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第1篇：建筑環境學論文范文

關鍵詞：建筑環境學 核心基礎課 教學改革

中圖分類號：TU-4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0126-02

Course Teaching of Built Environment

Li Shuzhan，Li Hongxin

（College of Civil Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou Henan，China 450001）

Abstract：In the paper，we analyzed the problems in the teaching of the course of built environment and carried out a comprehensive teaching reform form many aspects such as course orientation，course continuity，teaching methods and assessment methods combined with several years of experience in teaching.

Key Words：Built Environment；The Core Basic Course；Teaching Eeform

建筑環境學是1998年專業調整以后，建筑環境與設備工程專業新設置的專業基礎課，該課程與傳熱學、工程熱力學及流體力學共同組成了建筑環境與設備工程學科的專業基礎平臺，但是，唯有建筑環境學反映了本學科本質特點，是本學科區別于其他學科的核心基礎。

1 課程特點及教學難點

建筑環境學課程涉及內容廣泛，從與采暖空調密切相關的建筑外環境、建筑熱濕環境以及由此產生的人體對建筑熱濕環境的反應，到建筑空氣環境，再到建筑光環境和聲環境，包含了建筑、傳熱、聲、光、材料、生理、心理等多門學科內容[1]，其中很多內容都是學術界的前沿，而且很多問題仍在討論中，這就給教學帶來了很大的難度。在實際教學過程中，學生普遍感覺本課程信息量大而且不連貫，術語與理論公式較多，理解困難。

建筑環境學部分內容與后續專業課的教學內容重復。例如，建筑環境學在建筑熱濕環境章節中針對建筑熱濕環境的內、外擾量及透光圍護結構和不透光圍護結構的傳熱性能從機理分析到實際運算進行了詳盡的介紹，但這部分內容在后續的“空氣調節”專業課中仍將重復介紹，從而導致了課時不必要的浪費。

建筑環境學課程教學的實用性不突出。目前環保與節能減排已成為社會關注的熱點，各種建筑環境測試、建筑及建筑設備的節能評估、節能診斷已成為社會急需的技術，但是作為其學科基礎的建筑環境學課程則側重于理論分析而缺乏實際技能和方法介紹。這往往使學生覺得課程脫離實際，沒有實踐操作性，因此缺少學習熱情。

2 教學探討

根據建筑環境與設備工程專業的培養要求，結合我院的具體情況，筆者在教學中對本專業數屆本科生進行了教學改革探討，總結幾年的實際教學經驗，得到以下幾點體會，希望對建筑環境學課程建設的良好發展起到拋磚引玉的作用。

2.1 充分認識，明確定位

建筑環境學是學生真正接觸本專業實質性內容的第一課[2]，因此，該課程的學習是激勵學生熱愛本專業并由此建立社會責任感的契機。在課程教學中，特別是緒論介紹中，應采用淺顯生動的講述，使學生了解建筑-設備-環境之間的關系，使學生明確建筑環境學是建筑環境與設備專業特色與核心基礎，它反映了本專業與熱能動力專業的根本區別，明確本專業的根本任務就是貫徹“以人為本”的主線，營造舒適、健康、綠色的室內居住環境和工作環境，后續所有課程的學習都是圍繞該目標而進行的。學生通過該課程學習，能夠樹立節能環保、可持續發展的觀念。

2.2 結合后續課程，注意前后銜接

根據教學計劃安排，建筑環境學課程總學時數為48學時，課時少而內容多，因此不能面面俱到。由于后續課程中有部分內容重復，所以在本課程講解過程中應互相結合，側重點不同。例如，冷熱負荷計算在建筑環境學中熱濕環境章節占有較大部分，但是該內容在后續空氣調節課程中將更加詳細介紹，因此，在本課程講解中將側重于定義、成因分析，詳細講解負荷形成機理，而具體公式計算過程、計算機程序應用則由后續課程重點講解。這樣，“少講”優于“多講”，可使學生將知識點“吃透”，而不至于“囫圇吞棗”。

在教學體系設置上，應當使建筑環境學的教學內容與“空氣調節、供熱工程”等專業課的教學內容建立起有效的銜接。我院在課程設置上，將“建筑環境學”安排在大二第二學期，將“空氣調節、供熱工程、建筑環境測試技術”安排在大三第一學期。學生經過建筑環境學課程的“墊底”后，立刻接觸到專業技能的訓練，這樣前后連貫，學生將更加清楚前期良好地建筑環境目標是如何通過后期一系列的設備技術實現，更加明確各門專業課程目的與任務，學習系統性更強。

2.3 多種教學手段應用，增強實踐性

目前，建筑環境學的講解主要依靠課堂講述和多媒體課件的演示，雖然相比傳統理論教學模式直觀性增強，但仍存在不足，學生在學習過程中需要進一步增強參與性和實踐性。建筑環境學是一門與生活息息相關的科學，要想讓學生將課程的理論知識理解透徹，需要教師充分發揮主觀能動性，將課本知識與實際生活現象聯系起來，借助一些簡單儀器、設計一些小實驗或小調查，讓學生通過切身體會加深對教學內容的理解和掌握。例如，筆者在課堂授課的同時，組織學生分別體會室外陽光下和背陰處體感溫度差別，加深對室外空氣綜合溫度的認識和理解；通過測試不同朝向、不同圍護結構的教室的溫度變化，向學生說明建筑布局、圍護結構的熱濕傳遞與建筑節能的關系；通過實地參觀建材市場，使學生掌握甲醛等有害物質的來源、危害及釋放特性，加深對室內空氣品質重要性的感受。這一系列的觀察實踐活動使得枯燥的課本內容變得生動起來，使教學內容與實際生活密切聯系，激發學生主動學習的熱情，可以得到事半功倍的教學效果。

2.4 課程考核方式改革，注重能力培養

目前，多數高校的考核機制是理論成績所占比例高，因此，學生只注重學習理論知識，而忽視了工程實踐能力的培養。這樣的考核方式必須進行改革，應把專業知識應用的程度作為考核的重點內容。我院采取的考核方式是：課后思考題作為小作業，占50%；科研論文作為大作業，占50%。通過課后思考題的論述，學生對于課本理論知識有了更加深刻的理解，而通過科研論文的撰寫，則培養了學生的創新能力和實踐工程能力。針對學生初次接觸專業知識、沒有撰寫論文經驗的特點，筆者將學生分為數組，每組建議1～2個與建筑環境學相關的科研題目，鼓勵學生通過查找資料、問卷調查、簡單實驗操作等步驟獨立完成課題，并指導學生參考固定的論文格式形成較為規范的科研論文，并進行課堂匯報。學生普遍對這樣的考核方式很感興趣，在論文選題、實踐操作中不斷主動提出問題并形成熱烈討論。通過這樣的考核過程，學生的動手能力和靈活解決問題的能力明顯增強，具有了一定自我培養工程能力的素質，對后期專業課程的學習建立了充分的自信心。

建筑環境學是后續專業課程的基礎，是學生初步宏觀認識建筑環境與設備工程學科的一個窗口，是正確合理運用暖通空調等專業技術手段的基礎。因此，在教學過程中應格外重視，應通過不斷的教學探討，加強該課程與各門專業課的銜接，改進教學手段與考核方法，增強課程的實踐性，培養學生的創新能力與工程能力，從而真正發揮建筑環境與設備工程專業核心基礎課程的作用。

參考文獻

[1] 朱穎心.建筑環境學課程建設與教學方法[J].高等建筑教育，2003，2（3）：26-29.

[2] 孫春華.充分發揮建筑環境學核心基礎課程的作用[J].高等建筑教育，2008，17（1）：72-74.

第2篇：建筑環境學論文范文

建筑環境與設備工程專業是根據教育部1998年頒布的全國普通高等學校本科專業目錄,將“供熱通風與空調工程”和“燃氣工程”兩專業合并、調整、拓寬組建而成的新專業。中華碩博網資料顯示,目前我國共有140多所院校開設了建筑環境與設備工程專業,在校學生3萬多人,每年有6800多名畢業生。隨著我國大學本科招生規模的擴充,畢業生面臨越來越大的就業壓力。如何提升建筑環境與設備工程專業的辦學水平,增強學生的綜合能力,適應社會的需求,向社會輸送高素質的合格人才,是目前一個非常嚴峻的現實問題。在新一輪的應屆畢業生就業階段,對用人單位的需求狀況及畢業生的擇業狀況進行了調查,從中得到了一些關于加強建筑環境與設備工程專業教育的啟發。

二、用人單位對畢業生的要求

在2007年10月和12月期間,在西南科技大學和重慶大學參加了包括珠海格力電器股份有限公司、重慶隆鑫地產(集團)有限公司、四川長虹置業有限公司、中建三局工程總承包公司、重慶美的通用制冷設備有限公司等十幾個用人單位的校內宣講會、招聘會,這些用人單位囊括了產品研發、銷售、技術服務、工程設計、施工等,并與用人單位招聘人員進行了全面交流。在交流過程中了解到,這些用人單位選人當然都重視畢業生的學習成績,但也都不是把學習成績作為全部,也十分看重畢業生的潛力,要求畢業生思想素質高、專業基礎知識扎實,學習能力強,具有良好的溝通協調能力、團隊合作能力以及創新能力,學生要具有吃苦耐勞的精神。比如畢業生有某方面的特長、在校期間參加一些活動并獲得過獎勵等等,他們都會優先考慮。同時,一些用人單位還要求畢業生必須通過英語四級和計算機等級考試等,而大型設計院則需要碩士以上學歷的畢業生。通過調查發現,所有的用人單位除了要求畢業生的專業知識外,還特別強調畢業生要具有溝通協調能力、團隊合作能力以及創新能力。這就要求畢業生在校期間必須全面發展,具有較強的綜合素質,才能適應社會的需要。

三、畢業生的信息反饋

在宣講會、招聘會現場,隨機調查了來自西南科技大學、重慶大學以及重慶科技學院建筑環境與設備工程專業的數十名畢業生,了解他們在應聘過程中的一些想法,并從自身的角度談談希望學校在專業教育方面應該在哪些方面加強。現階段的畢業生找工作大致有幾種情況:一種是不急于確定工作單位,只是通過招聘會積累一定的經驗,如果確有自己非常滿意的單位才考慮,這種類型的畢業生大多是家庭情況較好;另一種是急于確定工作單位,這種類型的畢業生通常家庭情況一般,希望盡早確定工作單位,只要有單位愿意與其簽約,他們就會立即同意,基本不考慮其他因素;還有一種情況就是介于前兩種情況之間,這類畢業生會對多個招聘單位進行比較,考慮一些外部因素,再確定是否與用人單位簽約,或者是先簽定某個單位,工作以后繼續尋找自己喜歡或適合的工作單位,目前這類畢業生所占比例最大。當談到畢業生對學校的專業教育需在哪些方面加強時,幾乎所有的學生都希望在實踐教學環節進行加強,以增強學生的實際動手能力。另外,一些課程的設置應具有較強的針對性,專業知識面要求更廣。

四、對專業教育的思考

在教育部對專業調整以后,建筑環境與設備工程專業的培養目標和課程體系都有了很大的改變。高等學校土建學科教學指導委員會建筑環境與設備工程專業指導委員會對建筑環境與設備工程專業“培養目標”的定位為:培養適應我國社會主義現代化建設的需要,德、智、體、美全面發展,基礎扎實、知識面寬、素質高、能力強、有創新意識的建筑環境與設備工程專業高級技術人才[1]。重慶大學付祥釗教授和山東建筑工程學院肖勇全教授等對建筑環境與設備工程專業課程體系的總體框架提出了指導性的意見[2-3]。

(一)加強師資隊伍的建設

專業調整后,對建筑環境與設備工程專業的專業教育有了更高的要求,同時對教師的要求也相應提高了。專業教師首先應該提高自身的水平,才能夠適應專業發展的需要,從而提升專業教育,促進辦學水平的提高。

