V-Ray、Nvidia Iray VR Lite、Autodesk A360渲染、Iris VR Scope和Lumion等。

在剛發布的Vectorworks 2017中，用戶應該能夠輕鬆地創建VR全景，只需將3D CAD模型上傳到雲端。然後就可將所得到的立體圖像顯示在智能手機的網路瀏覽器上。

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大多數CAD和BIM模型具有非常詳細的幾何信息，這是VR不需要的。完全互動式VR軟體具有極高的硬體運行性能需求，因此在將BIM數據導入VR場景時需要進行一定形式的模型優化。

這是專業BIMVR技術諮詢公司（如萬間科技）通過精細調整的流程來完成任務的一個領域，例如簡化幾何，添加照明，修復模型中的間隙和剔除場景中不可見的對象等任務。

「我們的客戶有模型，我們有VR頭顯、圖形引擎和如何將所有這些組合在一起的知識，」 在格拉斯哥的設計公司Soluis的首席執行官斯科特·格蘭特說。

一旦模型在VR環境中，材質、照明、傢具和其他小的細節，這些使VR體驗感覺更真實的東西需要添加。例如，巴塞羅那的ARQVR公司甚至可以添加微小的個性化裝飾物品，如繪畫，書籍，標誌和植物。

可以進行額外的編程工作，使體驗更具互動性，例如使客戶能夠嘗試各種設計選項，選擇材質和照明設備。建築師可以不離開VR場景，在設計方案之間自由選擇切換。

例如，對於一座舊金山公寓的Autodesk Stingray案例演示，倫敦的創意設計機構Rewind開發了能夠嘗試不同的傢具選項以及剝離牆壁以顯示內部建築服務設施的功能。

創建最真實和互動的VR體驗是一個需要熟練技能的過程，所以建築公司通常外包或雇傭專業團隊來完成。

AMD Radeon Pro Duo顯卡

NVIDIA的VR Ready工作站HP Z840 與HTC VIVE

提高視覺質量還需要對工作站有所要求，它來渲染實時圖像。所以有一些技巧，如光照烘焙，可以減輕一些電腦計算負載。但是，即使是在渲染農場中渲染，預渲染可能需要好幾個小時。

Nvidia Iray VR通過在虛擬世界中提供基於物理的渲染（也就是傳說中的PBR），將真實度提升到一個新的水平。 GPU加速光線軌跡渲染技術準確地模擬光以提供驚人的效果，例如在大理石地板中的反射隨著體驗者移動位置而改變。

也有一些缺點。首先，預處理渲染需要大量的計算能力。即使使用八個超高端GPU，在一個場景（大約2m x 2m x 2m的盒子）內渲染一個有利位置需要100多個小時。您可以從一側移動到另一側，體驗視差效果（例如環繞一根柱子或越過陽台），但不能在場景內自由行走。

第二，雖然輸出質量很好，但是它對當前一代HMD有點浪費。在4K顯示器上查看光線軌跡渲染圖像是不錯的，但是在HMD上，體驗是完全不同的，因為您仍然可以看到像素顆粒點。由於這兩個原因，Iray VR可能更是一種未來的技術。

Nvidia Iray VR渲染的可互動的寫實照片

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虛擬現實不需要是'照片級寫實的'，甚至是接近寫實的，因為它對建築師有巨大的好處。人們認為，空間現實性比照片級寫實更重要。WorldViz的「Walk the Plank」演示的渲染質量就像一個五年前的3D遊戲，但它仍然能讓體驗者不敢邁步。

不總是渴望創造最寫實的體驗可能，VR可以立即打開一個更大的門，為更廣泛的受眾所獲得。

畢竟，如果你必須將你的BIM模型交給專業VR人士來處理，VR如何成為建築師的必備工具呢？當你得到你的VR優化的模型回來，設計可能早就已經進化了。VR要想在AEC領域變得普遍，並且在設計的核心環節使用，它必須是即時可用的。

這是IrisVR採用的方法，其Prospect軟體專門設計用於幫助建築師在幾分鐘內將BIM模型轉換成VR。想法是，無論你在屏幕上看到你的BIM軟體裡面是什麼模型，然後你在VR中去看。只需按一個按鈕，軟體會處理一切：幾何優化、材質、光照，所有這些。

使建築師能夠在BIM和VR之間輕鬆轉換，可以真正革命性地改變建築物的設計方式。在設計過程的任何階段，建築師都可以在頭盔上輸出，立即感受到建築內部的感覺。這簡直不能與在屏幕上查看BIM模型相提並論。

Autodesk還致力於讓建築師更容易使用VR。Project Expo是一個技術預覽工具，使用雲技術將BIM模型一鍵從Revit到Stingray。（Project Expo現在是一個名為Autodesk LIVE的產品）

