VR建筑设计:初学者指南

-回复 -浏览
楼主 2021-01-13 08:52:21
举报 只看此人 收藏本贴 楼主

本文为AECMagazine杂志近期一篇短文,由万间科技BIMVR研发人员翻译,少许改编。希望对国内建筑设计领域年轻的BIM从业人员有点指导作用。也希望多多转发,分享传播这些前沿技术及理念,让其为更多的设计师和企业所掌握。






友情提示,此文较长,翻译费时,读完也费时啊!不过相信你会有收获的!


TruVision用UE4制作的建筑VR体验场景


随着Oculus Rift和HTC Vive等实用VR头盔出现,VR现在可以适应各个规模的AEC行业公司。


这是一个非常熟悉的场景:建筑师第一次进入建好的建筑,房间却不太符合他最初的设计愿景。然而美丽的静态渲染效果图即便渲染到有真实尺寸的家具摆放效果的人眼视力水平,传统的设计可视化方案也只能传达这么多信息了。


在Gensler(国外一家大型建筑设计公司),设计总监高先生知道这种感觉。“你仍然需要在你的脑海中翻译,比如说这个空间感觉到底有多高”,他说。 “经常,我去自己的项目,我会发出这样的惊叹,'哇! 这比我想象的要大得多‘,你还有那些时刻。”


他说,这时虚拟现实或VR便应运而生了,而行业中的其他人也开始得出同样的结论。


VR头戴式显示器(HMD)如Oculus Rift和HTC Vive有能力改变建筑师在建造之前设计和交流建筑物的方式。佩戴者立即沉浸在一个真正的三维环境中,给人难以置信的大小尺寸、深度和空间感,而传统的渲染效果图、动画或物理尺度沙盘模型是无法匹敌的。


使用HMD的VR体验可以欺骗你的大脑,让其思考你所看到的是真实的。WorldViz在四月Nvidia的GTC活动上演示的'Walk the Plank',让我在里面寸步难行。即使我知道我站在展览厅,我真的不敢向前走,因为害怕跌倒。这种存在的感觉是压倒性的。就感觉我真的“存在”在这个场景中,从那时起,思想对物质是否存在的斗争力好像真正失去了。


实际上在建筑物内的这种感觉也使得VR成为传达设计意图的强大工具。特别地,客户通常不具有通过查看2D平面图或3D模型来理解空间关系和尺寸大小的能力。VR可以以与真实物理建筑结构完全相同的方式唤起体验者的身体感官反应。


“我们刚刚有一个客户,我们展示了一些概念性的渲染效果图,他们很难[理解建筑]”,高先生解释说。“另一方面,当我们把VR眼镜戴在他们头上,‘哦,是的,开始施工吧,这样就可以,这就是我想要的。'”


VR可以在设计到施工全过程的各个阶段发挥重要作用,从评估设计选项和展示可行方案,到识别设计错误,再到在现场破土动工前解决施工和适用性的所有问题。


即使在概念阶段,VR也可以是探索空间之间的关系的有效方法 ,比如光照对房间在一天或一年的不同时间的影响,或看看夹层楼的视野效果。看屏幕上的物理尺度模型或BIM模型,您仍然需要想象在空间内存在什么。而体验VR,你能实际体验到真实的比例和规模尺寸。

在Stingray中探索不同的家具选择


以下从7个方面来分别介绍。


1
VR软件

传统上,用于建筑和工程项目的VR体验场景是用强大的专业VR开发平台创建的,例如WorldViz Vizard或Virtalis Visionary Render。


但是现在VR已经成为主流,所谓的3D游戏引擎,是通常用来创建第一人称射击游戏的,为建筑VR提供一个强大的,低成本(甚至是免费的)选择方案。


总部在朴茨茅斯的VR专业公司,例如TruVision,依靠虚幻引擎为建筑师和客户生成完全沉浸式的3D体验场景。


有企业也正在为流行的游戏引擎专门生产建筑设计需要的内容。例如,软件开发商UE4Arch为Unreal销售各种材质库和模型,包括床,桌子和椅子等。


Autodesk Stingray是一个相对较新的游戏引擎,由Autodesk于2014年收购的BitSquid引擎构建而成。它提供了与Autodesk 3ds Max的实时链接,这对于熟悉3D建模、渲染和动画软件的设计人员来说是非常有用的。然而,Autodesk也在探索如何使该技术更容易被建筑师和Revit的其他用户使用。Autodesk现在已经发布了一个Revit到VR应用程序插件,称为Autodesk LIVE。