(二)加強專業基礎教育

在全國高校專業指導委員會提出的建筑環境與設備工程專業本科培養計劃總體框架的指導下,以專業平臺課為基礎,結合學校自身的具體情況,發揮各自的優勢特色,既符合高等教育“厚基礎、寬口徑”的教育方針,又能適應社會的需求。建筑環境與設備工程專業的專業基礎課在原有的“流體力學”、“工程熱力學”、“傳熱學”的基礎上,新增了“建筑環境學”、“流體輸配管網”、“熱質交換原理與設備”三門專業平臺課程。在專業基礎課程教學中,必須明確專業平臺課的性質和作用,要充分體現和突出學科基礎,讓學生學會運用專業平臺課中學習的本專業工程技術原理和方法,分析處理不同的工程實際問題,從而鍛煉出貫通本專業各種工程的能力。

(三)加強專業課程的特色教育

西南科技大學建筑環境與設備工程專業雖然都開設了“六大”基礎課程,但與專業課沒有形成一個完整的體系,很大程度上還是沿用了以前“暖通專業”的框架,也就阻礙了建筑環境與設備工程專業向更高層次發展。因此,必須在專業基礎平臺課的基礎上,構建一個具有自身特色的專業課程體系。“聯合辦學”是西南科技大學的一大辦學特色,而建筑環境與設備工程專業在這之前并沒有利用好這一有利條件。如何發揮董事單位的優勢,將其融入到專業教學中,開設專業特色課程,體現辦學特色,需要進一步的摸索提煉。

(四)加強實踐教學環節改革

實踐教學既是理論教學的補充,又是培養學生創新能力的重要基礎和源泉,建筑環境與設備工程專業具有很強的實踐性和創新性。西南科技大學建筑環境與設備工程專業開設的實驗課程多為驗證性和演示性實驗,而設計性和綜合性實驗偏少。設計性實驗和綜合性實驗更能培養學生的創新意識以及協作意識,這個環節必須得以加強。實習是實踐教學的重要環節。目前西南科技大學建筑環境與設備工程專業的各種實習是以集中實習和分散實習相結合的方式進行,但由于各種條件的限制,實習效果不是特別明顯,我們也一直在探索一種適合自身情況的實習模式。專業課程設計和畢業設計(論文)是建筑環境與設備工程專業本科教學最重要的教學環節之一,是對學生綜合運用所學知識,分析問題解決問題能力的培養和訓練。課程設計應在原有的課程體系中進行整合,組建新的綜合課程設計;畢業設計(論文)應逐步從“以工程設計為主、研究為輔”向“以研究為主、工程設計為輔”的方向過渡,將工程設計轉向課程設計和綜合課程設計中,這也就要求有較高的師資水平。

第3篇：建筑環境學論文范文

王老師在境外和國外的學習與工作經歷有成功,更有坎坷與挫折.在攻讀博士學位期間,他以敏銳的觸覺,發掘出建筑設備工程學科在當時國際前沿研究領域的一個重要課題-建筑設備控制系統傳感器信號可靠性的檢驗,開創性地提出并發展了基于質能守恒的傳感器軟性故障診斷原理,并以其長于數理推理的能力,發展出了一系列偏差信號的在線修正方法.而當這些創新性成果已被多個國際學術期刊接受,但尚未正式出刊之前,他決定以訪問學者身份,前往美國麻省理工學院,到我校著名校友陳剛教授納米工程實驗室,準備將那里作為又一個新的起點.

在麻省理工學院,他以一項風險性很高的研究課題開始:高梯度場靜電相變制冷的探索,經過一年多高強度,多方面的試驗,得出的結論與事前的預期相差甚遠.努力沒有得到回報并沒有使他失去信心,他轉而著手有關納米流體導熱性能提升機制的課題研究,他和導師大膽提出了"電致導熱"機理的設想,這個機理得到了國際傳熱傳質領域眾多學者的贊許和青睞.遺憾的是,由于涉及面寬,不確定性因素多,對實驗研究的要求高,到目前為止,該項機理還沒有最終定論,與此同時,納米流體導熱提升的理論和實驗研究仍然是當前國際上的一項熱點.從出成果的角度看,王勁柏老師的麻省理工學院經歷是失敗,然而,從科學研究的本質與未來發展的需求角度,他本人并不認為這是"失敗",因為他更看重的是研究工作的過程和無形積累,他認同的是"失敗是成功之母".導師陳剛教授對他表現出的執著,勇氣和能力給予很高評價,同時也建議了一個選擇機會:原不愿意到 intel從事計算機芯片熱控方面的研發工作,可以推薦.

王勁柏老師最終回來了,回到他出國之前工作的環境學院.沒有考慮留在美國的原因,他說有兩個.一個是,在作留在美國的建議時,陳剛教授提醒到:留在美國可以很安穩,但不要再有"野心".他覺得,沒有更高追求的生活,人生的意義就太失色了.另一個是,多年的境外國外時間里,他看到也切身感受到,至改革開放以來,在黨的正確領導下,我國正在全方位地沿著一條正確道路快速發展,在有中國特色的社會主義建設過程中,能源和環境領域的發展必將有非常好前景,同時堅信,在"失敗"中積累的無形財富,在國內定會更有機會結出成功果實.經過慎重思考,顧及到學校與國外在相關條件上的差距,王勁柏老師決定重新回到他之前所熟悉,并曾作出過一定成績的建筑環境與設備工程領域,從事教學與科研工作.

教學方面,擔任了"傳熱學","熱質交換原理與設備","暖通施工","學科專業概論"等四門本科生課程,"建筑能源與控制"和"建筑物熱過程"兩門研究生課程的講授,本科生"認識實習","生產實習"及"畢業設計"的實踐教學環節的指導,以及XX級開始的碩士研究生的指導.對王老師的課堂教學,可以用以下幾個短語來概括評價:課堂氣氛活躍,效果好,互動強,知識面寬,不同內容關聯度高,誘導與啟發力度大,講授有激情,受到同學的歡迎.對研究生的培養,在注重擴寬學生視野,加強基礎理論知識,突出對自學,科研能力訓練,解決實際問題要求的同時,特別強調對求知探索和創新意識的激發,針對不同學生的特點,做到課題開始早,計劃詳細,目標明確,路線清晰,指導耐心細致,要求嚴格,效果明顯.在回國后的第一屆碩士生培養過程中,通過有效指導及研究生的勤奮努力,課題組發掘出了幾個既有非常好的學術意義又有很高的實際應用價值的課題,初步研究結果令人鼓舞,可望在近期形成良好成果.所指導的研究生通過自身的感受,對這種從實際應用中發掘出問題,從需求產生學習欲望,在解決問題的過程中培養多方位能力的指導和學習方法給予了高度評價.

科研工作方面,在經歷了一段時間的領域和方向調整過程后,王老師現已有了明確的主攻方向:建筑及工業領域的節能與可再生能源利用技術與裝備.兩年多時間的積累已開始初見成效:獲得了一項化工企業節能技術研究項目支持,申報了一項發明專利,另一項正在申報之中,風險投資對他的個別新技術已經表達了投資興趣,為出高水平成果的相關鋪墊性研究工作也開始有了令人鼓舞的初步結果.王老師對接下來幾年的發展充滿了信心.

在教學與科研之外,王老師也肩負有不少教學管理和其他社會工作.回校后不久,他即被學院安排擔任負責研究生教育與培養工作的院長助理,之后又被選為環境學院基層工會主席,緊跟著,又開始兼任建筑環境與設備工程系系主任.這些管理與服務工作頭緒多,內容雜,任務重,需要花費大量時間和精力,但他能吃苦,任勞任怨,嚴格要求自己,有條不紊地開展各方面的工作.在研究生教學管理和培養方面,他有不少關于如何借鑒國外高水平大學的人才培養方法和理念的設想,并有了初步的嘗試計劃.

在系主任工作方面,針對建系時間短,各項基礎薄弱等特點,除了與同事們一起積極開展學科建設外,特別注重隊伍建設和人才引進,強調學科發展一定要凝煉出好的方向,采取各種有實效的舉措走出去,請進來,擴大交流,通過機制建設,造就和諧的競爭與協作共存,夯實基礎與創新進取共重的良好氛圍.XX年以來,組織了多次境外國外學者的來訪交流;2011年4月,建環系非常成功地承辦了第三屆全國建環專業負責人會議,這是第一次在湖北地區舉行全國性專業會議;今年5月,在學院和學校的支持下,建環系從香港理工大學成功引進了一位年輕人才,在自己目前還不是教授的情況下,建議將引進人才定位教授,并最終得到學校特聘小組的批準.

作為環境學院基層工會主席,王老師積極配合學院黨總支和行政,認真做好監督,參與,維權等方面的工作,帶領工會委員起到了很好的橋梁與溝通作用.通過積極組織和親自參與,對活躍環境學院氣氛,促進教職工間的和諧與團結作出了貢獻.

王勁柏老師以一個優秀黨員的標準嚴格要求自己,不斷提高自身的黨性修養,在教學,管理和服務工作,日常生活中,公平正派,服務意識強,尊重他人,樂于助人,受到同事和學生的好評.

最后,在此附上一位同學寫的一份材料,可以看到學生眼中的王老師.

一日為師,終生為父

如果要用一句話總結王老師對學生的態度,用"一日為師,終生為父"是再貼切不過的了.王勁柏老師對每個學生的感情,就像是對自己的兒子一樣,關心和愛護.

第一次遇見王勁柏老師的時候,是在傳熱學的課上,他一口流利的標準的英語就把我們震撼了,更讓我們震撼的,就是他慈祥親切的笑容,更更讓我們震撼的,就是他特別專業,詳細,易懂的講解.于是,聽王老師的課,成了一種享受,他把知識,專業最新的動態,還有溫暖的笑容,都通過導熱,熱對流和熱輻射傳給了我們.于是,那個寒冷冬天的課堂開始變的有了溫度,每次課堂都坐得滿滿的,我們互相傳著熱量.

他喜歡和我們交流,和藹的像個伙伴.關于我們的學習,關于我們的生活,關于我們的未來.我們喜歡和這樣的朋友講心事,他像個長輩看著我們的成長.說著他年輕的時候的故事,聽著我們訴說著自己的煩惱.他的思維活躍,經歷豐富,幫助我們找到自己的目標,解決我們的困惑.對職業的發展,大家都很迷茫.王老師就經常給我們講目前國內外專業發展的現況,未來的發展,各種工作崗位的性質,也會根據我們的性格等分析我們適合的工作類型.在研究生階段,他根據我們的興趣愛好,選擇適合我們的研究方向,并經常和我們交流名為我們答疑解惑,使得我們很快的適應了研究生的生活.（2）

他敬職敬業,深深的感染著我們.每一節課,他都認真的準備,對難點和重點,總是會用生活中的例子幫助我們理解,每一次作業,他都認真批改,紅筆留下的是出錯的原因和詳細的說明.周一至周周六,每天早上,他基本上都是第一個到實驗室,然后,就會工作一整天,直到深夜.這份執著,源自對工作的熱愛,源自教書育人理想.這份熱情,也影響著我們.我們努力的學習,對專業問題追根問底.有時為了一個小問題,我們都會閱讀大量文獻資料,為了一個數據,我們都會反復研究分析.正是在這種氛圍中,我們學習知識,共同進步.

他治學嚴謹,在學術上一絲不茍.對我們要發表的論文,他會逐字逐句的為我們批改,對引用文獻和數據的出處,他都要親自看一遍,對問題的探究,他謙虛謹慎,一個措辭都會斟酌很久.對一個實驗現象,他都會從很多角度分析,找到最合理的解釋.對試驗和模擬的數值差別,他都會認真分析誤差來源,仔細尋求解決辦法.正是因為這樣,我們的研究方向,研究手段都得到了創新,在王老師回國后的短短兩年內,我們經過了從無到有的過程,根據國家節能減排環境保護的政策,確定了既有非常好的學術價值又有高實際應用的課題,搭建了實驗臺系統,開拓了視野,也取得了初步的成果.

