建筑环境学论文精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的建筑环境学论文主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：建筑环境学论文范文

关键词：建筑环境学 核心基础课 教学改革

中图分类号：TU-4 文献标识码：A 文章编号：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

建筑环境学是1998年专业调整以后，建筑环境与设备工程专业新设置的专业基础课，该课程与传热学、工程热力学及流体力学共同组成了建筑环境与设备工程学科的专业基础平台，但是，唯有建筑环境学反映了本学科本质特点，是本学科区别于其他学科的核心基础。

1 课程特点及教学难点

建筑环境学课程涉及内容广泛，从与采暖空调密切相关的建筑外环境、建筑热湿环境以及由此产生的人体对建筑热湿环境的反应，到建筑空气环境，再到建筑光环境和声环境，包含了建筑、传热、声、光、材料、生理、心理等多门学科内容[1]，其中很多内容都是学术界的前沿，而且很多问题仍在讨论中，这就给教学带来了很大的难度。在实际教学过程中，学生普遍感觉本课程信息量大而且不连贯，术语与理论公式较多，理解困难。

建筑环境学部分内容与后续专业课的教学内容重复。例如，建筑环境学在建筑热湿环境章节中针对建筑热湿环境的内、外扰量及透光围护结构和不透光围护结构的传热性能从机理分析到实际运算进行了详尽的介绍，但这部分内容在后续的“空气调节”专业课中仍将重复介绍，从而导致了课时不必要的浪费。

建筑环境学课程教学的实用性不突出。目前环保与节能减排已成为社会关注的热点，各种建筑环境测试、建筑及建筑设备的节能评估、节能诊断已成为社会急需的技术，但是作为其学科基础的建筑环境学课程则侧重于理论分析而缺乏实际技能和方法介绍。这往往使学生觉得课程脱离实际，没有实践操作性，因此缺少学习热情。

2 教学探讨

根据建筑环境与设备工程专业的培养要求，结合我院的具体情况，笔者在教学中对本专业数届本科生进行了教学改革探讨，总结几年的实际教学经验，得到以下几点体会，希望对建筑环境学课程建设的良好发展起到抛砖引玉的作用。

2.1 充分认识，明确定位

建筑环境学是学生真正接触本专业实质性内容的第一课[2]，因此，该课程的学习是激励学生热爱本专业并由此建立社会责任感的契机。在课程教学中，特别是绪论介绍中，应采用浅显生动的讲述，使学生了解建筑-设备-环境之间的关系，使学生明确建筑环境学是建筑环境与设备专业特色与核心基础，它反映了本专业与热能动力专业的根本区别，明确本专业的根本任务就是贯彻“以人为本”的主线，营造舒适、健康、绿色的室内居住环境和工作环境，后续所有课程的学习都是围绕该目标而进行的。学生通过该课程学习，能够树立节能环保、可持续发展的观念。

2.2 结合后续课程，注意前后衔接

根据教学计划安排，建筑环境学课程总学时数为48学时，课时少而内容多，因此不能面面俱到。由于后续课程中有部分内容重复，所以在本课程讲解过程中应互相结合，侧重点不同。例如，冷热负荷计算在建筑环境学中热湿环境章节占有较大部分，但是该内容在后续空气调节课程中将更加详细介绍，因此，在本课程讲解中将侧重于定义、成因分析，详细讲解负荷形成机理，而具体公式计算过程、计算机程序应用则由后续课程重点讲解。这样，“少讲”优于“多讲”，可使学生将知识点“吃透”，而不至于“囫囵吞枣”。

在教学体系设置上，应当使建筑环境学的教学内容与“空气调节、供热工程”等专业课的教学内容建立起有效的衔接。我院在课程设置上，将“建筑环境学”安排在大二第二学期，将“空气调节、供热工程、建筑环境测试技术”安排在大三第一学期。学生经过建筑环境学课程的“垫底”后，立刻接触到专业技能的训练，这样前后连贯，学生将更加清楚前期良好地建筑环境目标是如何通过后期一系列的设备技术实现，更加明确各门专业课程目的与任务，学习系统性更强。

2.3 多种教学手段应用，增强实践性

目前，建筑环境学的讲解主要依靠课堂讲述和多媒体课件的演示，虽然相比传统理论教学模式直观性增强，但仍存在不足，学生在学习过程中需要进一步增强参与性和实践性。建筑环境学是一门与生活息息相关的科学，要想让学生将课程的理论知识理解透彻，需要教师充分发挥主观能动性，将课本知识与实际生活现象联系起来，借助一些简单仪器、设计一些小实验或小调查，让学生通过切身体会加深对教学内容的理解和掌握。例如，笔者在课堂授课的同时，组织学生分别体会室外阳光下和背阴处体感温度差别，加深对室外空气综合温度的认识和理解；通过测试不同朝向、不同围护结构的教室的温度变化，向学生说明建筑布局、围护结构的热湿传递与建筑节能的关系；通过实地参观建材市场，使学生掌握甲醛等有害物质的来源、危害及释放特性，加深对室内空气品质重要性的感受。这一系列的观察实践活动使得枯燥的课本内容变得生动起来，使教学内容与实际生活密切联系，激发学生主动学习的热情，可以得到事半功倍的教学效果。