Crytech是另一个流行的游戏引擎公司,它有CryEngine,类似Unity,它已经在AEC领域有很大的存在感。Unity还被用作许多新的聚焦建筑领域产品的底层开发平台。例如,位于纽约的创业公司IrisVR改装了Unity做成了Prospect软件,该软件工具允许建筑师快速将SketchUp、Revit和其他BIM模型导入VR环境中。


Enscape是一个实时可视化工具,专门用于与Revit配合。该软件可以在标准的显示器上或VR中使用。


其他软件开发人员正在通过开发工具来渲染VR全景图。与上述这些生成用于实时漫游VR场景的3D模型优化工具不同,VR全景图本质上是广角全景图像,可提供您周围世界的全方位360度快照。观看位置是静态的,这是一个大的缺点,但是毕竟是立体图像,用户仍然可以得到一个良好的深度感,质量可以很好。


VR全景图最适合在入门级的“智能手机”头显,如三星Gear VR或谷歌纸板眼镜上使用,但也能在Oculus Rift上正常工作。


全景图可以从一系列应用程序中渲染,包括Chaos Group 的V-Ray、Nvidia Iray VR Lite、Autodesk A360渲染、Iris VR Scope和Lumion等。


在刚发布的Vectorworks 2017中,用户应该能够轻松地创建VR全景,只需将3D CAD模型上传到云端。然后就可将所得到的立体图像显示在智能手机的网络浏览器上。


2
从BIM到VR


大多数CAD和BIM模型具有非常详细的几何信息,这是VR不需要的。完全交互式VR软件具有极高的硬件运行性能需求,因此在将BIM数据导入VR场景时需要进行一定形式的模型优化。


这是专业BIMVR技术咨询公司(如万间科技)通过精细调整的流程来完成任务的一个领域,例如简化几何,添加照明,修复模型中的间隙和剔除场景中不可见的对象等任务。


“我们的客户有模型,我们有VR头显、图形引擎和如何将所有这些组合在一起的知识,” 在格拉斯哥的设计公司Soluis的首席执行官斯科特·格兰特说。


一旦模型在VR环境中,材质、照明、家具和其他小的细节,这些使VR体验感觉更真实的东西需要添加。例如,巴塞罗那的ARQVR公司甚至可以添加微小的个性化装饰物品,如绘画,书籍,标志和植物。


可以进行额外的编程工作,使体验更具互动性,例如使客户能够尝试各种设计选项,选择材质和照明设备。建筑师可以不离开VR场景,在设计方案之间自由选择切换。


例如,对于一座旧金山公寓的Autodesk Stingray案例演示,伦敦的创意设计机构Rewind开发了能够尝试不同的家具选项以及剥离墙壁以显示内部建筑服务设施的功能。


创建最真实和互动的VR体验是一个需要熟练技能的过程,所以建筑公司通常外包或雇佣专业团队来完成。

AMD Radeon Pro Duo显卡

NVIDIA的VR Ready工作站HP Z840 与HTC VIVE



提高视觉质量还需要对工作站有所要求,它来渲染实时图像。所以有一些技巧,如光照烘焙,可以减轻一些电脑计算负载。但是,即使是在渲染农场中渲染,预渲染可能需要好几个小时。


Nvidia Iray VR通过在虚拟世界中提供基于物理的渲染(也就是传说中的PBR),将真实度提升到一个新的水平。 GPU加速光线轨迹渲染技术准确地模拟光以提供惊人的效果,例如在大理石地板中的反射随着体验者移动位置而改变。