教室里,是他淵博,深入淺出的講解;

足球場上,是他矯健的奔跑;

第4篇：建筑環境學論文范文

關鍵詞：建筑設計；生態學理念；應用

中圖分類號： TU2 文獻標識碼： A 文章編號：

當前建筑業是巨大的能耗產業，將生態原則整合納入到傳統建筑的設計體系已經逐步提到議事日程來。當前我國在這一方面已經取得了一定的成就，但針對目前現狀來看仍然不是很完善，還需要我們進一步的研究。

1建筑設計中的生態學理念

現在人們往往通過遵循就近環保的原則選擇建筑材料，利用清潔能源(如太陽能、風能、地熱能以及各種再生能源)供給建筑，采用高效的建筑設備提高利用率，使用生態智能系統與活水凈水生態工程等來實現建筑的節能和生態化。而事實上，生態設計應該是在一個成型的設計系統里對能源和材料謹慎使用的整體考慮。因此，生態建筑的建造需要優秀的設計和工程來創造一個健康愉快的居住空間，使得人、建筑與自然生態環境之間形成一個良性的關聯，最終實現建筑的生態化。

2生態建筑設計的原則

首先，整體設計。這一原則要求我們在做設計的時候，應當從生態整體的觀點出發，使得建筑物與自然環境、社會人文環境以及經濟環境之間達到和諧共生，成為一個有機整體，使得人、建筑、環境構成一個良性循環的系統。其次，高效無污染，這一原則是前一原則的延伸。提高能源的利用效率，采用對自然環境以及對人體無害的材料，盡可能減少建筑物對周圍環境的破壞，以最少的非再生資源消耗換取最大的使用價值，即舒適健康的人居環境，這是生態建筑最基本的要求，也是生態建筑最為顯著的特點，貫穿于建筑的始終。再次，靈活多適。由于建筑系統在其全壽周期內，與周圍環境存在著相互作用的關系，這種相互作用會隨著時間的變化而變化，同時建筑物的功能在這個周期之內也會發生變化，為了避免過早廢棄，需要建筑師采用“適應性改變”、“靈活性設計概念”、“長壽多適概念”以及“合理廢棄概念”等策略，以使建筑物能夠適應未來的變化。

3 生態建筑設計要點

生態建設要點側重在生態住宅的實際運用和生態理念的深入。生態住宅設計，指的就是綜合運用當代建筑美學、建筑技術科學、人工環境學等，把住宅建造成一個小的生態系統，為居住者提供舒適、健康、環保、高效、美觀的居住環境的一種設計實踐活動。生態必須是雙重的功效，既包含環境的保護又包含人類生活的保障。生態建筑的理念要深入到選材、施工、設計等各個環節當中去。其技術策略應該體現在住宅區物理環境與能源系統設計兩個方面。同時又與綠化設計以及建材的選擇息息相關，這兩個方面應該引起相關人員的足夠重視。

4建筑設計中生態學理念的體現

4.1建筑外部生態景觀設計

建筑外部生態景觀設計的目標是建筑場地規劃與景觀設計方案能夠改善局部小氣候，在盡可能小的物理空間容納盡可能多的生態效應。建筑布局能影響局部氣候，將室外氣候控制得離“舒適區域”越近，那么制造一個舒適的室內氣候所需消耗的能量就越少。合理的建筑布局能夠降低建筑物本身的能源消耗，從而節省開支。因此，應綜合考慮建構及布局設計方案，使之有助于發揮施工地點本身特點。同時，應該根據當地的生態系統綜合考慮被設計的系統和布局所需要的植被。如綠色空間和建筑綠化、動植物生境和生物多樣性的營造、水景觀和其他人工景觀的特異性、公共空間的美化、與對當地自然環境的親和性、適應性等。這些充分體現地域特點，與當地自然生態景觀融為一體的設計能有效調節局部氣候。

4.2建筑內部居室生態工程

將生態學原理應用于建筑結構設計中，賦予建筑以生命活力，使得建筑具有當地文化特色，適應當地自然條件。充分通過自然通風、自然采光、建筑綠化等來實現建筑自動隔熱制冷以及合理對建筑內部光、溫、濕、氣的控制，提升建筑內部環境的舒適性、無害性、方便性和生態合理性，實現建筑使用過程中的低能耗。

4.3建筑場地生態恢復工程

在建筑小區引進城市農業和庭院經濟，在建筑的屋頂、中層及立面營造綠色立體空間，在一定程度上對建筑占用土地的原有生物生產或生態服務功能進行恢復，對系統的經濟效益進行補償，為居民提供一種更接近自然的空間。其次，建筑場地中需要關注建筑的具置，基地面積的增減、形狀的變化，道路，需要鋪設的地方等等都應該符合生態學的土地利用方法。

5 生態建筑設計的發展趨勢

5.1 節約原材料

建筑材料的應用是建筑的主要部分，建材的節約就成為了建筑節約的關鍵。在科學技術的支撐下，人們已經開始逐步的減少建筑物梁柱的利用數量，一方面營造了建筑的空間和立體感，增強建筑物的美感，另一方面又節省了材料，節約了資金。被稱為索膜結構先驅和開拓者的費賴·奧托，推崇“最少”的原始建筑學，認為這種建筑學“能將結構和裝飾結合起來”，轉換成現代建筑，就是“輕的、節能的、靈活的、適應性強的”。

5.2 節約能源

世界的總體能源儲量緊缺，這就驅使人們的建筑理念也開始向節能方向轉變。建筑的節能主要體現在節能建材的利用方面。建筑物可以利用自然通風來減少空調和電風扇的使用，降低了空調釋放的有害氣體對環境的破壞，同時也降低了能量的消耗，給用戶節約了經濟成本。針對于環保節能，人們開始逐漸的開發太陽能。太陽能成本低、無污染、能源廣，已經廣泛的應用到了建筑的諸多方面當中去，給人們的生活帶來了便利的條件。我國的太陽能開發程度還有所欠缺，需要相應的借助國外的成功案例。資源的再利用也是節能的一個方面，結合經濟和環境利益，我國的建筑已經開始逐漸的加大了對建筑物就有材料的利用程度。

5.3 建筑再利用

循環利用成為目前環保的一個重要課題。建筑師將這一理念引入到建筑業中來，并在實踐中得到了良好的發展。發達國家對于建筑的再利用工程發展得十分良好，出現了許多成功的、值得借鑒的案例。我國以往的建筑都是停留在大規模拆毀和大規模的再建基礎上，缺少再利用思想的引導。建筑再利用可以利用原有可利用的資源，再結合一定程度的新資源進行城市建筑，既有環保的功效，又能節省人力、物力、財力，降低成本，迎合我國和諧發展的理念。

經濟的發展已經給生態環境帶來了一定程度的破壞，人們從長遠的發展角度出發，開始逐漸的重視生態環境的保護，生態觀念已經深入到諸多領域，城市建筑也應該隨著時代的步伐重視生態規劃。一方面符合生態環境和人類未來發展的趨勢，一方面也迎合了市民需求和心理。因此，生態建筑設計的理念必將深入人心，生態建筑的發展前景將會越來越廣闊。

結語

以上對生態設計的探究，以便于我們在未來的設計中更好的體現生態性，從而實現人與自然的和諧共處。設計師作為推進人類文明的一員，肩負著重要的使命，設計師又是連接建筑景觀與人之間的紐帶，影響著人們的生活方式和社會文化的變更。因此，生態設計不僅是一個技術層面上的思考，更是一個觀念上的變革，它在一定程度上具有理想主義色彩。要達到生活舒適與資源消耗平衡，短期經濟效益與長期環保目標平衡，需要設計師與消費者及全人類的共同努力.

參考文獻：

[1].宋海林，胡紹學.關于生態建筑的幾點認識和思考(一)[J].建筑學報，1999，(03).

[2]金月梅，劉福智.自然通風在適宜地域建筑設計中的運用[A].建筑環境與建筑節能研究進展--2007全國建筑環境與建筑節能學術會議論文集？[C]，2007.

第5篇：建筑環境學論文范文

縱觀索膜結構的發展歷史,可分為以下幾個階段:

1.1 膜結構的出現

膜結構(Membrane)是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式,是以充氣膜結構的形式出現,世界上第一座充氣膜結構建成于1946年,設計者為美國的沃爾特·勃德(W.Bird),這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議,無疑給充氣膜結構的發展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結構建筑出現在1970年大阪世界博覽會上。

充氣膜結構它是以柔性結構體系來承受風荷載和雪荷載等各種外荷載的作用,由于膜結構的特點以及膜材的特殊性,充氣膜結構的設計分析過程也不同于以往的鋼筋混凝土和鋼結構。充氣膜結構的結構計算包括初始形態分析、受荷分析及模態分析等內容。充氣膜結構的結構分析包括3個階段:忽略其自身微小的自重和自平衡預張力,不承受任何外部荷載的零態;在確定的邊界條件及施加預應力的分布和大小后所形成的初始態;在外荷載、自重及考慮材料張力作用的工作態。它們之間的膜面主應力方向、預張力的大小變化、形態變形過程和趨勢等是相互聯系、相互制約的,必須從全過程、一體化的角度加以考慮。

1.2 迅速發展

索膜結構作為新的建筑形式自出現,特別是到了20世紀70年代以后,索膜結構的應用得到了迅速發展,在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中,膜結構的出現為建筑師們提供了超出傳統建筑模式以外的新選擇。

1988年建成的日本東京室內棒球館(Tokyo Dome“Big Egg”),是一座有55000個座位的體育館(室內凈面積46767m2),該設計是建筑行業的一種強有力的蛻變過程,其蛋形屋頂為具有彈性的薄膜,一般會把巨蛋內的氣壓控制在比巨蛋外高0.3%以維持蛋頂外型。結構從根本上克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實現時所遇到的困難,創造了巨大的無遮擋的可視空間。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、節能、使用安全等優點。另外值得一提的是,在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿自然漫射光,國際貿易論文無強反差的著光面與陰影的區分,室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物的體型顯現出夢幻般的效果。

1.3 膜結構在國內的發展

在世界建筑業的迅速發展中,中國現代空間結構的發展受到了西方國家先進技術的影響。近幾年來,在索膜結構應用上顯示了活躍的趨勢。雖然一開始工程規模不大,但已逐漸擴展到更大的面積和跨度。所采用的技術與材料在某種程度上還要依靠國外,但預計會有更多的工程依靠自己的力量來完成。

在過去10年中,中國的許多城市都在籌劃建設新的體育設施。由于其重量很輕的優點,膜結構往往被采用,體育建筑可以說是膜結構在中國應用的突破口。1997年之前,只建造了少量的小型與中型的膜結構,同年在上海舉行的第七屆全國運動會,膜結構被用在主體育場的看臺挑篷,總面積達36100m2。這是中國第一次將膜材制成的屋頂用在大面積的永久性建筑上,具有深遠的影響。

上海體育館鮮明特點是大跨度、大空間,其外形既充分展示了體育運動的力度和氣勢,又體現了簡潔流暢的整體風格,是建筑技術和建筑藝術完美的結合。觀眾席上方采用馬鞍形大懸挑鋼管空間屋蓋結構,覆以乳白色半透明膜結構的頂面,面積為3.6萬平方米,主席臺正上方的一根最長單臂懸挑梁長73.5m,為世界建筑史之最。

在上海體育場成功的建成后,雖然它的價格仍高于傳統的結構,又出現了一些膜結構屋頂的體育場。頤中體育場坐落在山東省的濱海城市青島,這是中國第一個靠自己力量設計與施工的大型膜結構體育場,外包尺寸為266m×180m,可容納6萬觀眾。懸挑40m的屋蓋是一個包括膜、索和鋼支承結構的典型張拉體系,整個屋蓋由70個錐形索膜單元組成,總面積為30000m2。環顧整個中國大地,膜結構成為覆蓋主體育場的優選。