2.4 课程考核方式改革，注重能力培养

目前，多数高校的考核机制是理论成绩所占比例高，因此，学生只注重学习理论知识，而忽视了工程实践能力的培养。这样的考核方式必须进行改革，应把专业知识应用的程度作为考核的重点内容。我院采取的考核方式是：课后思考题作为小作业，占50%；科研论文作为大作业，占50%。通过课后思考题的论述，学生对于课本理论知识有了更加深刻的理解，而通过科研论文的撰写，则培养了学生的创新能力和实践工程能力。针对学生初次接触专业知识、没有撰写论文经验的特点，笔者将学生分为数组，每组建议1～2个与建筑环境学相关的科研题目，鼓励学生通过查找资料、问卷调查、简单实验操作等步骤独立完成课题，并指导学生参考固定的论文格式形成较为规范的科研论文，并进行课堂汇报。学生普遍对这样的考核方式很感兴趣，在论文选题、实践操作中不断主动提出问题并形成热烈讨论。通过这样的考核过程，学生的动手能力和灵活解决问题的能力明显增强，具有了一定自我培养工程能力的素质，对后期专业课程的学习建立了充分的自信心。

建筑环境学是后续专业课程的基础，是学生初步宏观认识建筑环境与设备工程学科的一个窗口，是正确合理运用暖通空调等专业技术手段的基础。因此，在教学过程中应格外重视，应通过不断的教学探讨，加强该课程与各门专业课的衔接，改进教学手段与考核方法，增强课程的实践性，培养学生的创新能力与工程能力，从而真正发挥建筑环境与设备工程专业核心基础课程的作用。

参考文献

[1] 朱颖心.建筑环境学课程建设与教学方法[J].高等建筑教育，2003，2（3）：26-29.

[2] 孙春华.充分发挥建筑环境学核心基础课程的作用[J].高等建筑教育，2008，17（1）：72-74.

第2篇：建筑环境学论文范文

建筑环境与设备工程专业是根据教育部1998年颁布的全国普通高等学校本科专业目录,将“供热通风与空调工程”和“燃气工程”两专业合并、调整、拓宽组建而成的新专业。中华硕博网资料显示,目前我国共有140多所院校开设了建筑环境与设备工程专业,在校学生3万多人,每年有6800多名毕业生。随着我国大学本科招生规模的扩充,毕业生面临越来越大的就业压力。如何提升建筑环境与设备工程专业的办学水平,增强学生的综合能力,适应社会的需求,向社会输送高素质的合格人才,是目前一个非常严峻的现实问题。在新一轮的应届毕业生就业阶段,对用人单位的需求状况及毕业生的择业状况进行了调查,从中得到了一些关于加强建筑环境与设备工程专业教育的启发。

二、用人单位对毕业生的要求

在2007年10月和12月期间,在西南科技大学和重庆大学参加了包括珠海格力电器股份有限公司、重庆隆鑫地产(集团)有限公司、四川长虹置业有限公司、中建三局工程总承包公司、重庆美的通用制冷设备有限公司等十几个用人单位的校内宣讲会、招聘会,这些用人单位囊括了产品研发、销售、技术服务、工程设计、施工等,并与用人单位招聘人员进行了全面交流。在交流过程中了解到,这些用人单位选人当然都重视毕业生的学习成绩,但也都不是把学习成绩作为全部,也十分看重毕业生的潜力,要求毕业生思想素质高、专业基础知识扎实,学习能力强,具有良好的沟通协调能力、团队合作能力以及创新能力,学生要具有吃苦耐劳的精神。比如毕业生有某方面的特长、在校期间参加一些活动并获得过奖励等等,他们都会优先考虑。同时,一些用人单位还要求毕业生必须通过英语四级和计算机等级考试等,而大型设计院则需要硕士以上学历的毕业生。通过调查发现,所有的用人单位除了要求毕业生的专业知识外,还特别强调毕业生要具有沟通协调能力、团队合作能力以及创新能力。这就要求毕业生在校期间必须全面发展,具有较强的综合素质,才能适应社会的需要。

三、毕业生的信息反馈

在宣讲会、招聘会现场,随机调查了来自西南科技大学、重庆大学以及重庆科技学院建筑环境与设备工程专业的数十名毕业生,了解他们在应聘过程中的一些想法,并从自身的角度谈谈希望学校在专业教育方面应该在哪些方面加强。现阶段的毕业生找工作大致有几种情况:一种是不急于确定工作单位,只是通过招聘会积累一定的经验,如果确有自己非常满意的单位才考虑,这种类型的毕业生大多是家庭情况较好;另一种是急于确定工作单位,这种类型的毕业生通常家庭情况一般,希望尽早确定工作单位,只要有单位愿意与其签约,他们就会立即同意,基本不考虑其他因素;还有一种情况就是介于前两种情况之间,这类毕业生会对多个招聘单位进行比较,考虑一些外部因素,再确定是否与用人单位签约,或者是先签定某个单位,工作以后继续寻找自己喜欢或适合的工作单位,目前这类毕业生所占比例最大。当谈到毕业生对学校的专业教育需在哪些方面加强时,几乎所有的学生都希望在实践教学环节进行加强,以增强学生的实际动手能力。另外,一些课程的设置应具有较强的针对性,专业知识面要求更广。

四、对专业教育的思考

在教育部对专业调整以后,建筑环境与设备工程专业的培养目标和课程体系都有了很大的改变。高等学校土建学科教学指导委员会建筑环境与设备工程专业指导委员会对建筑环境与设备工程专业“培养目标”的定位为:培养适应我国社会主义现代化建设的需要,德、智、体、美全面发展,基础扎实、知识面宽、素质高、能力强、有创新意识的建筑环境与设备工程专业高级技术人才[1]。重庆大学付祥钊教授和山东建筑工程学院肖勇全教授等对建筑环境与设备工程专业课程体系的总体框架提出了指导性的意见[2-3]。