也有一些缺点。首先,预处理渲染需要大量的计算能力。即使使用八个超高端GPU,在一个场景(大约2m x 2m x 2m的盒子)内渲染一个有利位置需要100多个小时。您可以从一侧移动到另一侧,体验视差效果(例如环绕一根柱子或越过阳台),但不能在场景内自由行走。


第二,虽然输出质量很好,但是它对当前一代HMD有点浪费。在4K显示器上查看光线轨迹渲染图像是不错的,但是在HMD上,体验是完全不同的,因为您仍然可以看到像素颗粒点。由于这两个原因,Iray VR可能更是一种未来的技术。

Nvidia Iray VR渲染的可互动的写实照片


3
在设计的核心


虚拟现实不需要是'照片级写实的',甚至是接近写实的,因为它对建筑师有巨大的好处。人们认为,空间现实性比照片级写实更重要。WorldViz的“Walk the Plank”演示的渲染质量就像一个五年前的3D游戏,但它仍然能让体验者不敢迈步。


不总是渴望创造最写实的体验可能,VR可以立即打开一个更大的门,为更广泛的受众所获得。


毕竟,如果你必须将你的BIM模型交给专业VR人士来处理,VR如何成为建筑师的必备工具呢?当你得到你的VR优化的模型回来,设计可能早就已经进化了。VR要想在AEC领域变得普遍,并且在设计的核心环节使用,它必须是即时可用的。


这是IrisVR采用的方法,其Prospect软件专门设计用于帮助建筑师在几分钟内将BIM模型转换成VR。想法是,无论你在屏幕上看到你的BIM软件里面是什么模型,然后你在VR中去看。只需按一个按钮,软件会处理一切:几何优化、材质、光照,所有这些。


使建筑师能够在BIM和VR之间轻松转换,可以真正革命性地改变建筑物的设计方式。在设计过程的任何阶段,建筑师都可以在头盔上输出,立即感受到建筑内部的感觉。这简直不能与在屏幕上查看BIM模型相提并论。


Autodesk还致力于让建筑师更容易使用VR。Project Expo是一个技术预览工具,使用云技术将BIM模型一键从Revit到Stingray。(Project Expo现在是一个名为Autodesk LIVE的产品)

Autodesk LIVE漫游场景


已经有迹象表明VR在AEC领域的应用变得越来越普遍。例如,AMD FirePro目前正在与一家大型跨国工程公司谈论将VR头盔放在五分之一员工的办公桌上。虽然许多用户将是设计师,但更有趣的是,管理和实施者也将有机会使用VR头盔。


4
头戴显示器(HMD)


虚拟现实头盔(或HMD)自20世纪90年代以来一直存在,但是由于低分辨率、刷新帧速率和较差的头部追踪定位能力,早期模型还极其昂贵,并且提供相对很差的用户体验。


然而,游戏和娱乐业正在高速推动市场前进。Oculus Rift的成本只有400英镑,HTC Vive的售价是700英镑。这使得这些低成本的、面向普通消费者但专业品质都不错的头显能够被中型和较小的建筑和工程公司所接受。


对于这两种头盔,大多数重型计算处理能力是由一个强大的PC或具有高端显卡的工作站执行的。头盔通过USB和HDMI电缆连接到工作站。这意味着佩戴者必须小心,即便一些VR体验现场设置电缆高于头高度,最好不要拖曳电缆。


头盔相当重(约0.5kg),但是衬垫和佩戴相对舒适。两者都有一个单一的2,160 x 1,200显示屏,分开在两只眼睛,这相当于每眼的分辨率1,080 x 1,200。


这听起来可能很多,但是当你凑近去看显示器,有一些像素颗粒感。Nvidia公司图形研究副总裁David Luebke说,视网膜分辨率是每眼78M像素,是当前HMD的60倍,因此还有一些路要走。事情不能进展得太快,因为图形处理能力也需要跟得上。


HTC Vive和Oculus Rift的刷新率非常高。虽然电影和渲染动画以24帧/秒(FPS)的速度就能获得令人满意的效果,VR必须以90 FPS运行 。这样不仅可以减少延迟并提高真实感,还可以消除一些VR用户体验的恶心或眩晕感。