2 索膜體育館的現狀

第6篇：建筑環境學論文范文

關鍵詞：保溫；遮陽；自然通風；冬暖夏涼

主要從外墻，屋面，窗，遮陽，自然通風，保溫，6個方面來說明它們不同的特征對南方地區的能耗會產生不同的影響。

先講外墻，主要從外墻的材料，蓄熱性能，以及熱阻來論述對能耗的影響。外墻以玻璃幕墻和實體墻為主。在南方地區基本不用玻璃幕墻，主要是考慮以下幾個因素，第一玻璃幕墻具有相當好的通透性，可見光可以投射進來，如果是高透的low-e玻璃，則近紅外線也可以投射進來，被圍護結構，家具等具有蓄熱性能的物體所吸收，并使其表面溫度升高到超過空氣溫度時，再以自然對流的方式傳給周圍空氣而成為房間的瞬時得熱量，從而會加大房間的冷負荷。第二，考慮到玻璃幕墻的蓄熱性能，玻璃的蓄熱性能很小，從而會有兩個影響，一是夏天的話會迅速提高室內的溫度，（玻璃也有溫室效應），從而增大冷負荷，二是如果在冬季或是北方，則會有利于提高室內平均溫度。減少采暖負荷。第三，由于南方地區，夏季長冬季短，玻璃幕墻冬季能夠采光，減少照明等優點，不過從一年的耗能來說，玻璃幕墻不適合南方地區。因而不采用玻璃幕墻。墻體的蓄熱性能，其蓄熱功用主要體現在白天室外溫度較高是，建筑蓄熱體可作為熱匯吸收進入室內的熱量，從而降低室內空氣溫度，提高舒適性能，減少額外的制冷需求；在室外溫度較低的夜晚，外墻儲存的熱量慢慢釋放，該熱量由自然通風和機械通風排出。冬季白天地板和外墻吸收來自太陽的輻射熱量，儲存熱量，夜間慢慢釋放到室內以提高空氣溫度。在冬季，外墻的蓄熱性能越強，則效果就會越好，但是夏季就不符合這個規律了，冬天不管是白天還是晚上，熱流的傳遞方向均是由室內傳到室外，但是夏天白天熱流方向則是由室外傳入室內，晚上則是由室內傳入室外，熱流方向剛好相反，如果外墻的蓄熱性能很大，則白天會儲存大量的熱量，會減少部分冷負荷，到了晚上，由于南方地區室外日溫差小，因而儲存大量的熱量難以快速散發出去，一方面會增加冷負荷，如果連續幾天的高溫，另一方面由于外墻晚上沒有完全釋放熱量，使外墻白天溫度高失去其蓄熱性能，因而在南方地區盡量不要采用蓄熱性能很大的材料。外墻的熱阻，外墻的熱阻越大，則其保溫性能越好，保溫性能是和導熱系數成正比，而蓄熱性能是和導熱系數，密度，比熱容的乘積成正比。對于實體墻而言，一般熱阻越大，保溫性能越好，蓄熱性能越好，所以南方一般不采用厚實的墻體。

屋面，由于南方緯度低，在夏天，屋面處于太陽直射的時間長，會使屋面的溫度上升比較快，中午時分可達到60度以上的高溫，因而從屋面向室內的傳熱所消耗的冷負荷占了很大一部分。通常屋面的幾種處理方法1，選用合適的保溫材料，其導熱系數，熱惰性指標應滿足標準要求，2，采用架空形式保溫屋面或倒置式屋面，3，采用屋頂綠化屋面，蓄水屋面，淺色屋面，坡屋面等，4，采用通風屋頂，閣樓屋頂等。根據實際情況選擇合適的屋面。

窗，主要從窗墻比和窗的朝向來論述。從節能的角度出發，圍護結構外窗取小值對空調負荷的降低是有利的，但是窗太小將使建筑物室內采光通風受到影響，因此，《熱工設計標準》中規定窗墻比在0.3以下，但南面朝向可放寬到0.35，這是因朝向不同接受到的太陽輻射也不同，根據太陽在天空中運行規律，冬季南向墻面將得到最大的太陽輻射熱量，而夏季確是東，西墻面，因此，房間外窗面積大，開窗多的一面正對冬季太陽輻射強度大的南向方位，而把房間面積小，開窗少的一面朝向夏季太陽輻射強度大的東，西方位，使得外窗在冬季太陽輻射強度大南面有較大的輻射得熱面，而夏季太陽輻射大的西面，有最小的窗玻璃隔熱面，這樣按朝向布置開窗面，有利于房屋夏季隔熱，冬季保溫。由于南方夏季季候風盛，且多吹東南風，房屋南窗面積的開大有利于利用自然通風散熱除濕及晚間自然降溫，因而南窗面積最大。東西窗相比同樣的窗墻比，東窗更節能，開東窗時，上午通過太陽輻射進入室內的熱量最大，通過窗的傳熱進入室內的傳熱則是下午最大，因而兩者的峰值錯開了，而開西窗的話，峰值發生重疊，雖然進入室內的總熱量不變，但是開西窗會增加室內的冷負荷，所以一般西窗的面積小于東窗，北側一般不會有太陽直射，但是北方在冬天盛行，由于窗的傳熱系數小，所以一般北向窗墻比小于南向大于東向，可得出結論是，在南方地區，窗墻比的大小依次是：南向 北向 東向 西向

遮陽，遮陽分為外遮陽，內遮陽，遮陽設施放在窗玻璃中。外遮陽是把遮陽設施放在室外，此時一部分太陽輻射會被遮陽設施吸收，一部分會被遮陽設施給反射，一部分會透過遮陽設施投射到窗玻璃外表面上，并且只有一部分會變成室內的冷負荷，而內遮陽，透過玻璃的太陽輻射都會變成室內的冷負荷，只不過其峰值有所延遲和衰減。因而外遮陽相對于內遮陽來說更節能，可是外遮陽易損壞，因而可以將遮陽設施放在窗玻璃的中間，此時，有了外遮陽的性能，又有了內遮陽的不易損壞的特性。通常上下會有開口，形成煙囪效應，及時排走窗玻璃中的熱空氣，減少室內冷負荷，因而南方地區一般采用窗玻璃中放遮陽設施。

自然通風，在夏季白天應維持最低要求的通風換氣量，晚上則可以利用自然通風來給室內散熱，春秋過渡季，則由于室外溫度處于較舒適的范圍，應該采取最大的通風量來維持室內的舒適度，冬天則是維持最低要求的通風換氣量。

保溫，保溫分為內保溫和外保溫，采用哪種保溫措施應根據建筑物的使用時間段和空調方式而定。對于空調系統間歇運行的房間，應采用內保溫，一方面可以加大墻體的傳熱熱阻，減少圍護結構的傳熱負荷，另一方面，因為保溫層在內側，對室內的冷量其阻隔作用，減小了因墻體蓄熱帶來的短時間內的空調冷負荷從而降低了使用時段內的空調能耗。對于空調系統連續運行的房間，墻體應該采用外保溫，由于保溫層在外側，主體材料的溫度和室內空氣溫度接近，這就意味著當負荷不均衡時，可保證室內側墻體的表面溫度不急劇波動，蓄熱層吸收熱量和放出熱量，朝有利于室內溫度保持穩定的方向變化。對于使用時間段在白天的房間，總的來說，宜采用外保溫，這樣白天蓄存熱量，有利于室內溫度的穩定性，對于使用時間段在晚上的房間，宜采用內保溫，由于保溫材料在室內側，當晚間室外溫度低于室內溫度時，讓室外空氣進入室內，使室內空氣溫度降低，同時墻體溫度也降低。如果在室內側，由于白天沒有空調，室內溫度會升高，主體材料溫度也高，夜間即使開窗通風，因墻體的蓄熱放熱效應，使室內溫度降低緩慢。

參考文獻

[1]許錦峰，黃欣鵬，吳志敏 被動式節能建筑圍護結構的技術特征 [期刊論文] 《南京工業大學學報，（自然科學版）》

[2]朱穎心.建筑環境學 中國建筑工業出版社第三版

[3]白貴平，冀兆良，圍護結構隔熱對室內熱穩定及空調負荷的影響-[期刊論文] 《建筑熱能通風空調》

第7篇：建筑環境學論文范文

論文摘要：隨著虛擬現實技術的出現，城市規劃建設發生了革命性的變化。而虛擬現實建模語言VRML正是相應其產生的，人們可以根據自己的豐富的想象力模擬構造出任意模型，從而實現城市規劃的預見。當然，也可以從模型中發現缺點和不足，從而做進一步的改進和完善。本文正是基于這種技術和VRML開發工具實現了城市的仿真，能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可以從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，公眾的參與也能真正得以實現。

本文研究的主要是虛擬現實技術在城市規劃領域中的應用。意義在于針對現代城市建設的盛行，利用環境學、工程學、規劃設計等的綜合，將虛擬現實技術運用其中，實現對城市的仿真，更真實、鮮明、生動地展現城市面貌，便于對城市規劃的可行性研究，有利于城市的規劃，建設和完善。

Abstract ：The city planning and layout have been revolutionized by the advent of the virtual reality technology. And Virtual Reality Modeling Language happens to come into being going with it. People could construct any model according to his imagination， consequently the expectation of the city planning can be achieved. Certainly we could find out the error and insufficiency， so that we could modify and improve it. The article bases on this technology and VRML exploitation tool to implement city emulation. It can make government layout department， project developer， engineering person and public set eyes on layout result in spots and commutatively by applying VR technology， and make them grip the city’s conformation and understand the purpose of the designer， and the participation of the public could come true.

This paper is mainly about the application of the virtual reality technology to the city planning. The significance is that it can realize city emulation by applicating euthenics， engineering， layout and VR technology. Consequently we can show the more real， brilliance， dramatic city’s visage， so that it makes the feasibility research of the city planning more simple and it in favor of city planning， city’s construct and city’ perfect.

Keywords ：Virtual Reality；City planning；Modeling；Emulation

第一章 緒 論

1.1 什么是虛擬現實技術

虛擬現實是計算機模擬的三維環境，是一種可以創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。虛擬環境是由計算機生成的，它通過人的視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生身臨其境的感覺的視景仿真。它是一門涉及計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術。用戶可以通過計算機進入這個環境并能操縱系統中的對象并與之交互。

虛擬現實不是真的，也不是現實，它只是一個在桌面上可實時地做交互式三維圖形用戶界面的工具。就像窗口系統及鼠標驅動用戶界面一樣，虛擬現實可使計算機的運用更加有效、透明。根據設計者的構想，用戶可以沉浸到數據空間中，將用戶在一定時間內與現實環境相隔離，然后投入到可實時交互的虛擬環境中，并且駕馭其中的數據，使人有一種身臨其境的感覺。

虛擬現實是一門綜合技術，它以計算機技術為主，綜合利用計算機三維圖形技術、模擬技術、傳感技術、人機界面技術、顯示技術、伺服技術等，來生成一個逼真的三維視覺以及嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自身的功能和一些設備，對所產生的虛擬世界這一客體進行瀏覽和交互式考察[1]。

虛擬現實有三大特點：浸沉感、交互性和構想性。

浸沉感指的是人浸沉在虛擬環境中，具有和在真實環境中一樣的感覺；

交互性指在虛擬環境中體驗者不是被動地感受，而是可以通過自己的動作改變感受的內容；

構想性指虛擬的環境是人構想出來的，因而可以用以實現一定目標的用途。

1.2 虛擬現實技術的發展前景

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是近來計算機網絡世界的熱點之一，在社會生活的許多方面有著非常美好的發展前景，更是數字地球概念提出的依據和基礎技術。

虛擬現實的應用領域十分廣泛，主要在工程設計、計算機輔助設計（CAD）、數據可視化、飛行模擬、多媒體遠程教育、遠程醫療、藝術創作、游戲、娛樂等方面。 Web的出現更使虛擬現實技術引起人們普遍的關注。人們對它寄予厚望，希望利用這個技術使世界各地的人，可以在三維環境下交流。多個用戶可以進行基于文本的或是聲音技術的閑談，在網上建立一個真正的三維社區已不再只是夢想中的事[2]。

虛擬現實發展前景十分誘人，而與網絡通信特性的結合，更是人們所夢寐以求的。在某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項發展中的、具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用它，我們可以建立真正的遠程教室，在這間教室中我們可以和來自五湖四海的朋友們一同學習、討論、游戲，就像在現實生活中一樣。使用網絡計算機及其相關的三維設備，我們的工作、生活、娛樂將更加有情趣。因為數字地球帶給我們的是一個絢麗多彩的三維的世界!

