導(dǎo)讀：哪些是在過去十年中對城市景觀產(chǎn)生影響的VR-AR應(yīng)用程序，以及未來幾年可能出現(xiàn)的應(yīng)用程序？
本文的目的是來解答這個（大）問題。我們通過關(guān)注三個主要方面來解答：
出行，更具體地說，城市中便利的交通；房屋，更廣泛地說，建筑學(xué)；城市，更廣泛地說，城市化。作者：布魯諾·阿納迪（Bruno Arnaldi）、帕斯卡·吉頓（Pascal Guitton）、紀(jì)堯姆·莫羅（Guillaume Moreau）
譯者：侯文軍 蔣之陽 等
來源：華章科技
如今，無處不在的戶外導(dǎo)航工具關(guān)聯(lián)著日益精確的世界地圖。我們還可以看到，精確的城市制圖不再僅僅是城市管理的技術(shù)服務(wù)。在過去十年中，這一領(lǐng)域的重大發(fā)展是那些行業(yè)領(lǐng)先的大企業(yè)（例如Google、Apple、Microsoft、Tom Tom、Mappy、Here）的工作成果（見圖1.25、圖1.26和圖1.27）。
▲圖1.25 谷歌地圖：2D視圖（? Google Maps）
▲圖1.26 谷歌地圖：3D視圖（? Google Maps）
▲圖1.27 谷歌地圖：街景（? Google Maps）
2D和3D可視化技術(shù)越來越多地應(yīng)用到通用的應(yīng)用程序（例如谷歌地圖）中，其可以通過標(biāo)記出用戶之前可能不知道的路線來引導(dǎo)用戶到達(dá)位置。這些應(yīng)用程序也會向我們提供其他信息，例如，指出沿途或目的地附近的興趣點(diǎn)（例如美食、文娛、商場）的地理位置。
雖然這些推薦并不總是讓用戶感興趣，但它們?nèi)越?jīng)常出現(xiàn)，因?yàn)閺V告可以為這些應(yīng)用的開發(fā)提供部分資金。
由于過于抽象的地圖難以閱讀（2D視圖對許多人來說有困難），AR很快成為了促進(jìn)移動性問題的解決方案。它能將路徑可視化疊加到其用戶真實(shí)觀察環(huán)境的圖像上，方便用戶在智能手機(jī)或平板電腦上查看（見圖1.28）。
▲圖1.28 Here公司的AR應(yīng)用導(dǎo)航（? Here）
此外，AR的存在或許打破了良好導(dǎo)航輔助系統(tǒng)的主要限制。當(dāng)用戶面對過多困難的認(rèn)知任務(wù)時，他們會分散對環(huán)境中可能存在的風(fēng)險的注意力，而AR導(dǎo)航使得用戶（行人、騎行者或駕車者）易于閱讀地圖和識別位置，而并不會因此卷入危險中。
因此，移動終端上的地圖在過去10年中得到迅速發(fā)展。日益逼真的3D信息可視化、用戶定位的GPS功能和基于他們出行方向的定向地圖是迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素。
當(dāng)我們期待無人駕駛汽車的出現(xiàn)時，可以選擇在車輛中使用這些移動終端：將這些圖像疊加在擋風(fēng)玻璃上，使我們的眼睛始終盯著路面。實(shí)際上，如果我們遇到意外需要做出反應(yīng)時，不專注道路而專注于導(dǎo)航設(shè)備會分散注意力并因此增加反應(yīng)時間。
所以我們談?wù)摗?strong>平視顯示器”（HUD），它長期以來一直用于航空（武裝航空和現(xiàn)在的民用航空）中可視化駕駛艙內(nèi)的信息。這些系統(tǒng)是多年前由汽車制造商和戶外用品商開發(fā)的，它們目前僅限用在少數(shù)車輛（通常是高端車輛）的唯一原因在于所采用的營銷策略。很明顯，這些設(shè)備將在未來幾年變得更加普及。
然而，在廣泛使用這些AR應(yīng)用之前，還有一個問題需要解決：駕駛時的預(yù)期。實(shí)際上，在用于汽車的GPS工具中，沿路的變化（例如，在交叉路口轉(zhuǎn)彎）被預(yù)先告知并被可視化，這使得駕駛員可以通過將他們當(dāng)前的視角替換為他們將在前方幾十米處的視野來為變化做好準(zhǔn)備。
在AR應(yīng)用程序中，可視化以用戶當(dāng)前位置為中心，目前無法在當(dāng)前視角上預(yù)測這種變化。對于行人而言，這種情況不成問題，因?yàn)樗麄円缘退傩旭偅軌驅(qū)崟r做出反應(yīng)，這與汽車用戶不同，以更高的速度行駛并且提前預(yù)期是非常必要的。
