洪玉潔博士 哈佛大學設計學院
很高興能來到微軟亞洲研究院與大家分享我個人對VR和AR在建築學領域的應用進行的探索。
VR和AR是都是三維的使用者介面，而建築設計是一種三維的設計，所以我認為建築設計領域將是VR和AR發展的重要應用領域。虛擬現實技術使建築師能夠突破時間和空間的限制去構造自己想要的建築物，這不僅能帶給他們一種全新的、“身臨其境”的體驗，也對提升工作效率有很大幫助。
目前已經有人開始嘗試將VR和AR應用於建築製造中。機器人作業系統的精準度和可重複性對建築製造和結構具有重要意義，而AR作為一個新興技術，將具有更多資訊的虛擬圖層新增到這個系統中。由於用於建築製造的機械臂相當笨重，所以在較小的製造規模下探索AR/VR和自動化是十分有價值的。
還有許多人嘗試將VR和AR作為一種三維設計工具，因為它們能增強設計師在設計和體驗空間時的沉浸感，數字空間和現實空間的融合將對建築師進行概念設計、參與設計討論並做出決定，以及人與公共空間的互動帶來革命性的改變。VR和AR，作為三維互動介面，為技術人員提供了一個開放的設計空間，使得各種工具和應用軟體能夠幫助到建築師的設計過程，使得使用者能在遊戲環境中感受設計過程。這是一種讓使用者理解建築設計的有效方式，同時，也推動了設計的民主化。
下面，我將與大家分享我對VR和AR在建築領域應用進行的一些探索。
VR/AR與建築採光設計
採光一直是建築設計中非常關鍵的因素。傳統的設計過程中，建築師更多關注的是像窗戶這樣有開口的地方，使用者只能在大樓建成之後才能體驗到光照效果，因此，設計師是沒辦法提供光照體驗的。在現代建築學中，採光被視為工程問題，主要有兩種設計方式，一是光照驗證(Daylight verification)，二是光照設計(Daylight design)。在傳統的線性設計過程中，光照驗證在具體設計環節之後，因此，發現採光問題後很難修正，而在整合設計過程中，這種問題得到了一些緩解。通常，在一個設計組中會有不同的人共同應對採光的問題。
我還對現有的採光設計技術進行了一些文獻研究。現在有很多光照模擬軟體，比如很多同學在用的Diva，但它只能對特定時間內的平均光照進行視覺化呈現。目前計算機圖形學中的採光設計研究主要集中在光照的模擬和視覺化方面，而不能提供具體的、瞬間的光照體驗。但是基於計算機圖形學的某些技術，瞬間的光照體驗是可以實現的。比如很多遊戲在製造逼真的光照效果上是十分成功的，它們透過對光照效果的巧妙運用，更好地塑造場景的氛圍，給使用者更好的體驗。
這些效果的呈現主要依賴兩大技術：Bloom和HDR(High-dynamic-range imaging)，它們都可以應用在VR中。Bloom的作用是讓所有明亮的畫素以平滑的方式在更大的區域中展開；HDR則是在顯示器有限的亮度範圍內，更好地反映出真實世界中的視覺效果。另外一種技術是SSAO (Screen space ambient occlusion)，目前還不能在VR中應用。它可以實時模擬全球亮度，實時定義光的形狀和深度。現在的硬體已經變得更好也更便宜了，這些硬體和軟體技術都已經足夠成熟，能為人們創造更好的光照體驗。
VR採光設計系統
這是我在碩士階段進行的一項研究，叫做LumiSpace。我搭建了一個VR採光設計系統，供建築師設計室內採光體驗。
在這裡，我想先給大家演示下我研究成果的原型：一個VR採光設計系統，可以使建築師設計室內的採光。影片中的白色部分就是你設計的需要光照的空間，系統會自動生成窗戶所在的位置，也就是綠色的部分。在這個系統中有一個全球的光照系統，根據你設計的光照空間，系統會自動生成合適位置和大小的窗戶。
這是一種逆向設計光照的方式，在傳統的設計中，你需要先設計窗戶，然後在建築完成時才能體驗到光照的效果。但是在這個系統中，你也可以在一天中的不同時間，或是一年中的不同季節來體驗不同的光照效果，甚至可以設計夜晚時的光照效果。在這個系統中，我們使用三星Gear VR以及它的手柄作為輸入裝置。這個系統對於一般人來說可能不太美觀，但是建築師卻認為它很好看。我們略去了很多細節，這是因為在建築設計初期階段中，我們只用簡單的模型。你們可能會覺得綠色的部分不像窗戶，但這只是給建築師的一個參考。
為了實現這一應用，我們在軟體中依據太陽在天空上的位置和方向，以及太陽光照和亮度的比率，在Unity3D中建立了一個太陽光照模型。使用者只需設定具體的時間和地點，光照條件就能自動生成。而且使用者可以指定他們希望陽光落在地板上的什麼地方，透過計算陽光的方向和位置，建議的窗戶位置就會出現。這個系統有幾個主要的互動：1)使用者可以指定照明區域，系統會生成具有特定位置和大小的視窗；2)使用者可以消除照明區域，這樣系統就會關閉窗戶；3)使用者可以在一天的不同時間體驗光照效果；4)在夜間，使用者可以建立人工光源；5)使用者還可以體驗到不同的季節的空間。