我們相信社會的發展和技術的創新使這一切在世界的任何地方都能做到，再不需等待可望而不可及的將來，或許就在十年以后，或許二十年以后。

1.3 國內外虛擬現實技術的研究概況

美國是VR技術的發源地。美國VR研究技術的水平基本上就代表國際VR發展的水平。目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

在當前實用虛擬現實技術的研究與開發中日本是居于領先位置的國家之一，主要致力于建立大規模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實的游戲方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虛擬現實硬件是從美國進口的。

在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備（包括觸覺反饋）設計和應用研究方面，在歐洲英國是領先的。到1991年底，英國已有從事VR的六個主要中心，它們是WIndustries（工業集團公司），British Aerospace（英國航空公司），Dimension International，Division Ltd，Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要從事VR職產品銷售）[3]。

和一些發達國家相比，我國VR技術還有一定的差距，但已引起政府有關部門和科學家們的高度重視。根據我國的國情，制定了開展VR技術的研究，例如，九五規劃、國家自然科學基金會、國家高技術研究發展計劃等都把VR列入了研究項目。 在緊跟國際新技術的同時，國內一些重點院校，已積極投入到了這一領域的研究工作。

北京航空航天大學計算機系是國內最早進行VR研究、最有權威的單位之一，他們首先進行了一些基礎知識方面的研究，并著重研究了虛擬環境中物體物理特性的表示與處理；在虛擬現實中的視覺接口方面開發出了部分硬件，并提出了有關算法及實現方法；實現了分布式虛擬環境網絡設計，建立了網上虛擬現實研究論壇，可以提供實時三維動態數據庫，提供虛擬現實演示環境，提供用行員訓練的虛擬現實系統，提供開發虛擬現實應用系統的開發平臺，并將要實現與有關單位的遠程連接[3]。

浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發出了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統，另外，他們還研制出了在虛擬環境中一種新的快速漫游算法和一種遞進網格的快速生成算法。

哈爾濱工業大學計算機系已輕成功地虛擬出了人的高級行為定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動的合成等技術問題，并正在研究人說話時頭勢和手勢動作，話音和語調的向步等。

還有其他一些大學在虛擬現實發面取得了驕人成績，在這里就不再介紹了。總之，雖然我們和其他一些發達國家相比還存在差距，但我國的發展前景還是很光明的，需要大家的不懈努力。

1.4 本文研究的主要內容

本文主要是介紹了虛擬現實技術極其應用，及其相應的實現工具VRML語言。通過對城市的模擬設計，更深入的了解虛擬現實技術及掌握VRML語言的使用。

第一章主要講了虛擬現實技術的基礎知識、發展前景以及現今國內外的發展狀況。以便讓讀者對虛擬現實技術有一定的了解。

第二章主要講了虛擬現實技術的實現工具VRML語言的發展歷史，虛擬現實與VRML的聯系以及VRML的創作原理等，目的是使得讀者可以很快掌握VRML。

第三章是系統的概要設計，主要講了虛擬現實技術的應用和VRML的使用。通過介紹虛擬現實技術在城市規劃領域的應用，物理建模技術以及城市模型的概要設計，使得讀者對虛擬現實技術的了解更加深入和透徹。

第四章主要講了系統的詳細設計，主要是告訴讀者怎樣利用VRML語言實現模型的虛擬實現。通過本章的學習可以使讀者的運用VRML語言的能力大大增強。

第五章主要講了在系統的設計過程中遇到的問題及相應的解決方法。

第二章 VRML簡介

2.1 VRML的發展歷史

VRML使用場景圖數據結構來建立3D實境，這種數據結構是以SCI開發的Open Inventer 3D工具包為基礎的一種數據結構。VRML的場景圖是一種代表所有3D世界靜態特征的節點等級：幾何關系、材質、紋理、幾何轉換、光線、視點以及嵌套結構。幾乎所有的生產三維產品的廠商，無論是CAD、建模、動畫、虛擬現實，還是VRML，它們的結構核心都是場景圖。

1993年9月，Tong Parisi和Mark Pesce開發了第一個VRML瀏覽器，稱為Labyrinth，它是WWW上三維瀏覽器的原形。

1994年春，在日內瓦第一屆WWW大會上，由Tim Berners-Lee和Dave Raggett所組織的一個名為Bird_of_Feather (BOF)的小組提出了VRML這個名字，當時所代表的含義是Virtual Reality Makeup Language，但是后來為了反映三維世界的建立而改成了Virtual Reality Modeling Language，縮寫為VRML。在這次大會以后，一個www-vrml mail list的組織成立了，Silicon Graphics，Inc(SGI)的Gavin Ball通過選擇Open Inventor文件格式中的基本元素，增加必要的WWW特征，制定的方案經修訂，在1994年第二次WWW大會上公布為VRML1.0的初稿。

另一位SGI的原Open Inventor設計師Paul Strauss開始作一個VRML公共域的詞解程序，當時流行于業界的名字叫QvLib。這個程序的作用是把VRML的可讀文件格式轉換成瀏覽器可理解的格式。這個詞解程序于1995年1月公開。它可以安裝到各式各樣的平臺上，從此，各種瀏覽器私雨后春筍般興盛起來[4]。

1996年8月在SGI的 Moving Worlds提案基礎上形成VRML2.0。VRML2.0在VRML1.0的基礎上進行了很大的補充和完善。

VRML2.0的DIS就是以VRML2.0為基礎制定的，于1997年4月提交國際標準化組織ISO JYCI/SC24委員會審議，依照慣例命名為VRML97。

1998年12月在原VRML組織的基礎上成立了Web3D聯盟，致力于VRML NG標準的制定，并致力于制定X3D網絡三維標準。在X3D的旗幟下，VRML將結合Java3D和XML等技術，成為Internet上三維虛擬世界的主要標準。

2.2 VRML與虛擬現實技術

虛擬現實的英文名稱為Virtual Reality，簡稱VR，即利用計算機的高科技手段構造出一個虛擬的世界，使參與者獲得與現實一樣的感覺。虛擬現實是一個在當今國際上倍受矚目的課題。

當計算機技術尚未出現的時期，仿真只能在實物上進行，這一階段的仿真稱為模擬仿真。其特點是：由于仿真是在實物上進行，因而實時性強且精度較高，但是實施的難度和費用都較大。在計算機技術問世且被引入仿真領域的初期，仿真技術步入了半模擬半數字的階段。這時系統中的一些部分由計算機代替，另一部分則由實物充當，所以，在一定程度上仍然保留著實時性仿真的特點[5]。

80年代后期，仿真在諸多方面都發生了重大的轉變，仿真研究的對象已由連續轉向離散事件系統。仿真已由重視實驗轉向重視建模與結果分析。計算機已成為一種重要的仿真工具。計算機仿真是一門利用計算機模擬真實系統進行科學實驗的技術。

由于從強調并重視與人工智能結合轉向強調與圖形技術和對象技術結合，仿真系統的交互性大大加強。就應用領域方面而言，仿真已從研究制造對象的動力學、運動學特性及加工、裝配過程，擴大到研究制造系統的設計和運行，并進一步擴大到后勤供應、庫存管理、產品開發過程的組織、產品測試等，涉及到企業制造活動的各個方面。這些轉變明顯地說明，計算機仿真已經進入了一個嶄新的發展階段，它的重要性與特殊功能已越來越突出。虛擬現實促進了仿真技術的發展。虛擬現實是采用計算機仿真技術生成的一個逼真的、具有視、聽、觸、嗅、味等多種感知的虛擬環境，置身于該環境中的人們可以通過各種傳感交互設備與這一虛構的現實進行相互作用，達到彼此融為一體的程度。近年來隨著信息技術的發展，特別是高性能海量并行處理技術、可視化技術、分布處理技術、多媒體技術和虛擬現實技術的發展，使得建立人機一體化的、分布的、多維信息交互的仿真模型和仿真環境成為可能，仿真因此形成一些新的發展方向，如可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現實仿真等[5]。

2.3 VRML原理

1.VRML對三維虛擬世界的描述

VRML規定了3D應用中大多數常見的功能。

(1)建模能力，VRML定義了類型豐富的幾何、編組、定位等節點，建模能力較強。

基本幾何形體：Box、Sphere、Cone、Cylinder

構造幾何形體：IndexLineSet、IndexFaceSet、Extrusion、PiontSet、ElevationGrid

造型編組、造型定位、旋轉及縮放：Group、Transform

特殊造型：Billbord、Backgroud、Text

基本幾何形體節點只能作十分有限的幾種造型，用點、線、面索引節點及拉伸節點就可以構造任意復雜的實體形狀。特殊造型節點可用于場景中的文字、背景顏色等設置。造型編組可以用來描述裝配關系，其中Transform節點可以確定裝配位置、方向。

(2)真實感及渲染能力，通過提供豐富的相關節點的渲染，可以很精細地實現光照、著色、紋理貼圖、三維立體聲源。

光照：HeadLight、SpotLight、PointLight、DirectionLight

材質著色：Material、Appearance、Color、ColorInterpolator

紋理：ImageTexture、MoviceTexture、PixelTexture、TextureTransform

霧：Fog

明暗控制說明：Normal、NormalInterpolator

三維聲音：Sound

場景光照的設置直接影響觀察者的視覺效果，這幾種光照節點可以提供各種虛擬場景的光源。不同材質的物體色彩及反光效果不同，VRML的材質及著色節點的使用可以仿造如同真實物體給出的視覺效果。文理節點可以對實體表面粘貼圖片或進行像素點的設置以使實體具有同實物一樣的表面花紋。霧、明暗控制都對場景的光線反射有影響。聲音節點可以在場景中模擬出實際空間可能產生的各種聲響，如音樂、碰撞聲等[6]。

(3)觀察及交互手段，傳感器類型豐富，可以感知用戶交互。視點可以控制對三維世界的觀察方式。

傳感器：CylinderSensor、PlaneSensor、VisibilitySensor、ProxymitySensor、SphereSensor、TouchSensor

控制視點：ViewPoint、NavigationInfo

各種傳感器節點可以感知用戶鼠標的指針，TouchSensor節點在數控車床操作按紐功能的仿真中十分有用。視點控制可以預先提供給用戶一些更好的觀察角度。

(4)動畫，VRML提供了方便的動畫控制方式。

關鍵幀時間傳感器：TimeSensor

線性插值器及姿態調整：CoordinateInterpolator、OrientationInterpolator、ScalarInterpolator

這兩組節點的配合使用可以產生場景中的動畫效果，關鍵幀時間傳感器節點驅動線性插值器節點按時間順序給出關鍵值插值，這些插值就是關鍵震動畫時控制實置、狀態所需要的中間過渡值。