然而,头戴显示器只是整个解决方案的一部分。使得它们如此强大的原因是,HMD可以跟踪用户头部的物理位置,其高度的精确度保证了它可以与虚拟世界同步。


Rift和Vive都有旋转和头部位置追踪功能。这意味着您不仅可以通过转动头部(左、右、上、下和中间任何位置)来控制固定点的360度视图,而且用户的头部也会随着其在3D空间中移动而进行实时追踪定位。


这意味着体验者将看起来相对于其他对象移动。例如,你可以将你的身体移到一边,绕着楼板上的柱子四周看,或倾斜在阳台上看到下面的道路。


Oculus Rift通常用于坐姿体验。运动由单个基站、陀螺仪、加速度计和内置在头盔中的磁力计跟踪。


Rift头盔目前附带一个Xbox One控制器用于导航漫游,但是一对专用的VR控制器(Oculus Touch)已在去年底推出,用于室内空间体验。


设置很容易,几乎可以即插即用。这对新手用户(特别是客户来说)很有用,因为他们通常不需要任何帮助就可以开箱即用。


HTC Vive主要设计用于站立体验,“房间规模”的体验,这意味着用户可以在建筑物周围走动(尽管可跟踪区域限制在5米乘5米范围内)。头盔由两个基站跟踪,可以安装在墙壁或三脚架上。


Vive配有两个VR手柄(每只手一个),它有一系列的按钮,还包括一个扳机。根据VR软件的功能,您可以使用手柄选择对象,在房间之间导航,甚至标记对象。


HTC Vive的设置比Rift更复杂,因为您需要安装和校准跟踪摄像头,这些摄像头必须放置在房间对角的头部高度。无论是安装在墙上还是放在三角支架上,这对初学者来说是令人生畏的。


VR也可以使用智能手机来体验,这些手机连接到特别设计的头盔上,如三星Gear VR和谷歌纸板盒子。然而,由于智能手机被用于显示和计算图像,性能无法接近到由工作站加速的Vive和Rift一样好。两个头盔也缺乏对于舒适和沉浸感很重要的位置跟踪。但是,对于VR全景图,你可以得到一个相当不错的体验。


图软Graphisoft已经发布了一个低成本、交互式VR解决方案APP BIMx,基于Cardboard来体验ArchiCAD模型。

Soluis的沉浸式圆顶


5
健康与安全考虑


由HMD引起的恶心或晕动病的感觉以前是相当普遍的。然而,使用新一代头盔、更好的跟踪定位技术和强大的工作站来维持帧速率,这在现在已不是一个问题。提到健康和安全,说的是,VR仍然应该谨慎使用,由于眼睛专注于像素化屏幕,一些佩戴者反映出压力、焦虑、迷失方向和眼睛疲劳的症状。Oculus Rift建议每30分钟使用后至少要有10到15分钟的休息时间。


“使用了HTC Vive几个月了,我已经变得非常习惯于使用VR。虽然我以前觉得有些迷失方向,但现在感觉很自然。没有更多的眩晕,除非在非常极端的情况下(认为自己暴露在500米高空的钢梁上),也有人称之为“VR腿””。


其他潜在的健康和安全问题是外部身体伤害。当你沉浸在虚拟世界中时,很容易忘记你在哪里。虽然建筑可视化场景不鼓励像射击外星人游戏中那样鲁莽的行为,你仍然需要小心。


HTC Vive使用“伴侣”系统防止碰撞到墙壁,当用户靠近房间的边缘时可以提醒他们。然而,在一个用拖曳的电缆遮住的房间中移动仍然不能通过一些公司的健康和安全协议,这使得坐立的VR或增强现实AR体验更合适。


VR也可对健康和安全产生积极影响。万间科技正在开发一个完全身临其境的虚拟现实平台SafetyVR,旨在提高建筑工人的安全防范意识,减少工作场所的安全风险。SafetyVR软件将帮助工人在使用BIM模型数据的“增强式虚拟现实AVR”游戏环境中学习正确的方式来执行任务,特别是危险的任务。