另一個將注意力集中在用戶位置的例子：在AR中查看附近的商店（見圖1.29）更有效？還是在地圖上查看能更正確地衡量相對空間的分布？
▲圖1.29 AR視圖顯示興趣點(diǎn)（? Nokia Live）
可以使用現(xiàn)有的3D數(shù)據(jù)庫來解決這個問題，以便在以用戶為中心的視覺顯示和更一般的視角（俯瞰？）之間進(jìn)行切換，這有助于預(yù)測和查看附近的信息。
另一個挑戰(zhàn)是遮擋物的處理，由于圖像的獨(dú)特2D特征，其中沒有任何深層的信息，因此有時很難確定某些元素是否位于建筑物的前面或后面。在城市環(huán)境中，建筑物密度高，這種準(zhǔn)確感知環(huán)境的難題阻礙了AR應(yīng)用的更大發(fā)展。隨著深度捕獲工具的普及，出現(xiàn)了一個問題，即采用哪種方法能以最佳的方式對用戶可視化這些信息。
02 房屋與建筑學(xué)在可持續(xù)城市系統(tǒng)方面，我們對能夠研究、展示和共建城市的設(shè)備更感興趣。由于城市由房屋和其他建筑物組成，城市與建筑學(xué)之間存在明顯的聯(lián)系。
在過去的十年中，建筑中使用的合成圖像已經(jīng)有了很大的發(fā)展（見圖1.30和圖1.31），最顯著的是由于可視化算法的進(jìn)步以及專業(yè)和通用的建模軟件發(fā)展得很好。這只是日常生活中的插曲，但卻在過去五年中取得了最大的進(jìn)步。考慮到人物和裝飾元素的數(shù)量，建筑物的形象會在其周圍的生活中逐漸消失。
▲圖1.30 以前的合成圖像（? Archivideo）
▲圖1.31 現(xiàn)代合成圖像（? Kreaction）
AR用于建筑在今天仍然像軼事一樣，并且通常僅用于將建筑物的3D圖覆蓋到平面圖上。除了最初的激動之外，我們想知道這種表達(dá)對提供內(nèi)部導(dǎo)航的建筑物的3D模型的“經(jīng)典”可視化究竟有什么真正的好處。
此外，AR在戶外的使用帶來了與使用移動導(dǎo)航工具相同的問題，但更為尖銳的是，它還涉及地理定位和隱藏物的處理（見圖1.32和圖1.33）。
▲圖1.32 戶外虛擬現(xiàn)實(shí)（? Rennes Métropole）
▲圖1.33 平面圖增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（? Artikel）
另一方面，VR提供了一系列工具，幾乎都是首次出現(xiàn)。許多建筑師夢想在未來的建筑中“走動”，實(shí)際上可能只停留于藍(lán)圖階段。那些已經(jīng)對多感官感知（視覺、聽覺、觸覺）敏感的建筑領(lǐng)域的專業(yè)人士是VR的理想受眾。
然而，必須指出的是，盡管經(jīng)常提到類似的應(yīng)用程序，但它們通常只是軼事。除了可以通過降低VR設(shè)備（耳機(jī)和大屏幕沉浸式系統(tǒng)）的巨大成本消除經(jīng)濟(jì)障礙外，主要障礙是文化！事實(shí)上，許多建筑師認(rèn)為客戶很難理解還不完全確定的對象。
因此，他們將VR僅用于項(xiàng)目的最終展示，關(guān)注的重點(diǎn)是高度真實(shí)。這限制了VR作為通信工具為大型項(xiàng)目服務(wù)。與此同時，一些建筑師或“高端”發(fā)起人不愿意使用它，因?yàn)槎鷻C(jī)切斷了與客戶的視覺聯(lián)系，這在銷售宣傳中是必不可少的，對此的一個解決方案是將架構(gòu)師以化身的形式引入到VR應(yīng)用中。
由于在建筑設(shè)計的不同階段更多地需要協(xié)同工作，以及模型要求越來越精細(xì)且易于更新，使用VR的情況正在逐漸演變。這些創(chuàng)新統(tǒng)稱為BIM（建筑信息模型），是在建筑中使用VR的關(guān)鍵要素。更具體地說，BIM由Eastman等人提出，它作為設(shè)施的設(shè)計，施工和管理的新方法，其中施工過程的數(shù)字化用來促進(jìn)信息的交換和互操作性。
令人感興趣的是分析3D和潛在VR在室內(nèi)設(shè)計供應(yīng)商（例如浴室，廚房）中的使用（見圖1.34）。