(一)加强师资队伍的建设

专业调整后,对建筑环境与设备工程专业的专业教育有了更高的要求,同时对教师的要求也相应提高了。专业教师首先应该提高自身的水平,才能够适应专业发展的需要,从而提升专业教育,促进办学水平的提高。

(二)加强专业基础教育

在全国高校专业指导委员会提出的建筑环境与设备工程专业本科培养计划总体框架的指导下,以专业平台课为基础,结合学校自身的具体情况,发挥各自的优势特色,既符合高等教育“厚基础、宽口径”的教育方针,又能适应社会的需求。建筑环境与设备工程专业的专业基础课在原有的“流体力学”、“工程热力学”、“传热学”的基础上,新增了“建筑环境学”、“流体输配管网”、“热质交换原理与设备”三门专业平台课程。在专业基础课程教学中,必须明确专业平台课的性质和作用,要充分体现和突出学科基础,让学生学会运用专业平台课中学习的本专业工程技术原理和方法,分析处理不同的工程实际问题,从而锻炼出贯通本专业各种工程的能力。

(三)加强专业课程的特色教育

西南科技大学建筑环境与设备工程专业虽然都开设了“六大”基础课程,但与专业课没有形成一个完整的体系,很大程度上还是沿用了以前“暖通专业”的框架,也就阻碍了建筑环境与设备工程专业向更高层次发展。因此,必须在专业基础平台课的基础上,构建一个具有自身特色的专业课程体系。“联合办学”是西南科技大学的一大办学特色,而建筑环境与设备工程专业在这之前并没有利用好这一有利条件。如何发挥董事单位的优势,将其融入到专业教学中,开设专业特色课程,体现办学特色,需要进一步的摸索提炼。

(四)加强实践教学环节改革

实践教学既是理论教学的补充,又是培养学生创新能力的重要基础和源泉,建筑环境与设备工程专业具有很强的实践性和创新性。西南科技大学建筑环境与设备工程专业开设的实验课程多为验证性和演示性实验,而设计性和综合性实验偏少。设计性实验和综合性实验更能培养学生的创新意识以及协作意识,这个环节必须得以加强。实习是实践教学的重要环节。目前西南科技大学建筑环境与设备工程专业的各种实习是以集中实习和分散实习相结合的方式进行,但由于各种条件的限制,实习效果不是特别明显,我们也一直在探索一种适合自身情况的实习模式。专业课程设计和毕业设计(论文)是建筑环境与设备工程专业本科教学最重要的教学环节之一,是对学生综合运用所学知识,分析问题解决问题能力的培养和训练。课程设计应在原有的课程体系中进行整合,组建新的综合课程设计;毕业设计(论文)应逐步从“以工程设计为主、研究为辅”向“以研究为主、工程设计为辅”的方向过渡,将工程设计转向课程设计和综合课程设计中,这也就要求有较高的师资水平。

第3篇：建筑环境学论文范文

王老师在境外和国外的学习与工作经历有成功,更有坎坷与挫折.在攻读博士学位期间,他以敏锐的触觉,发掘出建筑设备工程学科在当时国际前沿研究领域的一个重要课题-建筑设备控制系统传感器信号可靠性的检验,开创性地提出并发展了基于质能守恒的传感器软性故障诊断原理,并以其长于数理推理的能力,发展出了一系列偏差信号的在线修正方法.而当这些创新性成果已被多个国际学术期刊接受,但尚未正式出刊之前,他决定以访问学者身份,前往美国麻省理工学院,到我校著名校友陈刚教授纳米工程实验室,准备将那里作为又一个新的起点.

在麻省理工学院,他以一项风险性很高的研究课题开始:高梯度场静电相变制冷的探索,经过一年多高强度,多方面的试验,得出的结论与事前的预期相差甚远.努力没有得到回报并没有使他失去信心,他转而着手有关纳米流体导热性能提升机制的课题研究,他和导师大胆提出了"电致导热"机理的设想,这个机理得到了国际传热传质领域众多学者的赞许和青睐.遗憾的是,由于涉及面宽,不确定性因素多,对实验研究的要求高,到目前为止,该项机理还没有最终定论,与此同时,纳米流体导热提升的理论和实验研究仍然是当前国际上的一项热点.从出成果的角度看,王劲柏老师的麻省理工学院经历是失败,然而,从科学研究的本质与未来发展的需求角度,他本人并不认为这是"失败",因为他更看重的是研究工作的过程和无形积累,他认同的是"失败是成功之母".导师陈刚教授对他表现出的执着,勇气和能力给予很高评价,同时也建议了一个选择机会:原不愿意到 intel从事计算机芯片热控方面的研发工作,可以推荐.

王劲柏老师最终回来了,回到他出国之前工作的环境学院.没有考虑留在美国的原因,他说有两个.一个是,在作留在美国的建议时,陈刚教授提醒到:留在美国可以很安稳,但不要再有"野心".他觉得,没有更高追求的生活,人生的意义就太失色了.另一个是,多年的境外国外时间里,他看到也切身感受到,至改革开放以来,在党的正确领导下,我国正在全方位地沿着一条正确道路快速发展,在有中国特色的社会主义建设过程中,能源和环境领域的发展必将有非常好前景,同时坚信,在"失败"中积累的无形财富,在国内定会更有机会结出成功果实.经过慎重思考,顾及到学校与国外在相关条件上的差距,王劲柏老师决定重新回到他之前所熟悉,并曾作出过一定成绩的建筑环境与设备工程领域,从事教学与科研工作.

