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[摘 要] 虚拟现实是研究如何更好地实现人机交流技术，具有沉浸性、交互性、构想性等特征。其在建筑漫游中的实现主要通过场景数据库的构建和漫游通用引擎的设计来实现，虚拟现实技术在建筑领域的实现对于该技术在其他领域的应用也具有参考价值。
[关键词] 虚拟现实 建筑漫游 实现
引言
随着计算机技术的不断发展，人类认识和改造世界的能力得到不断提高，同时，人类生产生活对计算机技术的依赖也越来越强，计算机技术的发展离不开人类的智能，而人类生产生活能力的提高又在一定程度上依赖于计算机技术的发展。这就要求实现人与计算机的信息交流，人机交互技术是实现人与计算机信息交流的关键，虚拟现实就是研究如何实现人机交流的技术。
1、虚拟现实的含义及特征
虚拟现实是近年计算机技术研究的热点之一，虚拟现实技术是众多计算机高新技术的汇集，包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、实时计算技术以及人类行为学等关键技术。虚拟现实技术是多媒体技术发展的高层次形式，将计算机技术引入了一个更高的层次。该技术能给人以更为逼真的体验，它为人类进一步探索世界、改造世界提供了一个现实的途径。
虚拟现实从本质上来说就是一种先进的计算机用户接口，它是通过为计算机用户提供各种直观而自然的感知交互手段，最大程度地方便用户操作，从而减轻用户负担，以提高整个系统工作效率的一门技术。根据众多学者的观点，可对虚拟现实做出如下界定：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是用计算机生成的具有表面色彩的立体图形，即是通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的交互式视景仿真，它可以是某一特定现实世界的真文体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置(不直接戴在身上)。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的物体进行操作（如用手拿东西、行走等）并得到实时立体反馈。
虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特征。所谓沉浸性是指计算机操作者作为人机环境的主导者存在于虚拟环境之中，虚拟现实技术改变了传统的人机交流形式，在传统人机交流活动中，计算机为人提供了丰富的信息，但是人始终是在环境之外，而虚拟现实技术将人置身于人机环境之中，实现了人机环境的和谐统一。所谓交互性，是指人在虚拟环境中与遇到的对象相互作用，是实现人机和谐统一的关键所在，它包含对象的可操作程度、用户从环境中得到反馈的自然程度及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。所谓构想性，是指虚拟现实是启发人创造性思维的活动，它不仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于虚拟环境中获取新知识，产生新构思。
2、建筑漫游概述
建立以多维信息空间为基础的人机环境，实现人与计算机和谐而自然的信息交流，一直是计算机信息技术追求的目标之一。有了虚拟现实技术的支撑，达到这一目标成为现实。建筑漫游正是虚拟现实技术在建筑的领域的应用，该技术不仅对建筑领域相关技术的发展具有重要的现实意义，而且还会带动其他相关领域技术的进一步发展。
建筑漫游系统包括一个视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，它是一个真实空间的实时空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中的对象进行观察，从而产生身临其境的感觉，同时也可以对其中的物体进行规划和操作。一般来说，虚拟环境漫游系统主要包括场景数据库的生成和通用漫游引擎的设计两部分，其框架如图2所示：
图2 虚拟环境漫游系统结构框图