為了讓光照體驗更加貼近現實，我們進行了一項實驗來對比現實和虛擬的光照感受。我們做了一個裝置，它模擬了一個開著窗戶的房間，有一個光源在後面移動。我們用這個實驗裝置觀察人們對不同方向和位置的光線的感知。實驗記錄顯示，主要有兩個觀察結果：第一，當光線照射到窗戶上時，亮度會隨著周圍環境的變化而減弱；第二，當光線到來時，人眼會覺得其它的一切都變得更暗。這有兩層原因：首先物理世界中的光度範圍很大，而螢幕的光強範圍有限；其次，人眼會對不同的光照條件進行動態適應。計算機圖形學提供瞭解決這些問題的方法，即Bloom和HDR。將這兩種效果應用到數位相機上，人們能夠獲得更真實的感覺，更接近真實的光照體驗。
接著，我進行了物體大小和距離的感知實驗，因為大多數人對VR在建築中的應用都持積極態度，而我想要驗證這一觀點，VR是否真的讓我們變得更好還是這一切都是人們的錯覺，因此我針對物體大小和距離這兩個建築設計中關鍵的要素進行了一個VR使用者研究。在這個實驗中，我在一個房間中放置了兩個立方體，這兩個立方體大小不同，而且它們的位置與攝像機的距離不同。我分別用VR和Rhino（Rhino是一個很常見的3D建模軟體）創造了兩個完全一致的場景，並對20位設計師進行了測試。研究結果顯示，與Rhino相比，VR在幫助人們確定物體大小方面比有明顯優勢。在距離感知方面，Rhino似乎做得稍好一些，但由於差異不大，樣本數量有限，在這裡無法得出結論。
VR展覽
第二個專案是我們之前在哈佛大學做過的一個虛擬現實藝術展覽專案，該專案展示瞭如何使用VR和全景影片以直觀的方式展示環境資料。這是在哈佛大學40k畫廊進行的的一次特定地點的藝術展覽，它能讓觀眾在當前自己所在的位置沉浸式地體驗海平面上升，達到讓人們瞭解全球氣候變化對當地影響的目的。
首先，我們用6個GoPro相機記錄了真實環境的影像，然後用Autopano Video Pro進行全景影片縫合，接著我們在場景中疊加海平面的影像和一些3D動畫，使它看起來好像地平面出現在水下。這個展覽持續了兩週，開幕當晚有200多人參加。我們還被問到是否可以用這個系統來對其它城市的海平面上升進行視覺化呈現，我們相信利用同樣的操作和該城市的影片，這是可以實現的，而且這種視覺化方法還可以用來呈現像汙染狀況和森林砍伐之類的其它環境問題。
專案團隊成員：Joanne, Jiho, Jenny, Jiabao, Kally, Cindy, Yaqing, Namju
HouseZero Holo
第三個專案是為哈佛綠色建築與城市研究中心（CGBC）提供的視覺化工具HouseZero Holo。在這個專案中，我們設計了一個旨在實現零能耗的建築，同時利用HoloLens和AR的新硬體和軟體建立了一個更身臨其境和直觀的資料視覺化模式。該專案主要有兩個目標：一是幫助參觀者理解建築在改善自然通風、自然採光和淨零能耗方面的創新，二是協助CGBC的研究人員監控這些創新的表現。
專案團隊組員：Xiaobi, Mia, Brian, Jiho, Spyros, Xiao
VR遊戲
最後一個專案是一個VR遊戲，叫做Space Shifter。它基於對熟悉空間的陌生化處理，讓使用者與虛擬空間產生新穎直觀的互動。我們對哈佛校園中Gund Hall裡的一系列空間進行數字化處理，使之能夠表現現實中的場景，讓使用者在虛擬現實世界中導航和漫遊。
掃描二維碼，檢視專案演示影片
每個遊戲場景都是一個特定的房間，房間裡有一個入口，玩家必須透過這個入口才能進入下一個空間。當他嘗試進入下一個空間時，會有一些幾何或光線的變形阻擋他，但總有一種方法可以還原這些變形或發現一些隱藏的特徵，使他能夠進入下一個房間。
遊戲中有三個不同的房間，每一個都以互動發生的方式設定了特定的主題。第一個房間的主題是比例變換。入口就是門，但是當使用者向它移動時，房間會伸縮，門會移得更遠，所以僅僅靠走過去是不可能實現的。類似地，房間可以向使用者試圖移動的任何方向伸縮，例如，如果使用者試圖跳躍，就會出現高得不切實際的椅子，椅子腿之間的空間看起來就像拱廊。第二個房間是樓梯間，使用了多種照明轉換。向室內移動時，使用者就會觸發不同的燈光效果開關，隱藏或暴露房間內部分空間。第三個地方是Piper禮堂。使用者漂浮在空間內，而且房間會根據使用者的移動圍繞水平軸進行旋轉。
專案團隊組員：Spyros, Jacob
謝謝大家！