教学方面,担任了"传热学","热质交换原理与设备","暖通施工","学科专业概论"等四门本科生课程,"建筑能源与控制"和"建筑物热过程"两门研究生课程的讲授,本科生"认识实习","生产实习"及"毕业设计"的实践教学环节的指导,以及XX级开始的硕士研究生的指导.对王老师的课堂教学,可以用以下几个短语来概括评价:课堂气氛活跃,效果好,互动强,知识面宽,不同内容关联度高,诱导与启发力度大,讲授有激情,受到同学的欢迎.对研究生的培养,在注重扩宽学生视野,加强基础理论知识,突出对自学,科研能力训练,解决实际问题要求的同时,特别强调对求知探索和创新意识的激发,针对不同学生的特点,做到课题开始早,计划详细,目标明确,路线清晰,指导耐心细致,要求严格,效果明显.在回国后的第一届硕士生培养过程中,通过有效指导及研究生的勤奋努力,课题组发掘出了几个既有非常好的学术意义又有很高的实际应用价值的课题,初步研究结果令人鼓舞,可望在近期形成良好成果.所指导的研究生通过自身的感受,对这种从实际应用中发掘出问题,从需求产生学习欲望,在解决问题的过程中培养多方位能力的指导和学习方法给予了高度评价.

科研工作方面,在经历了一段时间的领域和方向调整过程后,王老师现已有了明确的主攻方向:建筑及工业领域的节能与可再生能源利用技术与装备.两年多时间的积累已开始初见成效:获得了一项化工企业节能技术研究项目支持,申报了一项发明专利,另一项正在申报之中,风险投资对他的个别新技术已经表达了投资兴趣,为出高水平成果的相关铺垫性研究工作也开始有了令人鼓舞的初步结果.王老师对接下来几年的发展充满了信心.

在教学与科研之外,王老师也肩负有不少教学管理和其他社会工作.回校后不久,他即被学院安排担任负责研究生教育与培养工作的院长助理,之后又被选为环境学院基层工会主席,紧跟着,又开始兼任建筑环境与设备工程系系主任.这些管理与服务工作头绪多,内容杂,任务重,需要花费大量时间和精力,但他能吃苦,任劳任怨,严格要求自己,有条不紊地开展各方面的工作.在研究生教学管理和培养方面,他有不少关于如何借鉴国外高水平大学的人才培养方法和理念的设想,并有了初步的尝试计划.

在系主任工作方面,针对建系时间短,各项基础薄弱等特点,除了与同事们一起积极开展学科建设外,特别注重队伍建设和人才引进,强调学科发展一定要凝炼出好的方向,采取各种有实效的举措走出去,请进来,扩大交流,通过机制建设,造就和谐的竞争与协作共存,夯实基础与创新进取共重的良好氛围.XX年以来,组织了多次境外国外学者的来访交流;2011年4月,建环系非常成功地承办了第三届全国建环专业负责人会议,这是第一次在湖北地区举行全国性专业会议;今年5月,在学院和学校的支持下,建环系从香港理工大学成功引进了一位年轻人才,在自己目前还不是教授的情况下,建议将引进人才定位教授,并最终得到学校特聘小组的批准.

作为环境学院基层工会主席,王老师积极配合学院党总支和行政,认真做好监督,参与,维权等方面的工作,带领工会委员起到了很好的桥梁与沟通作用.通过积极组织和亲自参与,对活跃环境学院气氛,促进教职工间的和谐与团结作出了贡献.

王劲柏老师以一个优秀党员的标准严格要求自己,不断提高自身的党性修养,在教学,管理和服务工作,日常生活中,公平正派,服务意识强,尊重他人,乐于助人,受到同事和学生的好评.

最后,在此附上一位同学写的一份材料,可以看到学生眼中的王老师.

一日为师,终生为父

如果要用一句话总结王老师对学生的态度,用"一日为师,终生为父"是再贴切不过的了.王劲柏老师对每个学生的感情,就像是对自己的儿子一样,关心和爱护.

第一次遇见王劲柏老师的时候,是在传热学的课上,他一口流利的标准的英语就把我们震撼了,更让我们震撼的,就是他慈祥亲切的笑容,更更让我们震撼的,就是他特别专业,详细,易懂的讲解.于是,听王老师的课,成了一种享受,他把知识,专业最新的动态,还有温暖的笑容,都通过导热,热对流和热辐射传给了我们.于是,那个寒冷冬天的课堂开始变的有了温度,每次课堂都坐得满满的,我们互相传着热量.

他喜欢和我们交流,和蔼的像个伙伴.关于我们的学习,关于我们的生活,关于我们的未来.我们喜欢和这样的朋友讲心事,他像个长辈看着我们的成长.说着他年轻的时候的故事,听着我们诉说着自己的烦恼.他的思维活跃,经历丰富,帮助我们找到自己的目标,解决我们的困惑.对职业的发展,大家都很迷茫.王老师就经常给我们讲目前国内外专业发展的现况,未来的发展,各种工作岗位的性质,也会根据我们的性格等分析我们适合的工作类型.在研究生阶段,他根据我们的兴趣爱好,选择适合我们的研究方向,并经常和我们交流名为我们答疑解惑,使得我们很快的适应了研究生的生活.（2）

他敬职敬业,深深的感染着我们.每一节课,他都认真的准备,对难点和重点,总是会用生活中的例子帮助我们理解,每一次作业,他都认真批改,红笔留下的是出错的原因和详细的说明.周一至周周六,每天早上,他基本上都是第一个到实验室,然后,就会工作一整天,直到深夜.这份执著,源自对工作的热爱,源自教书育人理想.这份热情,也影响着我们.我们努力的学习,对专业问题追根问底.有时为了一个小问题,我们都会阅读大量文献资料,为了一个数据,我们都会反复研究分析.正是在这种氛围中,我们学习知识,共同进步.