▲圖1.34 Ixina廚房（? Ixina-Dassault Systèmes）
從2D圖表到交互式3D表示，這個領(lǐng)域已經(jīng)迅速發(fā)展。其原因很簡單：當(dāng)投資該設(shè)備的所有成員都有此想法時，銷售額會大增。這直接揭示了使用2D設(shè)計的局限性。沉浸式可視化可以增加客戶的消費(fèi)沖動。因此，這個領(lǐng)域是VR的忠實(shí)用戶并不奇怪，這尤其要?dú)w功于最近出現(xiàn)的新型低成本設(shè)備。
03 城市和都市生活與普遍的觀念相反，即使是由某些專業(yè)人士創(chuàng)作的，或由城市化所采用的技術(shù)方法與建筑學(xué)中使用的方法是不一樣的。雖然城市是由建筑物組成的，但是它們的數(shù)字模型（以及用于構(gòu)建它們的建模方法）是非常不同的。
如今，對于在標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)上使用這些軟件的人來說，創(chuàng)建一個真實(shí)的建筑模型并獲得交互式可視化模型是很容易的。因此，他們就會設(shè)想用建立交互模型的方式來規(guī)劃城市：建造一個小型建筑群，然后是一個社區(qū)，最后是一個城市。
但是很不幸，這種想法是錯誤的：
首先，有一個復(fù)雜的問題：對于一個由數(shù)十棟、數(shù)百棟甚至數(shù)千棟建筑組成的城市環(huán)境來說，它們之間的差異不能簡單地考慮為許多小型建筑群的疊加；其次，數(shù)據(jù)量的增加并不是線性的—存在限制使用某些軟件解決建模問題的閾值（特別是與計算機(jī)上可用和有效可用內(nèi)存容量相關(guān)的閾值）；最后，也是最重要的一點(diǎn)，一個城市不僅僅是由建筑組成的，它還有形形色色的具有復(fù)雜性質(zhì)的物體，甚至可能是看不見的（例如道路、路標(biāo)、可能的地下交通網(wǎng)絡(luò)、通信線路等）。此外，研究城市的尺度不同，結(jié)果也會千差萬別：從宏觀的角度分析道路交通問題或研究城市策略（城市規(guī)劃）到以單個建筑為中心的觀點(diǎn)，類似于建筑（城市設(shè)計）中使用的觀點(diǎn)。
所有這些因素都解釋了為什么完整的建模（參見圖1.35）還沒有普及，以及為什么我們常常限制自己只考慮特定項(xiàng)目周圍的環(huán)境。
▲圖1.35 沉浸式空間圖像（? IRISA）
盡管數(shù)字城市數(shù)據(jù)有時具有第三維度（高度），但用于建模和可視化城市的老式軟件是使用平面方法（2D）構(gòu)建的，這將它們的使用限制在更適合稱為2.5D的方法上。這不僅是由于技術(shù)上的簡化（例如地面顯示的優(yōu)化、平面投影的使用），而且是由于建立2D地圖的歷史。
盡管這種技術(shù)已經(jīng)存在了很長一段時間，但如通用GéoPortail，谷歌地圖和谷歌地球等應(yīng)用程序的存在正射投影在近幾年才真正流行起來。這些應(yīng)用是基于航拍照片的顯示，這些照片的幾何形狀已被修改，因此可以與鋪設(shè)該區(qū)域表面的地理參考物相關(guān)聯(lián)。
對于城市的3D表現(xiàn)，這種可視化（稱為“斜航影像”）是目前使用最廣泛的，因?yàn)樗试S用戶輕松地感知環(huán)境或項(xiàng)目中的程序（見圖1.36）。這種感知利用了一種大部分基于想象的解碼過程：就算我們從未坐過飛機(jī)，也都在（電影或電視上）看到過類似的視覺序列。
▲圖1.36 數(shù)據(jù)庫接收到的空中數(shù)據(jù)（? Rennes Métropole）
如果想擁有一個真正沉浸式的城市環(huán)境視圖，我們必須采用不同的建模方法。實(shí)際上，所有的用戶都有過行人的體驗(yàn)，垂直元素（建筑、人行道、路標(biāo)、植被）在感知和定位自身的過程中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。