Autodesk LIVE漫遊場景

已經有跡象表明VR在AEC領域的應用變得越來越普遍。例如，AMD FirePro目前正在與一家大型跨國工程公司談論將VR頭盔放在五分之一員工的辦公桌上。雖然許多用戶將是設計師，但更有趣的是，管理和實施者也將有機會使用VR頭盔。

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虛擬現實頭盔（或HMD）自20世紀90年代以來一直存在，但是由於低解析度、刷新幀速率和較差的頭部追蹤定位能力，早期模型還極其昂貴，並且提供相對很差的用戶體驗。

然而，遊戲和娛樂業正在高速推動市場前進。Oculus Rift的成本只有400英鎊，HTC Vive的售價是700英鎊。這使得這些低成本的、面向普通消費者但專業品質都不錯的頭顯能夠被中型和較小的建築和工程公司所接受。

對於這兩種頭盔，大多數重型計算處理能力是由一個強大的PC或具有高端顯卡的工作站執行的。頭盔通過USB和HDMI電纜連接到工作站。這意味著佩戴者必須小心，即便一些VR體驗現場設置電纜高於頭高度，最好不要拖曳電纜。

頭盔相當重（約0.5kg），但是襯墊和佩戴相對舒適。兩者都有一個單一的2,160 x 1,200顯示屏，分開在兩隻眼睛，這相當於每眼的解析度1,080 x 1,200。

這聽起來可能很多，但是當你湊近去看顯示器，有一些像素顆粒感。Nvidia公司圖形研究副總裁David Luebke說，視網膜解析度是每眼78M像素，是當前HMD的60倍，因此還有一些路要走。事情不能進展得太快，因為圖形處理能力也需要跟得上。

HTC Vive和Oculus Rift的刷新率非常高。雖然電影和渲染動畫以24幀/秒（FPS）的速度就能獲得令人滿意的效果，VR必須以90 FPS運行 。這樣不僅可以減少延遲並提高真實感，還可以消除一些VR用戶體驗的噁心或眩暈感。

然而，頭戴顯示器只是整個解決方案的一部分。使得它們如此強大的原因是，HMD可以跟蹤用戶頭部的物理位置，其高度的精確度保證了它可以與虛擬世界同步。

Rift和Vive都有旋轉和頭部位置追蹤功能。這意味著您不僅可以通過轉動頭部（左、右、上、下和中間任何位置）來控制固定點的360度視圖，而且用戶的頭部也會隨著其在3D空間中移動而進行實時追蹤定位。

這意味著體驗者將看起來相對於其他對象移動。例如，你可以將你的身體移到一邊，繞著樓板上的柱子四周看，或傾斜在陽台上看到下面的道路。

Oculus Rift通常用於坐姿體驗。運動由單個基站、陀螺儀、加速度計和內置在頭盔中的磁力計跟蹤。

Rift頭盔目前附帶一個Xbox One控制器用於導航漫遊，但是一對專用的VR控制器（Oculus Touch）已在去年底推出，用於室內空間體驗。

設置很容易，幾乎可以即插即用。這對新手用戶（特別是客戶來說）很有用，因為他們通常不需要任何幫助就可以開箱即用。

HTC Vive主要設計用於站立體驗，「房間規模」的體驗，這意味著用戶可以在建築物周圍走動（儘管可跟蹤區域限制在5米乘5米範圍內）。頭盔由兩個基站跟蹤，可以安裝在牆壁或三腳架上。

Vive配有兩個VR手柄（每隻手一個），它有一系列的按鈕，還包括一個扳機。根據VR軟體的功能，您可以使用手柄選擇對象，在房間之間導航，甚至標記對象。

HTC Vive的設置比Rift更複雜，因為您需要安裝和校準跟蹤攝像頭，這些攝像頭必須放置在房間對角的頭部高度。無論是安裝在牆上還是放在三角支架上，這對初學者來說是令人生畏的。

VR也可以使用智能手機來體驗，這些手機連接到特別設計的頭盔上，如三星Gear VR和谷歌紙板盒子。然而，由於智能手機被用於顯示和計算圖像，性能無法接近到由工作站加速的Vive和Rift一樣好。兩個頭盔也缺乏對於舒適和沉浸感很重要的位置跟蹤。但是，對於VR全景圖，你可以得到一個相當不錯的體驗。

圖軟Graphisoft已經發布了一個低成本、互動式VR解決方案APP BIMx，基於Cardboard來體驗ArchiCAD模型。

Soluis的沉浸式圓頂

由HMD引起的噁心或暈動病的感覺以前是相當普遍的。然而，使用新一代頭盔、更好的跟蹤定位技術和強大的工作站來維持幀速率，這在現在已不是一個問題。提到健康和安全，說的是，VR仍然應該謹慎使用，由於眼睛專註於像素化屏幕，一些佩戴者反映出壓力、焦慮、迷失方向和眼睛疲勞的癥狀。Oculus Rift建議每30分鐘使用后至少要有10到15分鐘的休息時間。