(5)細節等級管理及碰撞檢測：LOD、Collision

細節等級管理是對復雜實體的細節顯示加以控制，使該實體可在視點外或遠離視點時不顯示或粗略顯示。VRML自身提供的碰撞檢測是指觀察者在虛擬場景中的替身與實體的碰撞。

(6)超鏈接及嵌入：Anchor、Inline

這兩個節點使VRML可以由一個虛擬場景直接鏈接到另一個場景，或者將另一個場景中的實體嵌入自己的場景中。

2.VRML的執行模式

通過使用VRML的Script節點編程、與Java間事件訪問和建立場景圖內部消息通道能夠很方便的實現虛擬實體的交互和動畫功能。VRML場景圖可以接受兩種事件驅動：從路由語句傳過來的入事件及由外部程序接口寫入的直接事件。路由語句說明由場景傳出的每一條消息的傳遞路徑，也就是從一個節點的出事件域傳出的事件傳遞到一個節點的入事件域。場景中傳感器節點通常定義了觸發事件，它通過路由發送到場景圖的其他節點的入事件域。如傳感器節點的觸發事件直接傳遞到插補器節點產生關鍵值插值，也可以傳遞Script節點進行運算處理產生關鍵值插值。Script節點的處理過程就是JavaScript語法編寫腳本程序。Script節點還可以通過URL域引入Java程序到其他需要的節點，比如傳送給實體改變它的位置、形狀。由外部程序接口寫入的直接事件不需要路由圖傳遞，但其他執行過程都是一樣的。如果需要外部程序的響應，它應該能夠有讀取節點出事件域數據的接口[7]。

2.4 VRML的創作工具

創作VRML可以用你喜歡的文本編輯器，如Windows95下的NotePad，DOS下Edit等。當然，最后要獎文件保存為以 .wrl為后綴的文件。對于復雜的三維造型，如果VRML語句逐句寫出，那么其工作量是非常大的，有時也是無法完成的，幸運的是有很多大型的具有三維造型功能的軟件都開發了VRML文件的輸入輸出，人們可以利用這些造型工具直觀快速的創建一個三維空間，然后輸出為 .wrl后綴的文件。這樣對于復雜的三維造型VRML環境中顯示就不成問題了。

推薦讀者使用的VRML創作工具是VrmlPad，它是一種功能強大且簡單好用VRML開發設計專業軟件，其完全VRML97標準。VrmlPad可以對VRML文件進行瀏覽編輯，對資源文件進行有效的管理，并且提供了VRML文件的向導，可以幫助開發人員編寫和開發自己的VRML虛擬現實作品[8]。

第三章 系統的設計

3.1 虛擬現實技術在城市規劃領域的應用

3.1.1 概況

隨著全球知識經濟的興起，信息產業正以前所未有的速度蓬勃發展，上至政府、軍隊，下到各企事業單位都開始重視信息技術的創新研究和長遠發展，并已經或準備給予大量的投入。而作為信息技術發展重要驅動力的“虛擬現實”技術，也隨之成為人們關注的熱點之一。

由于城市規劃的關聯性和前瞻性要求較高，城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規劃到城市設計，在規劃的各個階段，通過對現狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實時景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），為改善人居生活環境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。規劃決策者、規劃設計者、城市建設管理者以及公眾，在城市規劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規劃最終成功的前提。VR技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用VR技術能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現。這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的[9]。

3.1.2 虛擬城市的有機組成

仿真的虛擬環境

類似于時下流行的三維動畫，同樣是通過強大的三維建模技術建立逼真的三維場景，對規劃項目進行真實的“再現”。但是VR技術建立的虛擬環境是由基于真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求，屬于科學仿真系統；而傳統動畫的三維場景則是由動畫制作人員根據資料或想象繪制而成，與真實的環境和數據有較大的差距，嚴格意義上來說屬于一種演示作品。

多方式、運動中感受城市空間

在虛擬現實系統中，可以全方位，多種樣式（步行、驅車、飛行、UFO等），完全由用戶自由控制在場景中漫游。VR技術與傳統的三維動畫最根本的區別就是：傳統動畫的觀察路徑都是預先設定好的，用戶只能按照事先設定的路徑瀏覽場景；而VR技術可以由用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，甚至還可以使用專用的頭盔把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的錯覺。這樣一來，很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發現，減少由于事先規劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。

實時多方案比較

運用虛擬現實系統，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變綠化密度，……所看即所得，只要修改系統中的參數即可，而不需要象傳統三維動畫那樣，每做一次修改都需要對場景進行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規劃設計意圖通過VR技術實時的反映出來，用戶可以做出很全面的對比，并且虛擬現實系統可以很快捷、方便的隨著方案的變化而作出調整，輔助用戶做出決定。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節省了大量的資金。

三維空間信息交流

虛擬現實系統的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口與GIS信息相結合，即所謂的VR-GIS，從而可以在實時的虛擬環境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型復雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理等需要。此外，虛擬現實系統還可以與網絡信息相結合，實現三維空間的遠程操作。

公眾參與與方案展示

對于公眾關心的大型規劃項目，在項目方案設計過程中，虛擬現實系統可以將現有的方案導出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。

3.1.3 虛擬現實技術對城市規劃的影響

1．城市規劃管理

信息技術對城市規劃管理的影響主要表現在辦公自動化方面，目前的辦公自動化方面，目前的辦公自動化主要是提高城市規劃管理部門內部的管理水平、質量和效率。隨著社會的信息化，通過因特網可以建立城市規劃管理部門與城市建設者之間的有效信息通信渠道，可以通過因特網實現網上報建，報建單位只要在本單位與因特網相連的計算機就可完成報建過程和提供所需的材料，規劃審批可以在因特網上完成。

規劃管理與規劃設計更緊密的結合，實現管理與設計的一體化，審批的結果可以電子數據的形式迅速的反饋給設計部門，而設計部門可盡快地將設計結果以電子數據的形式提交給管理部門，這些信息的傳輸可以通過因特網來完成。

通過因特網可以進行規劃評審，各地的專家可以在家里對規劃成果進行評審，規劃成果將利用虛擬現實技術展現專家所需的各種信息（如建筑物三維動態模型），通過網絡會議交流意見，專家甚至可以實時與規劃師交流，提出自己意見和設想，并可以較快地通過建立數字模型加以證實[10]。

2．城市規劃設計

城市規劃設計將更廣泛應用CAD和GIS技術，而計算機圖形輸入技術的改進和智能化，五筆輸入技術，使規劃設計師進行設計更為方便，而不影響靈感產生。

設計過程中所需的數據將數字化，使其獲取變得更加容易、更加方便，可以采用遙感圖像直接作為背景進行設計，而各種地下管線的資料由于數據庫的建立而更加方便的獲得。現在比較難以得到的人口空間分布、交通流量等信息由于相應信息系統建立而能很方便地獲得。

虛擬現實技術的發展與應用，使規劃設計成果的三維動態建模更加方便，設計成果更加形象和直觀。

在規劃設計和規劃審批中由于規劃成果的數字化，使得對各種規劃成果和方案的定量分析、模擬和預測成為可能，經濟可行性分析也更為方便，促進規劃決策的科學化。

通過因特網由分布在全球各地的規劃設計專家共同合作完成設計也將成為可能，這樣可以構建了一個不受規劃師的空間分布制約的虛擬設計事務所。

3．公眾參與

公眾可以通過因特網動態了解規劃設計方案和參與規劃審批，而且規劃方案與成果的表現形式由于采用虛擬現實技術和多媒體技術更為直觀和形象，使公眾能更好的理解規劃師的意圖，公眾通過因特網發表個人的意見，與規劃師、管理人員和其它有關人員進行直接對話，使公眾參與更加有效，促進決策過程的民主化。

4．城市規劃研究與教育

因特網構成了一個巨大的電子圖書館，各種城市規劃研究成果將以電子出版物的形式出現，城市規劃研究者將通過因特網查到各種城市規劃資料，并可通過電子郵件、BBS（電子公告欄）及其它一些網絡通信方式進行交流。

因特網同時也將成為一個龐大的遠程教育網，城市規劃專業的學生可以通過因特網利用多媒體技術學習城市規劃的理論與知識。

在信息時代，電子游戲也將成為一個很好的教育手段，城市規劃方面的游戲軟件將出現，可以對規劃設計與審批及城市建設過程進行模擬，使城市規劃學習及城市規劃的宣傳與教育通過玩電子游戲的過程來完成。

總之，信息時代的到來，使人類構造了一個與現實世界相對應的虛擬的信息世界，人們將生活在由原子組成的現實空間和由比特（BIT）構成的信息空間(CyberSpace)中，現實空間與信息空間的物理界面（Interface）是由計算機及網絡和數據庫構成的信息基礎設施，人們通過這一界面可跨越現實空間與一些時間的限制，了解現實世界的過去和現在，預測未來，進行思想交流。城市規劃將在信息空間中構造城市發展的藍圖，并通過建設者在現實世界中實現。

3.2 物理建模技術

3.2.1 人工的幾何建模方法

由構造VR的觀點看，幾何建模是構造VR的致命技術，它的限制可能妨礙VR的進展。VR研究將受益于共享的開放的建模環境，包括物理建模環境等。為了加深理解，需要回顧三維幾何模型怎樣獲取。下面回顧幾個VR工作所報告的模型獲取過程。VR的幾何建模一般通過基于PC或基于工作站的CAD工具獲取。在北卡大學漫游建筑的項目中，AutoCAD用于產生構成一座教堂幾何模型的12000個多邊形。討論的一個問題是"由為其它目的寫的CAD程序中取出要求的數據"。由AutoCAD產生的文件取出三維幾何并不困難，但問題是并非所有要求的數據都以VR要求的形式提供。特別是沒有提供有關建筑物實際物理的數據，用于實時漫游算法的劃分信息，以后由手工或專用程序加入。

VPL Reality Built for Two (RB2) 系統使用Macintosh Ⅱ，作為固體建模的設計站，用IRIS工作站作為繪制/顯示站。RB2是用于設計和實現實時VR的軟件開發平臺。在RB2下開發是快速的交互的，具有可實時編輯的屬性約束和交互。RB2的幾何建模功能利用了軟件模塊RB2 Swivel和數據流/實時動畫控制臺Body Electric。RB2在組織上有大量跟隨者，他們沒有足夠的資源開發自己的VR。RB2是交鑰匙系統，它的幾何物理文件格式是專有的。

在NPSNET項目中，初始的三維插圖集由SIMNET數據庫得到。這些模型知道的武器系統的三維外表比SIMNET少得多。結果，研究者開發了保存這些三維模型的開放格式，把物理模型增加到格式中，并改寫了系統，包含了面向對象的動畫能力。例如，NPSNET研究組正在利用MultiGen CAD工具開發無物理的模型，這用于SGI基于Performer的NPSNET-4系統。有物理的CAD系統已開始開發，但還很貴，只是專用的。許多VE應用要復制真實世界。不是用手建立模型，最好利用視覺或其它感覺自動獲取模型。自動獲取復雜環境模型(如工廠環境)當前還不現實，但這是合適的課題。同時，自動或接近自動獲取幾何模型，現在在某些情況是現實的。部分自動的交互式獲取在不久將是可行的。現在已有利用激光掃描建立實際物體三維外形的設備出售。

3.2.2 自動的幾何建模方法

三維掃描儀（3 Dimensional Scanner）又稱為三維數字化儀（3 Dimensional Digitizer）。它是當前使用的對實際物體三維建模的重要工具。它能快速方便的將真實世界的立體彩色信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了有效的手段。它與傳統的平面掃描儀、攝像機、圖形采集卡相比有很大不同。首先，其掃描對象不是平面圖案，而是立體的實物。其次，通過掃描，可以獲得物體表面每個采樣點的三維空間坐標，彩色掃描還可以獲得每個采樣點的色彩。某些掃描設備甚至可以獲得物體內部的結構數據。而攝像機只能拍攝物體的某一個側面，且會丟失大量的深度信息。第三，他輸出的不是二維圖像，而是包含物體表面每個采樣點的三維空間坐標和色彩的數字模型文件。這可以直接用于CAD或三維動畫。彩色掃描儀還可以輸出物體表面色彩紋理貼圖。