他治学严谨,在学术上一丝不苟.对我们要发表的论文,他会逐字逐句的为我们批改,对引用文献和数据的出处,他都要亲自看一遍,对问题的探究,他谦虚谨慎,一个措辞都会斟酌很久.对一个实验现象,他都会从很多角度分析,找到最合理的解释.对试验和模拟的数值差别,他都会认真分析误差来源,仔细寻求解决办法.正是因为这样,我们的研究方向,研究手段都得到了创新,在王老师回国后的短短两年内,我们经过了从无到有的过程,根据国家节能减排环境保护的政策,确定了既有非常好的学术价值又有高实际应用的课题,搭建了实验台系统,开拓了视野,也取得了初步的成果.

教室里,是他渊博,深入浅出的讲解;

足球场上,是他矫健的奔跑;

第4篇：建筑环境学论文范文

关键词：建筑设计；生态学理念；应用

中图分类号： TU2 文献标识码： A 文章编号：

当前建筑业是巨大的能耗产业，将生态原则整合纳入到传统建筑的设计体系已经逐步提到议事日程来。当前我国在这一方面已经取得了一定的成就，但针对目前现状来看仍然不是很完善，还需要我们进一步的研究。

1建筑设计中的生态学理念

现在人们往往通过遵循就近环保的原则选择建筑材料，利用清洁能源(如太阳能、风能、地热能以及各种再生能源)供给建筑，采用高效的建筑设备提高利用率，使用生态智能系统与活水净水生态工程等来实现建筑的节能和生态化。而事实上，生态设计应该是在一个成型的设计系统里对能源和材料谨慎使用的整体考虑。因此，生态建筑的建造需要优秀的设计和工程来创造一个健康愉快的居住空间，使得人、建筑与自然生态环境之间形成一个良性的关联，最终实现建筑的生态化。

2生态建筑设计的原则

首先，整体设计。这一原则要求我们在做设计的时候，应当从生态整体的观点出发，使得建筑物与自然环境、社会人文环境以及经济环境之间达到和谐共生，成为一个有机整体，使得人、建筑、环境构成一个良性循环的系统。其次，高效无污染，这一原则是前一原则的延伸。提高能源的利用效率，采用对自然环境以及对人体无害的材料，尽可能减少建筑物对周围环境的破坏，以最少的非再生资源消耗换取最大的使用价值，即舒适健康的人居环境，这是生态建筑最基本的要求，也是生态建筑最为显著的特点，贯穿于建筑的始终。再次，灵活多适。由于建筑系统在其全寿周期内，与周围环境存在着相互作用的关系，这种相互作用会随着时间的变化而变化，同时建筑物的功能在这个周期之内也会发生变化，为了避免过早废弃，需要建筑师采用“适应性改变”、“灵活性设计概念”、“长寿多适概念”以及“合理废弃概念”等策略，以使建筑物能够适应未来的变化。

3 生态建筑设计要点

生态建设要点侧重在生态住宅的实际运用和生态理念的深入。生态住宅设计，指的就是综合运用当代建筑美学、建筑技术科学、人工环境学等，把住宅建造成一个小的生态系统，为居住者提供舒适、健康、环保、高效、美观的居住环境的一种设计实践活动。生态必须是双重的功效，既包含环境的保护又包含人类生活的保障。生态建筑的理念要深入到选材、施工、设计等各个环节当中去。其技术策略应该体现在住宅区物理环境与能源系统设计两个方面。同时又与绿化设计以及建材的选择息息相关，这两个方面应该引起相关人员的足够重视。

4建筑设计中生态学理念的体现

4.1建筑外部生态景观设计

建筑外部生态景观设计的目标是建筑场地规划与景观设计方案能够改善局部小气候，在尽可能小的物理空间容纳尽可能多的生态效应。建筑布局能影响局部气候，将室外气候控制得离“舒适区域”越近，那么制造一个舒适的室内气候所需消耗的能量就越少。合理的建筑布局能够降低建筑物本身的能源消耗，从而节省开支。因此，应综合考虑建构及布局设计方案，使之有助于发挥施工地点本身特点。同时，应该根据当地的生态系统综合考虑被设计的系统和布局所需要的植被。如绿色空间和建筑绿化、动植物生境和生物多样性的营造、水景观和其他人工景观的特异性、公共空间的美化、与对当地自然环境的亲和性、适应性等。这些充分体现地域特点，与当地自然生态景观融为一体的设计能有效调节局部气候。

4.2建筑内部居室生态工程

将生态学原理应用于建筑结构设计中，赋予建筑以生命活力，使得建筑具有当地文化特色，适应当地自然条件。充分通过自然通风、自然采光、建筑绿化等来实现建筑自动隔热制冷以及合理对建筑内部光、温、湿、气的控制，提升建筑内部环境的舒适性、无害性、方便性和生态合理性，实现建筑使用过程中的低能耗。

4.3建筑场地生态恢复工程

在建筑小区引进城市农业和庭院经济，在建筑的屋顶、中层及立面营造绿色立体空间，在一定程度上对建筑占用土地的原有生物生产或生态服务功能进行恢复，对系统的经济效益进行补偿，为居民提供一种更接近自然的空间。其次，建筑场地中需要关注建筑的具置，基地面积的增减、形状的变化，道路，需要铺设的地方等等都应该符合生态学的土地利用方法。