「使用了HTC Vive幾個月了，我已經變得非常習慣於使用VR。雖然我以前覺得有些迷失方向，但現在感覺很自然。沒有更多的眩暈，除非在非常極端的情況下（認為自己暴露在500米高空的鋼樑上），也有人稱之為「VR腿」」。

其他潛在的健康和安全問題是外部身體傷害。當你沉浸在虛擬世界中時，很容易忘記你在哪裡。雖然建築可視化場景不鼓勵像射擊外星人遊戲中那樣魯莽的行為，你仍然需要小心。

HTC Vive使用「伴侶」系統防止碰撞到牆壁，當用戶靠近房間的邊緣時可以提醒他們。然而，在一個用拖曳的電纜遮住的房間中移動仍然不能通過一些公司的健康和安全協議，這使得坐立的VR或增強現實AR體驗更合適。

VR也可對健康和安全產生積極影響。萬間科技正在開發一個完全身臨其境的虛擬現實平台SafetyVR，旨在提高建築工人的安全防範意識，減少工作場所的安全風險。SafetyVR軟體將幫助工人在使用BIM模型數據的「增強式虛擬現實AVR」遊戲環境中學習正確的方式來執行任務，特別是危險的任務。

WorldViz 工作組內設計審查的投影VR系統

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VR頭盔將被所有類型的用戶、專業人士和新手使用，因此在建築物裡面的漫遊導航需要很簡單。使用Oculus Rift，用戶可以簡單地拿起Xbox One控制器並進行探索，就像在3D遊戲中一樣。

當然，沒有什麼比步行更自然，但即使HTC Vive的「房間規模」VR能力，你很快就到達了你所在物理房間的邊界。這意味著你還需要一種方法來從一個空間到另一個空間進行漫遊。

TruVision允許用戶在房間之間傳送，只需按下Xbox One控制器上的按鈕即可。

對於HTC Vive的用戶來說，航點系統的使用是一種流行的導航手段。例如，在Autodesk的Stingray演示中，用戶只需將虛擬激光指向3D空間中的浮動「熱點」，然後單擊即可移動到對應位置。

BIM to VR專業技術公司IrisVR使用類似的方法，雖然漫遊導航不限於預設的門戶。在這裡，用戶可以通過使用Vive在建築表面上點亮虛擬「手電筒」，然後點擊按鈕，幾乎可以移動到建築物內的任何位置。

通過它所謂的「工廠規模」VR技術，專業VR公司WorldViz越來越接近能生產真實尺寸的虛擬建築體驗空間，可以在達50m x 50m的物理空間內追蹤多達10個用戶。要做到這一點，它使用更長的頭盔電纜，懸挂在天花板桁架上，並隨著體驗者移動。

VR跑步機具有無邊界的VR體驗的潛力。Infinadeck是一個全向跑步機，允許用戶在任何方向走。它能對用戶的運動做出相對的反應，包括他們的速度和方向，以保持他們安全地在甲板的中心。

同時，來自加拿大西蒙弗雷澤大學iSpace lab的一個研究項目Motion Chair，允許用戶通過往他們想要去的方向傾斜身體來實現在虛擬環境中導航 ，就像坐在一個巨大的操縱桿上。

用戶不必限於從一個房間移動到另一個房間。利用鳥瞰或玩偶房子式的上帝視角，可以從上方觀看建築物，並且將用戶快速傳送到選擇的房間里去。

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與專用的AEC設計審查軟體（如Navisworks或Tekla BIMsight）相比，VR場景中的等效工具仍處於初級階段。這對於VR遊戲引擎尤其如此，其主體底層傾向於呈現所設計的建築物的拋光視覺體驗，而不是提供用於解決現實世界設計和建造問題的實用工具。

但這將改變。雖然大多數遊戲引擎剝離了對真正的BIM流程非常重要的構件的元數據，但是當從Revit遷移到Autodesk Stingray時，數據不僅被保留，而且用戶可以點擊對象並查看底層屬性信息。

Revizto是用於將CAD模型轉換為可漫遊導航3D環境的專用工具，它具有類似的功能。在VR模式下，用戶可以單擊對象以查看信息，包括元數據。

或者，他們可以從對象樹列表中選擇對象並移動到其在3D模型中的位置。Revizto還提供強大的問題跟蹤功能，但這些目前不可用於VR。看到它們進入虛擬世界將是很有趣的。

當從Revit導入模型時，IrisVR Prospect還保留BIM數據，但開發人員尚未提供使用此數據的工具。

在VR環境中訪問BIM數據可能是一個非常強大的功能。例如，標記可以直接反饋到BIM模型，以達到更簡單的設計方案。模型可以按主題顯示，根據成員尺寸、材料類型、施工狀態或供應鏈中的可用性自動進行顏色編碼。