1．三維信息獲取技術

早期用于三維測量的是坐標測量機（CMM）。目前，CMM仍是工廠的標準立體測量裝備。它將一個探針裝在三自由度（或更多自由度）的伺服裝置上，驅動探針沿三個方向移動。當探針接觸物體表面時，測量其在三個方向的移動，就可知道物體表面這一點的三維坐標。控制探針在物體表面移動和觸碰，可以完成整個表面的三維測量。其優點是測量精度高。其缺點是價格昂貴，物體形狀復雜時的控制復雜，速度慢，無色彩信息。

機械測量臂借用了坐標測量機的接觸探針原理，把驅動伺服機構改為可精確定位的多關節隨動式機械臂，由人牽引裝有探針的機械臂在物體表面滑動掃描。利用機械臂關節上的角度傳感器的測量值，可以計算探針的三維坐標。因為人的牽引使其速度比坐標測量機快，而且結構簡單，成本低，靈活性好。但不如光學掃描儀快。也沒有彩色信息。FARO和Immersion公司提供這類產品。

借助雷達原理，發展了用激光或超聲波等媒介代替探針進行深度測量。這是激光或超聲波測距器。測距器向被測物體表面發出信號，依據信號的反射時間或相位變化，可以推算物體表面的空間位置，稱為"飛點法"或"圖像雷達"。不少公司開發了用于大尺度測距的產品（如用于戰場和工地）。小尺度測距的困難在于信號和時間的精確測量。Leica和Acuity推出了采用激光或紅外線的測距器。Senix公司推出了超聲波測距器。它受遮擋的影響較小。但要求測量精度高，掃描速度慢，而且受到物體表面反射特性的影響。

基于計算機視覺原理提出了多種三維信息獲取原理。這包括單目視覺法，立體視覺法，從輪廓恢復形狀法，從運動恢復形狀法，結構光法，編碼光法等。其中的結構光法，編碼光法成為目前多數三維掃描設備的基礎。這些方法可以分為被動式和主動式兩大類。被動式法的代表是立體視覺法。主動式法的代表是結構光法，編碼光法。光學掃描的裝置比較復雜，價格偏高，存在不可視區，也受到物體表面反射特性的影響[11]。

用于獲得物體內腔尺寸的方法之一是工業CT。它以高能X射線對零件內部進行分層掃描。它的缺點是精度不高，價格昂貴，且存在放射性危害。

美國CGI公司生產的自動斷層掃描儀（Automatic Cross Section Scanner， ACSS）可以克服這些缺點。但要求對被測物體進行破壞。

2．三維掃描系統的關鍵技術

在硬件和控制技術方面，掃描運動的伺服裝置要求精度高，運行平穩，可定位性好。用電子掃描代替機械掃描是當前的趨勢。各類傳感器要求精度高，分辨率高，噪聲小。

三維信息獲取技術方面，三維信息獲取的原理應綜合考慮精度，速度，易實現性，易使用性，成本，使用背景等。原理確定后，還要注意實施方案，采用巧妙的技術策略，提升產品的性能。還要研究計算模型和誤差模型，了解誤差的原因，誤差的傳遞，誤差的校正和消除。往往還要包括數據的預處理和后處理技術。

色彩信息獲取方面，物體的色彩由三個因素確定: 照明類型，物體表面的反射特性，眼睛按三條不同的光譜靈敏度曲線感知光線的能力。彩色是一種心理感覺。它與光源輻射能量的分布及觀看者的視覺感受有關。目前的三維掃描儀一般得到的不是物體表面的材質和對入射光的反射特性，而是在某種照明條件下所呈現的色彩。

三維構型，顯示及修改技術方面，掃描儀獲取的是物體表面離散采樣點的坐標和色彩。這些采樣點的集合稱為"點云"（Point Cloud）。必須用點，多邊形，曲線，曲面等形式描述立體模型，即將"點云"構成"形"。同樣的點集進行不同的連接，可能得到不同的三維模型。復雜表面的散亂點的構形是很困難的。還要將得到的三維模型顯示出來，并對缺陷進行人工修改。還必須支持多種數據格式，將結果按指定的格式輸出[12]。

定標技術方面，確定有關的裝置參數就是定標。它與計算模型和誤差模型有關。定標精度和可靠程度直接影響測量精度。定標還可以校正裝置的誤差。對彩色掃描，還有色彩定標問題。

3.3 城市建模

本設計采用了人工幾何建模方法建立城市模型的。這部分包括兩部分，即總體建模和局部建模。

3.3.1 總體建模

總體建模初步構造了將要建立的城市模型的大體布局，包括主要的街道，建筑等，還有整體的天空地面的色彩。局部建模是在整體建模的基礎之上對局部布景的詳細設計，是個逐步細化的過程。

整體建模如下：用Background設置天空和地面的色彩。Background節點用于生成VRML的背景空間，背景采用了立方體空間的表現形式，在其外放置了一個地面球體，在地面球體之外是天空球體。立方體和球體在概念上都是無限大的，并包圍著VRML世界，觀察者可以看到立方體和球體的任意部分但永遠不能接近它們。用Viewpoint節點定義了瀏覽者在虛擬環境中的游行方式。Viewpoint視點節點定義了處于局部坐標系中的一個指定位置，用戶可以從該點來觀察場景。在每一個新的觀察點，瀏覽器獲得的圖象就像是使用一部虛擬的取景器在屏幕上播放一樣。替身在虛擬空間中的移動，就使得取景器不斷的調整起位置和朝向。在這里本人定義了aa視點，采用了飛行的非跳躍的漫游方式。為了是瀏覽者的感覺和現實世界一樣，本人又在瀏覽者的頭部安置了頭燈，否則，展現在我們面前的將是一個個黑漆漆的模型。同時用WorldInfo定義了境界信息，在運行界面的標題欄可以看見該設計的名稱，作者等等。WorldInfo節點用來聲明一個空間的標題以及想提供的其他注解，它對VRML場景的創建并不產生影響。

運行效果如圖3-1。

圖3-1 背景圖

上圖只是一個非常非常粗略的框架，在此之上，用Transform節點創建了幾棟樓房，有高有矮，和城市的比較接近，還有南北東西走向的街道。Transform節點是一個組節點。Transform節點包含一個子節點列表，這些子節點可以是Shape節點、Group節點或Transform節點。在Transform節點中的所有子節點將在Transform節點的坐標系原點處建立。該節點包括位置的確定、造型節點的旋轉軸和方向、造型節點大小的縮放比例及縮放旋轉軸，以及形體造型的構造等，它的功能比較強大，使用相對簡單。Transform節點在放置場景中的對象并確定其方向時具有很大的靈活性。Transform節點也是一個形成VRML場景層次結構的基礎節點。這里的樓房和街道就是用簡單的形體造型節點Box構成的，只是在大小，位置，方向上做了相應的改變。為了是樓房看起來更逼真，又在上面嵌入了樓房的圖片。

城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規劃到城市設計，在規劃的各個階段，通過對現狀和未來的描繪，為改善人居生活環境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。這里也采用了城市規劃的思想，哪里放置街道、哪里放置樓房等都需要縝密的考慮，要求布局合理，位置適當。

圖3-2是設置后的運行效果。

圖3-2 簡單的樓房

很顯然，城市里只有樓房和街道是不夠的，一定要有樹，那是反映一個稱呼司綠化程度和建設特色的標志，而樹則不是簡單的立方體，但為了構造的簡便，本人用圓柱體和球體來構造樹，只要將球體在豎直方向上拉伸，在水平方向上壓縮，然后將這個改造過的形體放在圓柱體上就形成了一棵樹。當把樹嵌入到城市模型中，景致就完全不一樣了。這就是城市的整體構造。

在這里所用到的立方體Box、球體Sphere、圓柱體Cylinder都是簡單形體造型節點，但是運用它們可以構造更復雜的對象，需要初學者靈活的掌握和運用它們。除了上面提到的簡單造型節點之外還有圓錐體Cone。

圖3-3是一棵樹的造型。其實，它不僅僅是一棵樹，更是一個希望，象征著人類對環境美好的憧憬和欣欣向榮景象的期待。

圖3-3 樹

圖3-4 綠化的城市

圖3-3-4是在嵌入了帶有綠意的小樹的城市的整體構造。雖然有點空曠，但是，地廣人稀正是我們人類所向往的。現在世界人口的膨脹，土地資源的緊缺，已經上升到令人矚目的日程。開拓一片沃土，合理利用土地資源是每一個建設者的最終目的和任務。而且我們也應該珍惜每一片土地。

3.3.2 局部建模

局部建模也稱為細致建模，具體步驟如下。

一個城市只有樓房、街道和樹是不夠的，因此需要我們對粗略的城市進行細化。首先，先建立一個花壇，花壇也是有簡單的造型構成的，包括立方體和球體，相互嵌套而成。花壇的顏色設置為淺綠色，錯落有致。有樹有花壇，當然也得有草了，所以，還要做一個草坪。為了不和花壇相沖突，草坪的顏色設置為深綠色，是一個大的扁平的立方體。街道上沒有車也是不行的，但車的造型是比較復雜的，但是什么復雜的東西都可以簡單化，本人用兩個球體和兩個圓柱體做成了一個小汽車。兩個球體需要變形，而且上面的球體比下面的小。兩個圓柱體作為車輪子，架在大的變形球體的下面，并在上面嵌入了車的圖片，具體造型效果如圖3-5。

圖3-5 小車

草坪建好了，也要為其進行裝飾，因此在上面放了凳子和一個供觀賞的造型，凳子是由黃色的立方體做成的，供觀賞的造型則是在淺灰色的圓錐體上架了一個球體，并在草坪的四角各放了一個半球。為了體現國民的保護環境意識，在草坪的邊上有放置了一個圓柱形的垃圾箱。在此基礎之上，為了體現虛擬現實世界的動感，草坪四角的半球及中間圓錐體上的球的顏色是自動變化的。顏色的不斷變化是通過顏色插補器CorlorInterpolator和時間傳感器TimeSensor來實現的。CorlorInterpolator節點是VRML提供的附加的插補器節點，利用它可以構造色彩的變化效果。CorlorInterpolator節點在它的key和keyValue域中使用一系列關鍵時刻值和色彩值。CorlorInterpolator節點通過在兩個色彩值中內插，來計算一個中間的色彩值，此值被它value_changed域輸出。TimeSensor節點可以像時鐘一樣標記時間的流逝，還附加有定時發送相關時刻信息的功能。同時它可以是一個定時開關，開始及結束一些過程。通常與插補器、傳感器聯合使用。TimeSensor節點能夠作為任何組的子節點。

效果如圖3-6和圖3-7。從兩副圖中可以明顯看出，除了圖中的球體的顏色是不同的之外，其他的都是一樣的。

圖3-6 奇異的草地甲

圖3-7 奇異的草地乙

虛擬現實，也就是模擬現實，使得呈現的景象和現實世界的一樣逼真。在這了，本人將要設計的城市的四個游樂場所中的一個做了一點變化。那就是將里面的球體改成了立方體，這不是主要的，值得一提的是當替身與游樂場的距離在一定范圍內時，中間的立方體會自動的旋轉一定的角度。這種變化是如何實現的呢？其實很簡單，這里使用了臨近傳感器ProximitySensor。臨近傳感器感知觀察者進入并在一個空間的長方體區域中移動的時間。當觀察者接近區域時，能使用這些傳感器啟動一個動畫，當觀察者離開時停止這個動畫。ProximitySensor節點能夠作為任何組的子節點。并且它可以感知觀察者何時進入、退出和移動魚當前坐標系內一個長方體區域。可以檢測到觀察點接近的信號，利用它可控制其他操作。