5 生态建筑设计的发展趋势

5.1 节约原材料

建筑材料的应用是建筑的主要部分，建材的节约就成为了建筑节约的关键。在科学技术的支撑下，人们已经开始逐步的减少建筑物梁柱的利用数量，一方面营造了建筑的空间和立体感，增强建筑物的美感，另一方面又节省了材料，节约了资金。被称为索膜结构先驱和开拓者的费赖·奥托，推崇“最少”的原始建筑学，认为这种建筑学“能将结构和装饰结合起来”，转换成现代建筑，就是“轻的、节能的、灵活的、适应性强的”。

5.2 节约能源

世界的总体能源储量紧缺，这就驱使人们的建筑理念也开始向节能方向转变。建筑的节能主要体现在节能建材的利用方面。建筑物可以利用自然通风来减少空调和电风扇的使用，降低了空调释放的有害气体对环境的破坏，同时也降低了能量的消耗，给用户节约了经济成本。针对于环保节能，人们开始逐渐的开发太阳能。太阳能成本低、无污染、能源广，已经广泛的应用到了建筑的诸多方面当中去，给人们的生活带来了便利的条件。我国的太阳能开发程度还有所欠缺，需要相应的借助国外的成功案例。资源的再利用也是节能的一个方面，结合经济和环境利益，我国的建筑已经开始逐渐的加大了对建筑物就有材料的利用程度。

5.3 建筑再利用

循环利用成为目前环保的一个重要课题。建筑师将这一理念引入到建筑业中来，并在实践中得到了良好的发展。发达国家对于建筑的再利用工程发展得十分良好，出现了许多成功的、值得借鉴的案例。我国以往的建筑都是停留在大规模拆毁和大规模的再建基础上，缺少再利用思想的引导。建筑再利用可以利用原有可利用的资源，再结合一定程度的新资源进行城市建筑，既有环保的功效，又能节省人力、物力、财力，降低成本，迎合我国和谐发展的理念。

经济的发展已经给生态环境带来了一定程度的破坏，人们从长远的发展角度出发，开始逐渐的重视生态环境的保护，生态观念已经深入到诸多领域，城市建筑也应该随着时代的步伐重视生态规划。一方面符合生态环境和人类未来发展的趋势，一方面也迎合了市民需求和心理。因此，生态建筑设计的理念必将深入人心，生态建筑的发展前景将会越来越广阔。

结语

以上对生态设计的探究，以便于我们在未来的设计中更好的体现生态性，从而实现人与自然的和谐共处。设计师作为推进人类文明的一员，肩负着重要的使命，设计师又是连接建筑景观与人之间的纽带，影响着人们的生活方式和社会文化的变更。因此，生态设计不仅是一个技术层面上的思考，更是一个观念上的变革，它在一定程度上具有理想主义色彩。要达到生活舒适与资源消耗平衡，短期经济效益与长期环保目标平衡，需要设计师与消费者及全人类的共同努力.

参考文献：

[1].宋海林，胡绍学.关于生态建筑的几点认识和思考(一)[J].建筑学报，1999，(03).

[2]金月梅，刘福智.自然通风在适宜地域建筑设计中的运用[A].建筑环境与建筑节能研究进展--2007全国建筑环境与建筑节能学术会议论文集？[C]，2007.

第5篇：建筑环境学论文范文

纵观索膜结构的发展历史,可分为以下几个阶段:

1.1 膜结构的出现

膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是以充气膜结构的形式出现,世界上第一座充气膜结构建成于1946年,设计者为美国的沃尔特·勃德(W.Bird),这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议,无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。

充气膜结构它是以柔性结构体系来承受风荷载和雪荷载等各种外荷载的作用,由于膜结构的特点以及膜材的特殊性,充气膜结构的设计分析过程也不同于以往的钢筋混凝土和钢结构。充气膜结构的结构计算包括初始形态分析、受荷分析及模态分析等内容。充气膜结构的结构分析包括3个阶段:忽略其自身微小的自重和自平衡预张力,不承受任何外部荷载的零态;在确定的边界条件及施加预应力的分布和大小后所形成的初始态;在外荷载、自重及考虑材料张力作用的工作态。它们之间的膜面主应力方向、预张力的大小变化、形态变形过程和趋势等是相互联系、相互制约的,必须从全过程、一体化的角度加以考虑。

1.2 迅速发展

索膜结构作为新的建筑形式自出现,特别是到了20世纪70年代以后,索膜结构的应用得到了迅速发展,在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中,膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

1988年建成的日本东京室内棒球馆(Tokyo Dome“Big Egg”),是一座有55000个座位的体育馆(室内净面积46767m2),该设计是建筑行业的一种强有力的蜕变过程,其蛋形屋顶为具有弹性的薄膜,一般会把巨蛋内的气压控制在比巨蛋外高0.3%以维持蛋顶外型。结构从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,创造了巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、使用安全等优点。另外值得一提的是,在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,国际贸易论文无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。

1.3 膜结构在国内的发展

在世界建筑业的迅速发展中,中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来,在索膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大,但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外,但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。

在过去10年中,中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点,膜结构往往被采用,体育建筑可以说是膜结构在中国应用的突破口。1997年之前,只建造了少量的小型与中型的膜结构,同年在上海举行的第七届全国运动会,膜结构被用在主体育场的看台挑篷,总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上,具有深远的影响。

上海体育馆鲜明特点是大跨度、大空间,其外形既充分展示了体育运动的力度和气势,又体现了简洁流畅的整体风格,是建筑技术和建筑艺术完美的结合。观众席上方采用马鞍形大悬挑钢管空间屋盖结构,覆以乳白色半透明膜结构的顶面,面积为3.6万平方米,主席台正上方的一根最长单臂悬挑梁长73.5m,为世界建筑史之最。