在虚拟现实技术出现以前，建筑师与用户之间的交流通常是通过二维的建筑图纸或者木制模型。通过这种方式，用户很难在头脑中构建出建筑物的清晰形象，除非用户经过良好的训练，能从二维透视图中想象出三维场景，并且对建筑设计符号十分熟悉，当然具备这样素质的用户是很少的。这就造成了建筑设计者与用户之间的交流障碍，用户无法清楚地意识到建筑设计者的意图，也就无法将模型与自己的需求进行对比，更不能根据模型及自己的需求提出建设性建议，设计者也就很难根据用户的真正需求设计出用户满意的方案。建筑设计者和用户都意识到这一点，希望缩小和对方的距离，更清楚了解对方意图。虚拟现实技术实现了他们的愿望，虚拟社区漫游就是虚拟现实技术应用于建筑领域的一个成功范例。虚拟建筑漫游系统可以在建筑物动正式施工之前，先建立一个该建筑物及其所在社区的虚拟模型，设计师和用户可以通过计算机交互设备控制一个假想的观察者（视点）在建筑群模型中移动，而在显示设备上（计算机屏幕或头部跟踪器等）则显示出这个“观察者”所“看”到的景象。这里的视点可以是一个步行者的视点，也可以是一只鸟的视点或者两者都不是，而仅仅是拥有一定高度和运动速度的“眼睛”而已。
建筑物漫游系统对于建筑师、室内装潢设计师和用户来说都具有非常重要的意义。建筑师和室内装潢设计师通过它可以向用户展示自己的设计思路，并及时得到用户的意见反馈。同时，设计中如果有什么不合理的地方也可以通过对三维场景的漫游及时发现，并及时更正。而用户则可以通过漫游系统对自己想要购买的建筑有一个全面的感性认识，做出放心的选择。
3、虚拟现实技术在建筑漫游中的实现
在建筑漫游中，虚拟现实技术主要通过场景数据库和通用漫游引擎来实现。
3.1场景数据库的构建
构建场景数据库，主要有三个步骤，即选择建模工具、确定场景数据库的树状层次结构、构建场景数据库。
3.1.1选择建模工具
目前，可用于构建场景数据库建模的软件主要有：MultiGen Creator， AutoCAD，3D Studio等。这些软件的格式都是不公开的，其中，MultiGen Creator在实时仿真模型构建上功能较强大，AutoCAD也能进行实时仿真模型构建，但是其功能远不如MultiGen Creator，3D Studio也能进行实时仿真模型构建，但是其开发初衷并不是用于构建实时仿真模型，而是为了产生三维动画，所以，综合这些情况来看，要构建实时仿真模型，MultiGen Creator是首选工具。 3.1.2确定场景数据库的树状层次结构
虚拟场景在描绘一个基于真实地形数据的大型虚拟环境的同时，往往又会涉及到虚拟场景中各实体的具体结构和详细状态。因此，在建立这个庞大的场景之前，应该根据虚拟场景中每个实体的几何空间位置，以及模型间的结构关系，确定虚拟场景中所有实体模型的树状层次结构。比如，一个实体可能具有若干可以活动的附件，如房子中门的打开和关闭等。
3.1.3 构建场景数据库
在虚拟现实技术中，场景模型是以场景数据库的方式进行管理和操作的。场景数据库提供了一个较真实的3D环境，它是虚拟现实数据库的重要组成部分。场景数据库主要描述环境中的可见目标及其相对的位置关系，最终给人提供视觉反馈。其主要内容包括地形、地貌（植被、交通道路、水文等）、文化特征（桥梁、大坝、重要建筑物等）、气象条件（能见度、云等）、实体（汽车、行人等）和特殊效果（烟尘、火花等）等。
构建场景数据库主要包括以下步骤：首先，数据、资料的收集，包括：地形地貌、材料纹理、图纸和文字信息等。其次，确定场景数据库的层次结构。再次，分组建模和纹理处理。最后模型数据的整合和集成，形成完整的场景数据库。
3.2 通用漫游引擎的设计
漫游系统的实现包括场景数据库生成和通用漫游引擎设计。通用漫游引擎是一组支持虚拟漫游的核心程序，它将漫游应用的共性功能加以提取，在较大程度上进行代码重用，既可以规范应用的开发，又可以避免重复劳动，加速开发进程。
在虚拟漫游系统中，每次外部输入都对整个系统的活动产生相应的影响，从外部输入入手，可以构建通用漫游引擎框架结构如图2所示：
图2 虚拟漫游引擎框架结构图
在该框架结构中，鼠标、键盘等的外部输入主要实现以下的任务：
(1) 状态设置：用于定制在漫游过程中开／关漫游引擎提供的某些功能，如是否设置雾化等特殊效果、是否使用二维导览图、是否改变相机的高度等。
(2) 视点控制：控制漫游过程中观察相机的运动，同时完成场景调度、碰撞检测与响应、地形匹配等功能。
(3) 实体操纵：对虚拟环境中的实体实施操纵，如移动桌椅、踢地面的球等。
另外，框架结构设计尽量避免了程序代码的干预程度，能够在模型构建时解决的问题或设置的参数尽量在建造模型时处理。这样，不同的漫游应用只要重写输入映射和模型加载模块，即构成一个功能完整的虚拟漫游系统。
虚拟建筑物漫游系统的构建过程也是多数虚拟现实系统开发所经历的过程，因此，该系统的构建对于虚拟现实技术在其他相关领域的应用开发也具有重要的参考价值。
参考文献：
[1] 李长山等．虚拟现实技术及其应用[M]．石油工业出版社．2006．
[2] 周祖德等．虚拟现实与虚拟制造[M]．湖北科学技术出版社．2005．
[3] 张涛．多媒体技术与虚拟现实[M]．清华大学出版社．2008．
[4] 谢晶妮，张茂军．虚拟现实发展趋势展望[J] ．计算机工程，2002，（7）．