WorldViz 工作组内设计审查的投影VR系统


6
导航漫游


VR头盔将被所有类型的用户、专业人士和新手使用,因此在建筑物里面的漫游导航需要很简单。使用Oculus Rift,用户可以简单地拿起Xbox One控制器并进行探索,就像在3D游戏中一样。


当然,没有什么比步行更自然,但即使HTC Vive的“房间规模”VR能力,你很快就到达了你所在物理房间的边界。这意味着你还需要一种方法来从一个空间到另一个空间进行漫游。


TruVision允许用户在房间之间传送,只需按下Xbox One控制器上的按钮即可。


对于HTC Vive的用户来说,航点系统的使用是一种流行的导航手段。例如,在Autodesk的Stingray演示中,用户只需将虚拟激光指向3D空间中的浮动“热点”,然后单击即可移动到对应位置。


BIM to VR专业技术公司IrisVR使用类似的方法,虽然漫游导航不限于预设的门户。在这里,用户可以通过使用Vive在建筑表面上点亮虚拟“手电筒”,然后点击按钮,几乎可以移动到建筑物内的任何位置。


通过它所谓的“工厂规模”VR技术,专业VR公司WorldViz越来越接近能生产真实尺寸的虚拟建筑体验空间,可以在达50m x 50m的物理空间内追踪多达10个用户。要做到这一点,它使用更长的头盔电缆,悬挂在天花板桁架上,并随着体验者移动。


VR跑步机具有无边界的VR体验的潜力。Infinadeck是一个全向跑步机,允许用户在任何方向走。它能对用户的运动做出相对的反应,包括他们的速度和方向,以保持他们安全地在甲板的中心。


同时,来自加拿大西蒙弗雷泽大学iSpace lab的一个研究项目Motion Chair,允许用户通过往他们想要去的方向倾斜身体来实现在虚拟环境中导航 ,就像坐在一个巨大的操纵杆上。


用户不必限于从一个房间移动到另一个房间。利用鸟瞰或玩偶房子式的上帝视角,可以从上方观看建筑物,并且将用户快速传送到选择的房间里去。


还有好的老式建筑空中飞越。 TruVision的“无人机”模式允许用户飞过建筑物。


7
设计审查与协作


与专用的AEC设计审查软件(如Navisworks或Tekla BIMsight)相比,VR场景中的等效工具仍处于初级阶段。这对于VR游戏引擎尤其如此,其主体底层倾向于呈现所设计的建筑物的抛光视觉体验,而不是提供用于解决现实世界设计和建造问题的实用工具。


但这将改变。虽然大多数游戏引擎剥离了对真正的BIM流程非常重要的构件的元数据,但是当从Revit迁移到Autodesk Stingray时,数据不仅被保留,而且用户可以点击对象并查看底层属性信息。


Revizto是用于将CAD模型转换为可漫游导航3D环境的专用工具,它具有类似的功能。在VR模式下,用户可以单击对象以查看信息,包括元数据。


或者,他们可以从对象树列表中选择对象并移动到其在3D模型中的位置。Revizto还提供强大的问题跟踪功能,但这些目前不可用于VR。看到它们进入虚拟世界将是很有趣的。


当从Revit导入模型时,IrisVR Prospect还保留BIM数据,但开发人员尚未提供使用此数据的工具。


在VR环境中访问BIM数据可能是一个非常强大的功能。例如,标记可以直接反馈到BIM模型,以达到更简单的设计方案。模型可以按主题显示,根据成员尺寸、材料类型、施工状态或供应链中的可用性自动进行颜色编码。


IrisVR Prospect确实有一些基本的标记功能,用户可以使用HTC Vive手柄在空间中随意绘制。随着VR在设计过程中变得更加根深蒂固,这些能力肯定会增强。


虽然我不认为需要一个成熟的BIMVR应用程序(至少对于长期使用HMD的健康和安全问题来讲),我希望看到基本的设计工具出现。能够使用手柄或手势来改变房间尺寸或天花板高度,而不必在BIM和VR之间来回移动和切换,这将是一个非常强大的能力。


