原創(chuàng) 于震 高性能建筑

可視化與智能建筑

數(shù)據(jù)可視化，是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究。其中，這種數(shù)據(jù)的視覺表現(xiàn)形式被定義為，一種以某種概要形式抽提出來的信息，包括相應(yīng)信息單位的各種屬性和變量。它是一個(gè)處于不斷演變之中的概念，其邊界在不斷地?cái)U(kuò)大。主要指的是技術(shù)上較為高級(jí)的技術(shù)方法，而這些技術(shù)方法允許利用圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺以及用戶界面，通過表達(dá)、建模以及對(duì)立體、表面、屬性以及動(dòng)畫的顯示，對(duì)數(shù)據(jù)加以可視化解釋。與立體建模之類的特殊技術(shù)方法相比，數(shù)據(jù)可視化所涵蓋的技術(shù)方法要廣泛得多。

在應(yīng)用智能建筑系統(tǒng)進(jìn)行智能建筑管理時(shí)，便捷、美觀的人機(jī)界面有助于提高使用效率。從命令行和文字界面、到二維圖形界面，準(zhǔn)三維透視可視化界面到三維可視化界面，在信息屏幕上所展示的信息越來越接近真實(shí)世界中的對(duì)象。

主流三維可視化技術(shù)路線

目前智能建筑三維可視化有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括顯示效果更接近真實(shí)世界的基于各種游戲開發(fā)引擎的可視化實(shí)現(xiàn)，比較輕量級(jí)的包括基于WEB GL的可視化技術(shù)，以及基于VR的可視化技術(shù)。

1.1基于三維游戲開發(fā)引擎

三維可視化最主要的行業(yè)應(yīng)用還在于游戲和電影。市場(chǎng)上有著多種主要面向游戲的三維可視化引擎，可以用于開發(fā)建筑領(lǐng)域的三維可視化界面。其中Unity 3D和U4E等商業(yè)化引擎是市場(chǎng)主流。Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件。其編輯器可運(yùn)行在Windows、Linux(目前僅支持Ubuntu和Centos發(fā)行版)、Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL（需要HTML5）、Windows phone 8和Android平臺(tái)。也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。它的網(wǎng)頁播放器也被Mac 所支持。

采用商業(yè)化三維引擎，進(jìn)行智能建筑開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)接近真實(shí)世界的光影、實(shí)體效果，能夠進(jìn)行多樣的對(duì)象交互。由于游戲行業(yè)規(guī)模大，技術(shù)進(jìn)步迭代速度也很快。然而，智能建筑領(lǐng)域的開發(fā)相對(duì)游戲開發(fā)，需要更敏捷、輕量化，采用商業(yè)游戲三維引擎開發(fā)，存在著安裝包較大、加載慢、WEB部署難度大、開發(fā)成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)的問題。

1.2基于WEB?GL的可視化技術(shù)

WebGL（全寫Web Graphics Library）是一種3D繪圖協(xié)議，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，通過增加OpenGL ES 2.0的一個(gè)JavaScript綁定，WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，這樣開發(fā)人員就可以借助系統(tǒng)顯卡來在瀏覽器里更流暢地展示3D場(chǎng)景和模型了，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化。

顯然，WebGL技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)免去了開發(fā)網(wǎng)頁專用渲染插件的麻煩，可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁面。WebGL解決了現(xiàn)有的Web交互式三維動(dòng)畫的兩個(gè)問題：第一，它通過HTML腳本本身實(shí)現(xiàn)Web交互式三維動(dòng)畫的制作，無需任何瀏覽器插件支持;第二，它利用底層的圖形硬件加速功能進(jìn)行的圖形渲染，是通過統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、跨平臺(tái)的OpenGL接口實(shí)現(xiàn)的。

WEB GL的核心是用瀏覽器作為三維圖形的界面進(jìn)行人機(jī)交互，因此，這一技術(shù)路線更適合進(jìn)行BS架構(gòu)的智能建筑系統(tǒng)部署，更加輕量級(jí)，相對(duì)更加完善的大型商業(yè)引擎來說，仿真效果要略差一些，很多項(xiàng)目采用了抽象的框、線、面的方式來呈現(xiàn)三維的建筑和設(shè)備，也能取得很好的視覺效果。

1.3基于VR和AR的可視化技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(英文名稱：Virtual Reality，縮寫為VR)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)VR技術(shù)的需求日益旺盛。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality)技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，兩種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。

相對(duì)于前文介紹的兩種方式，采用VR和AR方式進(jìn)行智能建筑可視化具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以通過拍攝重建三維場(chǎng)景，可避免建模；2）可通過屏幕、VR眼鏡、手機(jī)等多種方式進(jìn)行交互，方式多樣；3）可實(shí)現(xiàn)沉浸式交互，未來發(fā)展有廣闊可能性；4）輕量級(jí)，非常便于網(wǎng)絡(luò)交互和部署。

VR在高性能智能建筑平臺(tái)SciPlat+中的應(yīng)用

在中國(guó)建研院開發(fā)的SciPlat+平臺(tái)中，創(chuàng)新性地使用了VR和AR技術(shù)進(jìn)行三維交互，界面美觀、加載時(shí)間短 、操作方便。

結(jié)語

三維可視化有助于提高智能建筑系統(tǒng)的使用效率。在中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的高性能智能建筑平臺(tái)SciPlat+中，采用了基于VR和AR的三維可視化技術(shù)路線，可以美觀方便地實(shí)現(xiàn)：1）大屏幕展示：可連接大尺寸觸摸屏，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行展示；2）現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)：通過互動(dòng)方式，介紹關(guān)鍵技術(shù)和項(xiàng)目亮點(diǎn)；3）沉浸體驗(yàn)：提高項(xiàng)目視覺沖擊力；4）網(wǎng)絡(luò)推廣：可微信、二維碼等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推廣。中國(guó)建研院是建筑領(lǐng)域規(guī)模最大的技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)，企業(yè)歸屬于中央直屬企業(yè)，綜合實(shí)力強(qiáng)，信譽(yù)可靠，國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制和管理單位。本系列產(chǎn)品來自多年來國(guó)家科技支撐和重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)的核心技術(shù)成果，具有大量的技術(shù)儲(chǔ)備，具有未來發(fā)展的充足動(dòng)力！中國(guó)建研院是技術(shù)提供方，不是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，希望通過技術(shù)與產(chǎn)品，賦能合作伙伴，攜手發(fā)展，為新基建做出貢獻(xiàn)！