[5] 郑彦平，贺钧．虚拟现实技术的应用现状及发展[J] ．信息技术，2005，（12）．
[关键词] 虚拟现实 建筑漫游 实现
引言
随着计算机技术的不断发展，人类认识和改造世界的能力得到不断提高，同时，人类生产生活对计算机技术的依赖也越来越强，计算机技术的发展离不开人类的智能，而人类生产生活能力的提高又在一定程度上依赖于计算机技术的发展。这就要求实现人与计算机的信息交流，人机交互技术是实现人与计算机信息交流的关键，虚拟现实就是研究如何实现人机交流的技术。
1、虚拟现实的含义及特征
虚拟现实是近年计算机技术研究的热点之一，虚拟现实技术是众多计算机高新技术的汇集，包括计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、实时计算技术以及人类行为学等关键技术。虚拟现实技术是多媒体技术发展的高层次形式，将计算机技术引入了一个更高的层次。该技术能给人以更为逼真的体验，它为人类进一步探索世界、改造世界提供了一个现实的途径。
虚拟现实从本质上来说就是一种先进的计算机用户接口，它是通过为计算机用户提供各种直观而自然的感知交互手段，最大程度地方便用户操作，从而减轻用户负担，以提高整个系统工作效率的一门技术。根据众多学者的观点，可对虚拟现实做出如下界定：虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境(如飞机驾驶舱、操作现场等)，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是用计算机生成的具有表面色彩的立体图形，即是通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的交互式视景仿真，它可以是某一特定现实世界的真文体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置(不直接戴在身上)。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的物体进行操作（如用手拿东西、行走等）并得到实时立体反馈。
虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特征。所谓沉浸性是指计算机操作者作为人机环境的主导者存在于虚拟环境之中，虚拟现实技术改变了传统的人机交流形式，在传统人机交流活动中，计算机为人提供了丰富的信息，但是人始终是在环境之外，而虚拟现实技术将人置身于人机环境之中，实现了人机环境的和谐统一。所谓交互性，是指人在虚拟环境中与遇到的对象相互作用，是实现人机和谐统一的关键所在，它包含对象的可操作程度、用户从环境中得到反馈的自然程度及虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等。所谓构想性，是指虚拟现实是启发人创造性思维的活动，它不仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于虚拟环境中获取新知识，产生新构思。
2、建筑漫游概述
建立以多维信息空间为基础的人机环境，实现人与计算机和谐而自然的信息交流，一直是计算机信息技术追求的目标之一。有了虚拟现实技术的支撑，达到这一目标成为现实。建筑漫游正是虚拟现实技术在建筑的领域的应用，该技术不仅对建筑领域相关技术的发展具有重要的现实意义，而且还会带动其他相关领域技术的进一步发展。
建筑漫游系统包括一个视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，它是一个真实空间的实时空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游，从任意角度对环境中的对象进行观察，从而产生身临其境的感觉，同时也可以对其中的物体进行规划和操作。一般来说，虚拟环境漫游系统主要包括场景数据库的生成和通用漫游引擎的设计两部分，其框架如图2所示：
图2 虚拟环境漫游系统结构框图
在虚拟现实技术出现以前，建筑师与用户之间的交流通常是通过二维的建筑图纸或者木制模型。通过这种方式，用户很难在头脑中构建出建筑物的清晰形象，除非用户经过良好的训练，能从二维透视图中想象出三维场景，并且对建筑设计符号十分熟悉，当然具备这样素质的用户是很少的。这就造成了建筑设计者与用户之间的交流障碍，用户无法清楚地意识到建筑设计者的意图，也就无法将模型与自己的需求进行对比，更不能根据模型及自己的需求提出建设性建议，设计者也就很难根据用户的真正需求设计出用户满意的方案。建筑设计者和用户都意识到这一点，希望缩小和对方的距离，更清楚了解对方意图。虚拟现实技术实现了他们的愿望，虚拟社区漫游就是虚拟现实技术应用于建筑领域的一个成功范例。虚拟建筑漫游系统可以在建筑物动正式施工之前，先建立一个该建筑物及其所在社区的虚拟模型，设计师和用户可以通过计算机交互设备控制一个假想的观察者（视点）在建筑群模型中移动，而在显示设备上（计算机屏幕或头部跟踪器等）则显示出这个“观察者”所“看”到的景象。这里的视点可以是一个步行者的视点，也可以是一只鸟的视点或者两者都不是，而仅仅是拥有一定高度和运动速度的“眼睛”而已。