VR头盔的问题是,他们主要是促进个人的经验。设计审查作为一个真正的协作过程,在团队中完成是最有效的。


即使每个人都戴着HMD并且在相同的模型中“生活”,不能进行眼神交流和观察肢体语言或表情,使得通信效率降低 - 就像电话会议的效率总是不能跟面对面会议相比一样。


WorldViz正在大力投资于协作式虚拟现实,并已经使用虚拟化身来实现所谓的“共存”体验,用户可以在虚拟世界中相互交流。设计评审会议的参与者可以简单地通过移动他们的虚拟手或指向对象的激光来突出设计的不同方面。看到另一个人在VR场景内的虚拟形象也可以阻止现实生活中可能遇到的冲突碰撞啊!


当然,参与者不必处于相同的物理位置。例如,一个纽约的建筑师、伦敦的工程师和慕尼黑的承包商可以都在同一个虚拟建筑中协作。


VR并不一定意味着用户通过佩戴完全身临其境的头盔将自己与现实世界切断。


Soluis开发了一种便携式高分辨率球机系统,无需头盔即可提供站立式互动体验。它可用于协作式的BIM设计评论或3D模型的交互式探索。


例如,Radisson酒店使用Soluis为其下一代酒店内部装修设计探索设计选项。


虽然这个球机圆顶购买很昂贵,约10万英镑,但它可以租用短期或长期的时间。


同时,像WorldViz和Virtalis这样的公司专注于虚拟现实CAVE和墙壁,使用强大的投影机和3D眼镜提供1:1的体验。例如,在建筑工地部署CAVE,将激光扫描建立的数据与设计意图的CAD模型相结合,可以帮助解决实际和虚拟世界之间的问题。


展望未来,让这个想法更进一步,微软的“混合现实”HoloLens甚至可以用于在施工现场情境中可视化全息3D BIM模型。使用增强现实,用户可以通过表面上看到设计模型覆盖在部分已构建的建筑物上来解决工程管理问题。

IrisVR Prospect


8
结论


自从Oculus Rift和HTC Vive面世,VR炒作已经进入超速期。但是,把这些令人兴奋的新VR技术解读为一种时尚将是一个错误。特别是对于AEC行业领域的公司,因为其带来的利益可能是巨大的。


我们都知道BIM可以通过在建筑生命周期的各个阶段提供更高的效率来优化建筑的交付。但BIM没有鼓励探索形式、空间和美学 - 建筑的人类元素,而这些VR可以实现。


虽然目前非常强调使用VR来让客户发出“哇”的尖叫(当然这是非常好的),当建筑师或工程师都掌握这这项技术,它成为一个必不可少的、集成的设计工具时,该技术真正的力量将实现。


在3D CAD系统中建模是一回事,但是使用VR体验它的感觉和功能可以将设计带到一个全新的水平。建筑师可以存在于他们的设计中,鼓励大胆的新想法和更多的迭代。


将设计/评审添加到组合中以优化设计或摆平现场施工问题,VR为虚拟原型设计提供了全新的含义。


当然,为了所有这一切成为主流,VR需要变得更快速,操作更简单。控制需要由建筑师和工程师来负责。他们需要能够一键将BIM模型导入VR场景,以便他们可以在最需要的任何时刻都能立马做出明智的设计决策。


如果这一切听起来很熟悉,这是因为在10年前的VR和设计之间有许多相似之处。当时,设计仍然是一个专业技能。现在,大多数CAD / BIM应用程序中都提供高质量的一键渲染。我们预计VR会发生相同的情况,使真实和虚拟世界之间的翻转成为设计的一个自然部分。


但是你可以忘记在摩天大楼的顶部钢架上解决建筑问题的情景。VR的真实体验使得这个眩晕患者将保持他的脚牢固地在地面上,害怕得不敢动。哈哈!






英文原文链接:http://www.aecmag.com/59-features/1166-virtual-reality-for-architecture-a-beginner-s-guide。更多技术动态,点击阅读原文查看!

我要推荐
转发到