一個城市只有高樓沒有平房也是不切實際的，本人又在城郊建立了幾個平房區。每個平房也是由簡單的幾何造型節點Box構成的。而且，每個平房的門是可以用鼠標拉動一個角度的。房門轉動是通過圓柱傳感器CylinderSensor的實現的。CylinderSensor節點可以感知一個觀察者的拖動動作，并且計算旋轉軸和角度，且通過它的rotaion_changed域輸出。將鼠標的動作轉換成適于操作造型的輸出。CylinderSensor節點可以是任何組節點的子節點，它可以感知觀察者在組及子節點的任何造型上的動作。通過將傳感器節點的輸出路由到Transform節點來引起造型物體的旋轉。平房區建完了，又在天邊添加了幾座山。山群是幾個圓錐體組成的，只是遠近和大小不同，顏色也做了調整，并在上面嵌入了山的圖片。具體結果如圖3-8。

圖3-8 山與平房

一個城市沒有人是不可能的，只是多少的問題。人的造型本人是用球體和立方體組成的，胳膊，腿，身體已經脖子是幾個立方體，頭部是一個球體，效果如圖3-9。

圖3-9 人

除了以上的各個造型外，在模型中還有一些電線桿，只是起到輔助的作用，也是為了使設計更加完美。

設計的最終結果如圖3-10。

圖3-10 美麗的城市

以上就是虛擬現實技術的應用，是基于VRML技術的，在整個設計和建模過程中，要求設計者有很好的邏輯構想思維方式，時刻以城市規劃為理念，要從全局考慮，掌握逐步細化的能力。在這里要求大家要熟練掌握虛擬現實技術和VRML技術，理解城市規劃的要領，能夠靈活的運用VRML語言，達到舉一反三的程度。

四章 系統的編碼實現

本設計是以虛擬現實技術為基礎，應用VRML語言實現的城市環境的模擬，下面是通過編碼而得到的一個城市模擬視圖圖4-1。

圖4-1 城市運行圖

在這里的核心技術是VRML語言。在第二章已經對VRML語言做了簡要的介紹，這里就不再贅述。

編碼實現的過程實際上是如何應用VRML語言的建模過程，編碼設計的核心也是VRML語言。在這里，對編碼的實現過程作一下簡要的介紹。在城市的模擬過程中，許多造型都是用簡單的造型節點構造的，用到的簡單造型節點有立方體Box，圓錐體Cone，球體Sphere和圓柱體Cylinder，盡管它們比較簡單，但是它們是基礎造型，不可缺少。下面，本人就從程序中取出一部分來闡述整個編碼實現過程。

Background節點是用來設置天空和地面的色彩的，skyColor中包含一系列三元顏色值，用來設置變化的顏色。skyAngle中包含一系列角度值，用來設置顏色變化的角度。GroundColor和groundAngle的功能和作用同skyGround和skyAngle大同小異。如：

Background{

skyColor [0.0 0.2 0.7，0.0 0.5 1.0，1.0 1.0 1.0]

skyAngle [1.309，1.571]

groundColor [0.1 0.0 0.0，0.4 0.25 0.2，0.6 0.6 0.6]

groundAngle [1.309，1.571]

}

DirectionalLight節點是用來設置平行光的照射方向的，其中的direction指定了一個三元值來設置方向，下面的例子中所設定的方向為光線沿著Y軸負方向照射。相當于光線是從頂部照射下來的。

DirectionalLight {

direction 0 -1 0

}

NavigationInfo節點是用來定義導航信息的，type域可以定義為飛行FLY，行走WALK等方式，speed域設置觀察著在場景中暢游的速度，單位為米每秒。Headlight域指明是否瀏覽器要將觀察者的頭燈打開。頭燈是一束指向用戶正在觀看方向的有向光。AvatarSize域指定一些距離參數，這些參數決定了在考慮碰撞檢測和視點隨地形起伏的用戶可移動范圍。該域的第一個只是碰撞被探測出以前用戶的位置與一個碰撞幾何體間允許的距離；第二個只是視點與地面間應保持的高度；第三個只是視點可以跨過得最高障礙物的高度。公共域avatarSize值描述了觀察者替身的大小特性。如：

NavigationInfo{

type "FLY"

speed 1.0

headlight FALSE

avatarSize [0.25，3.2，3.0]

}

Transform節點是一個組節點，該節點包括一個子節點的列表。這些子節點可以是Shape節點、其他Group節點或Transform節點。Translation用來指定造型的位置，children域是指定受該節點的變換影響的子節點。這個節點是整個程序設計中的基礎節點，幾乎每一個模型的建立都用到了Transform，因此，對Transform的靈活運用尤為重要。下面的例子使用Transform節點設置地面。

Transform {

translation 0 -24 0

children[

Shape{

appearance Appearance{

material Material {diffuseColor 0.4 0.25 0.2，}

}

geometry Box {size 400 48 400} } ] }

Viewpoint節點是視點定義節點，定義了處于局部坐標系中的一個指定位置，用戶可以從該點來觀察場景。Position用來設置視點的位置，它是一個三元值，jump域決定了視點的類型，即跳躍型的和飛跳躍型的。Orientation域是一個四元值，前三個值指定了視點的旋轉軸，第四個值說明了旋轉角度的正負。Description域的值指定了一個用于描述視點的文本串。下面是一個關于視點aa的例子。

DEF aa Viewpoint {

position

25 5 70

jump FALSE

orientation 0 1 0 0.4

description "aa"

}

在VRML編程中，Group節點也是一個很重要的節點。Group節點提供了最簡單的節點編組，可以包含任意數目的子節點，與一個沒有轉換域的Transform節點相當。該節點與Transform節點一樣，也有一個children域。它用來收集節點和創建不需要實施變幻的層次結構。似乎有了Transform節點，Group節點并沒有什么用處。但有時在對一個整體進行操作時，以Transform節點組織的整體相比Group節點組織的整體并不能顯示出優勢。如果在使用傳感器或插補器節點時，祖作為一個整體，可以使用DEF來給它定義一個名稱，并且在VRML文件中使用USE重復的引用。

一個組可以具有任意數目的成員，成為子節點。既可以是造型以可以是其他包含造型和組的足。包含子節點的組節點被稱為父節點。因為組節點可以其他的組，一個組的父節點可能是一個更高一級組的子節點。高級組的父節點可以是一個更高級組的子節點。從此上溯直到最高級父節點，稱為根節點。造型可以組織在一起來創建更大、更復雜的造型。由于Group節點和Transform節點很相似，在這里就不再舉例子了。

以上介紹的幾個節點是VRML語言的核心節點，整個程序的設計都是通過這些節點的不同設置和組合來實現的。除此之外，還有兩個重要的工具，這就是節點名定義DEF及引用USE，這是VRML世界提供給我們的兩個避免重復勞動的工具，節點命名是以關鍵字DEF加上所命名名稱在一起，置于節點類型定義之前開完成的。這兩個說明符可以放在任何允許節點的地方。USE語句并不是復制該節點，而是把該節點再次插入它所在的場景圖。節點名只在本文范圍內有效。

總之，系統的編碼實現就是利用VRML中的基本造型節點對已經涉及好的模型進行的模擬實現過程。在這個過程中，需要設計者能夠熟練的掌握和運用VRML語言，懂得融會變通，才能使預想創建的模型得以實現。

當然，VRML中還有很多更深一層次的部分，那需要有興趣的讀者繼續學習和探索，筆者在這里就不再過多描述了。

第五章 系統的測試與分析

5.1 系統的測試

隨著程序的逐步完成，系統的測試也開始了。系統的測試采用的單元測試法，即逐步測試的過程。將程序分成若干個程序模塊，單獨進行測試，觀察結果，與預期結果進行對比。當發現問題是逐步解決。然后，再將小的模塊漸進式的整合成幾個較大的模塊，重復上面的工作，最終形成整體的模塊，構成城市的整體建模。

5.2 測試中遇到的問題

在測試中遇到問題是在所難免的，本人也遇到了一些問題。

問題一：在程序的編碼過程中，無論定義的立方體的顏色是哪一種，顏色的顯示總是在頂部，其余部分為暗黑色。

問題二：在程序的編碼過程中，當對一個簡單的形體造型節點進行紋理貼圖時，運行提示，找不到貼圖文件。也就是說，紋理貼圖不成功。

問題三：在運行界面的標題欄添加境界信息時，為何只顯示其中的一部分，其余的沒有顯示。

問題四：程序中的許多節點的位置是一層一層嵌套的，因此就涉及到了如何才能進行正確的定位，本人總是在這個方面大費周章。希望可以找到一個好的方法來解決這個問題。

問題五：程序中的許多ROUTE與語句的使用總是和預想的存在差距。

當然還有很多更有難度的問題，由于本人能力有限，沒有進行深入的探究，希望有興趣的人繼續努力。

5.3 問題的解決方法

對于第一個問題，通過察看資料以及對其他程序的研究，本人認為，應該是光線的照射方向問題，只要將瀏覽者的頭燈打開應該就行了，經驗證結論成立。

對于第二個問題，本人經過細心研究，反復實驗，終于找到了答案。由于不同的VRML瀏覽器對圖片的識別也是不同的，有些瀏覽器只是別.jpg形式的圖片文件，有些瀏覽器只是別.gif形式的圖片文件，而有些是兼容的。因此，只要正確選擇瀏覽器及其相應的圖片格式，就可以實現貼圖紋理了。也許還有其他原因，由于本人能力有限，只發現了這些。

對于第三個問題，經過本人的細心研究發現，有些VRML瀏覽器提供特殊菜單選項來顯示虛擬空間的標題和注解，一些瀏覽器也把虛擬空間的標題定位于瀏覽器窗口的標題欄。可以在空間使用任意多的WorldInfo節點。但只有第一個WorldInfo會被瀏覽器顯示。因此，在使用WorldInfo節點時只要針對不同的瀏覽器采用相應的準則就不會出錯或不合心意了。

對于第四個問題，在VRML世界中，內層節點的定位可以說是獨立于外層節點的。一旦外層節點定義好了，就可以只考慮內層節點了。當然，怎樣才能找到正確的位置不是一件容易的事，它需要有好的空間立體思維能力和條理清晰的層次構想，也許需要多多練習，熟能生巧。

對于第五個問題，ROUTE的使用是一門技術，需要初學者多看一些相關的書籍和例子，掌握其中的要領和規律，還要多多練習。俗話說的好好記性不如爛筆頭，它需要大家多多的練習。

以上這些只是筆者個人的一點見解，由于知識有限，能力有限，可能看法有些淺薄，希望有興趣和愛好的讀者給與建議和指正。

結論

“虛擬現實技術的應用---基于VRML技術的城市之旅”的設計與實現，充分體現了虛擬現實技術在城市規劃建設中的作用，它能夠減輕設計人員勞動強度，縮短設計周期，提高設計質量，節省投資。而VRML在實現城市規劃中更是起到了不可或缺的作用，它是一種編程工具，利用它可以實現任意模型的虛擬，虛擬現實技術的優勢也才得以實現，使得城市的設計布局合理、美觀，支出價有所值。

在該設計的過程中，本人充分體會到要想熟練地掌握運用VRML和虛擬現實技術，就必需扎實的學習VRML語言和虛擬現實技術的基礎知識。隨著科學技術的飛速發展，虛擬現實技術在各個領域都顯示了其特殊的作用。時代的發展也使得我們掌握虛擬現實技術成為一種時尚的潮流。

設計的過程就是一個發現問題---解決問題---發現問題---解決問題的循環反復過程，但是它讓學習的人逐步進步，就好像滾雪球一樣，一點一點，越滾越大。通過“虛擬現實技術的應用-----基于VRML技術的城市之旅”的設計與實現，本人在VRML語言的運用以及對虛擬現實技術的發展方面有了很深的了解，受益匪淺。當然遇到很多尚未解決的問題，希望感興趣的讀者能夠繼續研究。

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