IrisVR Prospect確實有一些基本的標記功能，用戶可以使用HTC Vive手柄在空間中隨意繪製。隨著VR在設計過程中變得更加根深蒂固，這些能力肯定會增強。

雖然我不認為需要一個成熟的BIMVR應用程序（至少對於長期使用HMD的健康和安全問題來講），我希望看到基本的設計工具出現。能夠使用手柄或手勢來改變房間尺寸或天花板高度，而不必在BIM和VR之間來回移動和切換，這將是一個非常強大的能力。

VR頭盔的問題是，他們主要是促進個人的經驗。設計審查作為一個真正的協作過程，在團隊中完成是最有效的。

即使每個人都戴著HMD並且在相同的模型中「生活」，不能進行眼神交流和觀察肢體語言或表情，使得通信效率降低 - 就像電話會議的效率總是不能跟面對面會議相比一樣。

WorldViz正在大力投資於協作式虛擬現實，並已經使用虛擬化身來實現所謂的「共存」體驗，用戶可以在虛擬世界中相互交流。設計評審會議的參與者可以簡單地通過移動他們的虛擬手或指向對象的激光來突出設計的不同方面。看到另一個人在VR場景內的虛擬形象也可以阻止現實生活中可能遇到的衝突碰撞啊！

當然，參與者不必處於相同的物理位置。例如，一個紐約的建築師、倫敦的工程師和慕尼黑的承包商可以都在同一個虛擬建築中協作。

VR並不一定意味著用戶通過佩戴完全身臨其境的頭盔將自己與現實世界切斷。

Soluis開發了一種攜帶型高解析度球機系統，無需頭盔即可提供站立式互動體驗。它可用於協作式的BIM設計評論或3D模型的互動式探索。

例如，Radisson酒店使用Soluis為其下一代酒店內部裝修設計探索設計選項。

雖然這個球機圓頂購買很昂貴，約10萬英鎊，但它可以租用短期或長期的時間。

同時，像WorldViz和Virtalis這樣的公司專註於虛擬現實CAVE和牆壁，使用強大的投影機和3D眼鏡提供1：1的體驗。例如，在建築工地部署CAVE，將激光掃描建立的數據與設計意圖的CAD模型相結合，可以幫助解決實際和虛擬世界之間的問題。

展望未來，讓這個想法更進一步，微軟的「混合現實」HoloLens甚至可以用於在施工現場情境中可視化全息3D BIM模型。使用增強現實，用戶可以通過表面上看到設計模型覆蓋在部分已構建的建築物上來解決工程管理問題。

IrisVR Prospect

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自從Oculus Rift和HTC Vive面世，VR炒作已經進入超速期。但是，把這些令人興奮的新VR技術解讀為一種時尚將是一個錯誤。特別是對於AEC行業領域的公司，因為其帶來的利益可能是巨大的。

我們都知道BIM可以通過在建築生命周期的各個階段提供更高的效率來優化建築的交付。但BIM沒有鼓勵探索形式、空間和美學 - 建築的人類元素，而這些VR可以實現。

雖然目前非常強調使用VR來讓客戶發出「哇」的尖叫（當然這是非常好的），當建築師或工程師都掌握這這項技術，它成為一個必不可少的、集成的設計工具時，該技術真正的力量將實現。

在3D CAD系統中建模是一回事，但是使用VR體驗它的感覺和功能可以將設計帶到一個全新的水平。建築師可以存在於他們的設計中，鼓勵大膽的新想法和更多的迭代。

將設計/評審添加到組合中以優化設計或擺平現場施工問題，VR為虛擬原型設計提供了全新的含義。

當然，為了所有這一切成為主流，VR需要變得更快速，操作更簡單。控制需要由建築師和工程師來負責。他們需要能夠一鍵將BIM模型導入VR場景，以便他們可以在最需要的任何時刻都能立馬做出明智的設計決策。

如果這一切聽起來很熟悉，這是因為在10年前的VR和設計之間有許多相似之處。當時，設計仍然是一個專業技能。現在，大多數CAD / BIM應用程序中都提供高質量的一鍵渲染。我們預計VR會發生相同的情況，使真實和虛擬世界之間的翻轉成為設計的一個自然部分。

但是你可以忘記在摩天大樓的頂部鋼架上解決建築問題的情景。VR的真實體驗使得這個眩暈患者將保持他的腳牢固地在地面上，害怕得不敢動。哈哈！

英文原文鏈接：http://www.aecmag.com/59-features/1166-virtual-reality-for-architecture-a-beginner-s-guide。更多技術動態，點擊閱讀原文查看！