以這種方式重建一個城市，獲得身臨其境的視覺體驗(yàn)（見圖1.37）還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是簡簡單單完全自動進(jìn)行的。實(shí)際上，這些虛擬城市構(gòu)建者花費(fèi)了大量時間來確保元素之間的一致性，而這些無法僅使用現(xiàn)有的通常取自地理信息系統(tǒng)（GIS）、主要由地方政府使用（例如土地注冊、網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)來自動處理。
▲圖1.37 虛擬的巴黎一角（? Archivideo）
獲得平坦的道路、整合橋梁，或者更糟的是，調(diào)整錯誤的模型，如樹木與路線平行生長或生長在建筑物上的明顯謬誤（由正射投影或由手持掃描器拍攝的圖像所產(chǎn)生）：所有這些以及更多的因素造成了過多的障礙，以致如果沒有最終的人為調(diào)整，這些問題就無法全部得到處理。
但調(diào)整是相當(dāng)困難的，一點(diǎn)也不容易。這種處理的結(jié)果是，為視覺沉浸體驗(yàn)而建造的城市模型需要大量投資，但回報難以估算。
后一個發(fā)現(xiàn)似乎與谷歌或蘋果公司使用大量相關(guān)算法生成的城市數(shù)據(jù)庫中最近的演化不一致有關(guān)（見圖1.38）。
▲圖1.38 谷歌地圖（? Google Maps）
我們要時刻記得，這些應(yīng)用程序產(chǎn)生視覺效果與現(xiàn)實(shí)相差無幾，使用正射影術(shù)為主而不是3D數(shù)據(jù)庫來建模。如果用戶退出鳥瞰圖并希望“下來”，很快就會出現(xiàn)視覺畸變。因此，這些應(yīng)用程序禁止視覺軌跡“過低”。
為了消除這些對導(dǎo)航的限制，谷歌街景使用了另一個數(shù)據(jù)庫，里面的照片不是從空中拍攝的，而是在特定的攝影任務(wù)中（使用裝有攝影機(jī)及GPS系統(tǒng)的車輛）從地面拍攝的，目的是全方位覆蓋一個城市的所有街道。這個應(yīng)用程序提供了從一個特定的點(diǎn)360°觀察周圍所有建筑的視角，所拍攝到的景色與一般行人的視線處于同一水平線。
但是，我們必須指出這些視圖并不真正符合VR的條件，事實(shí)上，它們是基于精確點(diǎn)拍攝的照片，因此無法響應(yīng)用戶自由移動的愿望（例如，進(jìn)入花園）。因此，它們不能被重新定向或擴(kuò)展以滿足用戶自由移動的愿望。
這種差異可以很簡單地解釋為VR是基于從任意角度和任意方向?qū)崟r計算合成圖像，合成出的3D模型給了用戶完全的自由，而不是基于照片的應(yīng)用程序。
最后，讓我們明確一點(diǎn)：這種區(qū)別不是一種價值判斷，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。根據(jù)所期望的目標(biāo)和現(xiàn)有的手段，它們往往是相輔相成的。
04 邁向可持續(xù)城市系統(tǒng)讓我們回到本節(jié)開始時提出的問題的核心。除了純粹的技術(shù)考慮和必須消除的障礙之外，在未來十年，在所謂的可持續(xù)城市下，我們希望為VR-AR開發(fā)哪些功能?我們可以說明三種不同的用途：
第一個用途與項(xiàng)目使用的通信方式直接相關(guān)。盡管這種觀點(diǎn)并不過時，但現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為，3D可視化比地圖更有效，尤其是在演示中更加有用。
如今，城市專家往往希望將他們的項(xiàng)目傳達(dá)給幾乎沒有或根本沒有技術(shù)專長的人，比如民選官員或公民。這里的難點(diǎn)是清楚地說明項(xiàng)目，并避免在解釋信息時出現(xiàn)錯誤。然后可以從用戶的角度引入VR-AR。鑒于其局限性，展示表達(dá)可以很容易地從用戶的角度（他們所感知的）轉(zhuǎn)移到項(xiàng)目細(xì)節(jié)（項(xiàng)目如何工作）。
第二個用途是在社區(qū)內(nèi)開放技術(shù)服務(wù)。這樣做是為了避免“豎井”工作的影響，即每個專家處理自己的問題，而不涉及其他項(xiàng)目的附帶影響。