在上海体育场成功的建成后,虽然它的价格仍高于传统的结构,又出现了一些膜结构屋顶的体育场。颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛,这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场,外包尺寸为266m×180m,可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系,整个屋盖由70个锥形索膜单元组成,总面积为30000m2。环顾整个中国大地,膜结构成为覆盖主体育场的优选。

2 索膜体育馆的现状

第6篇：建筑环境学论文范文

关键词：保温；遮阳；自然通风；冬暖夏凉

主要从外墙，屋面，窗，遮阳，自然通风，保温，6个方面来说明它们不同的特征对南方地区的能耗会产生不同的影响。

先讲外墙，主要从外墙的材料，蓄热性能，以及热阻来论述对能耗的影响。外墙以玻璃幕墙和实体墙为主。在南方地区基本不用玻璃幕墙，主要是考虑以下几个因素，第一玻璃幕墙具有相当好的通透性，可见光可以投射进来，如果是高透的low-e玻璃，则近红外线也可以投射进来，被围护结构，家具等具有蓄热性能的物体所吸收，并使其表面温度升高到超过空气温度时，再以自然对流的方式传给周围空气而成为房间的瞬时得热量，从而会加大房间的冷负荷。第二，考虑到玻璃幕墙的蓄热性能，玻璃的蓄热性能很小，从而会有两个影响，一是夏天的话会迅速提高室内的温度，（玻璃也有温室效应），从而增大冷负荷，二是如果在冬季或是北方，则会有利于提高室内平均温度。减少采暖负荷。第三，由于南方地区，夏季长冬季短，玻璃幕墙冬季能够采光，减少照明等优点，不过从一年的耗能来说，玻璃幕墙不适合南方地区。因而不采用玻璃幕墙。墙体的蓄热性能，其蓄热功用主要体现在白天室外温度较高是，建筑蓄热体可作为热汇吸收进入室内的热量，从而降低室内空气温度，提高舒适性能，减少额外的制冷需求；在室外温度较低的夜晚，外墙储存的热量慢慢释放，该热量由自然通风和机械通风排出。冬季白天地板和外墙吸收来自太阳的辐射热量，储存热量，夜间慢慢释放到室内以提高空气温度。在冬季，外墙的蓄热性能越强，则效果就会越好，但是夏季就不符合这个规律了，冬天不管是白天还是晚上，热流的传递方向均是由室内传到室外，但是夏天白天热流方向则是由室外传入室内，晚上则是由室内传入室外，热流方向刚好相反，如果外墙的蓄热性能很大，则白天会储存大量的热量，会减少部分冷负荷，到了晚上，由于南方地区室外日温差小，因而储存大量的热量难以快速散发出去，一方面会增加冷负荷，如果连续几天的高温，另一方面由于外墙晚上没有完全释放热量，使外墙白天温度高失去其蓄热性能，因而在南方地区尽量不要采用蓄热性能很大的材料。外墙的热阻，外墙的热阻越大，则其保温性能越好，保温性能是和导热系数成正比，而蓄热性能是和导热系数，密度，比热容的乘积成正比。对于实体墙而言，一般热阻越大，保温性能越好，蓄热性能越好，所以南方一般不采用厚实的墙体。

屋面，由于南方纬度低，在夏天，屋面处于太阳直射的时间长，会使屋面的温度上升比较快，中午时分可达到60度以上的高温，因而从屋面向室内的传热所消耗的冷负荷占了很大一部分。通常屋面的几种处理方法1，选用合适的保温材料，其导热系数，热惰性指标应满足标准要求，2，采用架空形式保温屋面或倒置式屋面，3，采用屋顶绿化屋面，蓄水屋面，浅色屋面，坡屋面等，4，采用通风屋顶，阁楼屋顶等。根据实际情况选择合适的屋面。

窗，主要从窗墙比和窗的朝向来论述。从节能的角度出发，围护结构外窗取小值对空调负荷的降低是有利的，但是窗太小将使建筑物室内采光通风受到影响，因此，《热工设计标准》中规定窗墙比在0.3以下，但南面朝向可放宽到0.35，这是因朝向不同接受到的太阳辐射也不同，根据太阳在天空中运行规律，冬季南向墙面将得到最大的太阳辐射热量，而夏季确是东，西墙面，因此，房间外窗面积大，开窗多的一面正对冬季太阳辐射强度大的南向方位，而把房间面积小，开窗少的一面朝向夏季太阳辐射强度大的东，西方位，使得外窗在冬季太阳辐射强度大南面有较大的辐射得热面，而夏季太阳辐射大的西面，有最小的窗玻璃隔热面，这样按朝向布置开窗面，有利于房屋夏季隔热，冬季保温。由于南方夏季季候风盛，且多吹东南风，房屋南窗面积的开大有利于利用自然通风散热除湿及晚间自然降温，因而南窗面积最大。东西窗相比同样的窗墙比，东窗更节能，开东窗时，上午通过太阳辐射进入室内的热量最大，通过窗的传热进入室内的传热则是下午最大，因而两者的峰值错开了，而开西窗的话，峰值发生重叠，虽然进入室内的总热量不变，但是开西窗会增加室内的冷负荷，所以一般西窗的面积小于东窗，北侧一般不会有太阳直射，但是北方在冬天盛行，由于窗的传热系数小，所以一般北向窗墙比小于南向大于东向，可得出结论是，在南方地区，窗墙比的大小依次是：南向 北向 东向 西向