建筑物漫游系统对于建筑师、室内装潢设计师和用户来说都具有非常重要的意义。建筑师和室内装潢设计师通过它可以向用户展示自己的设计思路，并及时得到用户的意见反馈。同时，设计中如果有什么不合理的地方也可以通过对三维场景的漫游及时发现，并及时更正。而用户则可以通过漫游系统对自己想要购买的建筑有一个全面的感性认识，做出放心的选择。
3、虚拟现实技术在建筑漫游中的实现
在建筑漫游中，虚拟现实技术主要通过场景数据库和通用漫游引擎来实现。
3.1场景数据库的构建
构建场景数据库，主要有三个步骤，即选择建模工具、确定场景数据库的树状层次结构、构建场景数据库。
3.1.1选择建模工具
目前，可用于构建场景数据库建模的软件主要有：MultiGen Creator， AutoCAD，3D Studio等。这些软件的格式都是不公开的，其中，MultiGen Creator在实时仿真模型构建上功能较强大，AutoCAD也能进行实时仿真模型构建，但是其功能远不如MultiGen Creator，3D Studio也能进行实时仿真模型构建，但是其开发初衷并不是用于构建实时仿真模型，而是为了产生三维动画，所以，综合这些情况来看，要构建实时仿真模型，MultiGen Creator是首选工具。 3.1.2确定场景数据库的树状层次结构
虚拟场景在描绘一个基于真实地形数据的大型虚拟环境的同时，往往又会涉及到虚拟场景中各实体的具体结构和详细状态。因此，在建立这个庞大的场景之前，应该根据虚拟场景中每个实体的几何空间位置，以及模型间的结构关系，确定虚拟场景中所有实体模型的树状层次结构。比如，一个实体可能具有若干可以活动的附件，如房子中门的打开和关闭等。
3.1.3 构建场景数据库
在虚拟现实技术中，场景模型是以场景数据库的方式进行管理和操作的。场景数据库提供了一个较真实的3D环境，它是虚拟现实数据库的重要组成部分。场景数据库主要描述环境中的可见目标及其相对的位置关系，最终给人提供视觉反馈。其主要内容包括地形、地貌（植被、交通道路、水文等）、文化特征（桥梁、大坝、重要建筑物等）、气象条件（能见度、云等）、实体（汽车、行人等）和特殊效果（烟尘、火花等）等。
构建场景数据库主要包括以下步骤：首先，数据、资料的收集，包括：地形地貌、材料纹理、图纸和文字信息等。其次，确定场景数据库的层次结构。再次，分组建模和纹理处理。最后模型数据的整合和集成，形成完整的场景数据库。
3.2 通用漫游引擎的设计
漫游系统的实现包括场景数据库生成和通用漫游引擎设计。通用漫游引擎是一组支持虚拟漫游的核心程序，它将漫游应用的共性功能加以提取，在较大程度上进行代码重用，既可以规范应用的开发，又可以避免重复劳动，加速开发进程。
在虚拟漫游系统中，每次外部输入都对整个系统的活动产生相应的影响，从外部输入入手，可以构建通用漫游引擎框架结构如图2所示：
图2 虚拟漫游引擎框架结构图
在该框架结构中，鼠标、键盘等的外部输入主要实现以下的任务：
(1) 状态设置：用于定制在漫游过程中开／关漫游引擎提供的某些功能，如是否设置雾化等特殊效果、是否使用二维导览图、是否改变相机的高度等。
(2) 视点控制：控制漫游过程中观察相机的运动，同时完成场景调度、碰撞检测与响应、地形匹配等功能。
(3) 实体操纵：对虚拟环境中的实体实施操纵，如移动桌椅、踢地面的球等。
另外，框架结构设计尽量避免了程序代码的干预程度，能够在模型构建时解决的问题或设置的参数尽量在建造模型时处理。这样，不同的漫游应用只要重写输入映射和模型加载模块，即构成一个功能完整的虚拟漫游系统。
虚拟建筑物漫游系统的构建过程也是多数虚拟现实系统开发所经历的过程，因此，该系统的构建对于虚拟现实技术在其他相关领域的应用开发也具有重要的参考价值。
参考文献：
[1] 李长山等．虚拟现实技术及其应用[M]．石油工业出版社．2006．
[2] 周祖德等．虚拟现实与虚拟制造[M]．湖北科学技术出版社．2005．
[3] 张涛．多媒体技术与虚拟现实[M]．清华大学出版社．2008．
[4] 谢晶妮，张茂军．虚拟现实发展趋势展望[J] ．计算机工程，2002，（7）．
[5] 郑彦平，贺钧．虚拟现实技术的应用现状及发展[J] ．信息技术，2005，（12）．