建設(shè)更具一般性，內(nèi)涵豐富的城市模型的協(xié)同工作正在開展，目的是提高城市的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)效率。通過在項(xiàng)目評審過程中使用VR沉浸式共享視圖，技術(shù)知識的匯集將變得更加容易（正如我們已經(jīng)在其他領(lǐng)域看到的那樣，例如制造業(yè)和科學(xué)）。至于AR技術(shù)，它很可能在公共空間的維護(hù)方面有相當(dāng)大的發(fā)展。
第三種用途與第一種用途有關(guān)，其原因是一些市政當(dāng)局希望通過給予他們參與項(xiàng)目定義和開發(fā)的選擇權(quán)，與其公民共同建設(shè)城市。他們的問題是：“在整修、布局和交通方面，你希望看到什么樣的城市？”。
成功地采用這一程序需要解決某些問題：那些在“上游”階段的是如何呈現(xiàn)問題以及可能的場景。在“下游”階段，他們是如何列出和總結(jié)市民的建議。很明顯，VR提供了部分答案，因?yàn)樗试S異類群體在同一時間、同一地點(diǎn)可視化城市環(huán)境。
然后，它允許對所討論的對象進(jìn)行可視化模擬（例如，添加一個新建筑，修改一條運(yùn)輸線），以便促進(jìn)對該問題的集體討論。
我們希望，隨著低成本VR技術(shù)的到來，以及允許處理城市數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，城市和市民之間將迎來一個對話的新時代。RennesCraft（見圖1.39和圖1.40）等實(shí)驗(yàn)的例子或Niel在波爾多的生態(tài)友好社區(qū)布局，都可以被視為這一過程的象征。
▲圖1.39 RennesCraft（? Rennes Métropole-Hit Combo）
延伸閱讀《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)》
關(guān)于作者：布魯諾·阿納迪（Bruno Arnaldi），法國雷恩第一大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系教授；帕斯卡·吉頓（Pascal Guitton），法國波爾多大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系教授；紀(jì)堯姆·莫羅（Guillaume Moreau），法國南特中央理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系教授。
三位作者均為VR與AR領(lǐng)域的資深研究者，1994年起任職于法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)的GT-VR工作組，2005年聯(lián)合創(chuàng)立了法國虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)會(AFRV)，并分別擔(dān)任該協(xié)會的主席、副主席和行政委員會委員，有力推動了教育界、產(chǎn)業(yè)界以及解決方案供應(yīng)商的高效合作。
本文摘編自《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：神話與現(xiàn)實(shí)》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。
延伸閱讀《虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)》
推薦語：本書匯集了30余位學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的專家，聚集于近10年來VR-AR領(lǐng)域的重要應(yīng)用和發(fā)展趨勢，并對未來10年的發(fā)展前景做了合理推斷，但并不展開討論技術(shù)細(xì)節(jié)。適合該領(lǐng)域的投資者、決策者、創(chuàng)業(yè)者和技術(shù)開發(fā)者以及廣大新興技術(shù)的愛好者閱讀。