遮阳，遮阳分为外遮阳，内遮阳，遮阳设施放在窗玻璃中。外遮阳是把遮阳设施放在室外，此时一部分太阳辐射会被遮阳设施吸收，一部分会被遮阳设施给反射，一部分会透过遮阳设施投射到窗玻璃外表面上，并且只有一部分会变成室内的冷负荷，而内遮阳，透过玻璃的太阳辐射都会变成室内的冷负荷，只不过其峰值有所延迟和衰减。因而外遮阳相对于内遮阳来说更节能，可是外遮阳易损坏，因而可以将遮阳设施放在窗玻璃的中间，此时，有了外遮阳的性能，又有了内遮阳的不易损坏的特性。通常上下会有开口，形成烟囱效应，及时排走窗玻璃中的热空气，减少室内冷负荷，因而南方地区一般采用窗玻璃中放遮阳设施。

自然通风，在夏季白天应维持最低要求的通风换气量，晚上则可以利用自然通风来给室内散热，春秋过渡季，则由于室外温度处于较舒适的范围，应该采取最大的通风量来维持室内的舒适度，冬天则是维持最低要求的通风换气量。

保温，保温分为内保温和外保温，采用哪种保温措施应根据建筑物的使用时间段和空调方式而定。对于空调系统间歇运行的房间，应采用内保温，一方面可以加大墙体的传热热阻，减少围护结构的传热负荷，另一方面，因为保温层在内侧，对室内的冷量其阻隔作用，减小了因墙体蓄热带来的短时间内的空调冷负荷从而降低了使用时段内的空调能耗。对于空调系统连续运行的房间，墙体应该采用外保温，由于保温层在外侧，主体材料的温度和室内空气温度接近，这就意味着当负荷不均衡时，可保证室内侧墙体的表面温度不急剧波动，蓄热层吸收热量和放出热量，朝有利于室内温度保持稳定的方向变化。对于使用时间段在白天的房间，总的来说，宜采用外保温，这样白天蓄存热量，有利于室内温度的稳定性，对于使用时间段在晚上的房间，宜采用内保温，由于保温材料在室内侧，当晚间室外温度低于室内温度时，让室外空气进入室内，使室内空气温度降低，同时墙体温度也降低。如果在室内侧，由于白天没有空调，室内温度会升高，主体材料温度也高，夜间即使开窗通风，因墙体的蓄热放热效应，使室内温度降低缓慢。

参考文献

[1]许锦峰，黄欣鹏，吴志敏 被动式节能建筑围护结构的技术特征 [期刊论文] 《南京工业大学学报，（自然科学版）》

[2]朱颖心.建筑环境学 中国建筑工业出版社第三版

[3]白贵平，冀兆良，围护结构隔热对室内热稳定及空调负荷的影响-[期刊论文] 《建筑热能通风空调》

第7篇：建筑环境学论文范文

论文摘要：随着虚拟现实技术的出现，城市规划建设发生了革命性的变化。而虚拟现实建模语言VRML正是相应其产生的，人们可以根据自己的丰富的想象力模拟构造出任意模型，从而实现城市规划的预见。当然，也可以从模型中发现缺点和不足，从而做进一步的改进和完善。本文正是基于这种技术和VRML开发工具实现了城市的仿真，能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可以从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，公众的参与也能真正得以实现。

本文研究的主要是虚拟现实技术在城市规划领域中的应用。意义在于针对现代城市建设的盛行，利用环境学、工程学、规划设计等的综合，将虚拟现实技术运用其中，实现对城市的仿真，更真实、鲜明、生动地展现城市面貌，便于对城市规划的可行性研究，有利于城市的规划，建设和完善。

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 绪 论

1.1 什么是虚拟现实技术

虚拟现实是计算机模拟的三维环境，是一种可以创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，它通过人的视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的视景仿真。它是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术。用户可以通过计算机进入这个环境并能操纵系统中的对象并与之交互。

虚拟现实不是真的，也不是现实，它只是一个在桌面上可实时地做交互式三维图形用户界面的工具。就像窗口系统及鼠标驱动用户界面一样，虚拟现实可使计算机的运用更加有效、透明。根据设计者的构想，用户可以沉浸到数据空间中，将用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的虚拟环境中，并且驾驭其中的数据，使人有一种身临其境的感觉。

虚拟现实是一门综合技术，它以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等，来生成一个逼真的三维视觉以及嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自身的功能和一些设备，对所产生的虚拟世界这一客体进行浏览和交互式考察[1]。

虚拟现实有三大特点：浸沉感、交互性和构想性。

浸沉感指的是人浸沉在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉；

交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受，而是可以通过自己的动作改变感受的内容；

构想性指虚拟的环境是人构想出来的，因而可以用以实现一定目标的用途。

1.2 虚拟现实技术的发展前景

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是近来计算机网络世界的热点之一，在社会生活的许多方面有着非常美好的发展前景，更是数字地球概念提出的依据和基础技术。

虚拟现实的应用领域十分广泛，主要在工程设计、计算机辅助设计（CAD）、数据可视化、飞行模拟、多媒体远程教育、远程医疗、艺术创作、游戏、娱乐等方面。 Web的出现更使虚拟现实技术引起人们普遍的关注。人们对它寄予厚望，希望利用这个技术使世界各地的人，可以在三维环境下交流。多个用户可以进行基于文本的或是声音技术的闲谈，在网上建立一个真正的三维社区已不再只是梦想中的事[2]。

虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信特性的结合，更是人们所梦寐以求的。在某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项发展中的、具有深远的潜在应用方向的新技术。利用它，我们可以建立真正的远程教室，在这间教室中我们可以和来自五湖四海的朋友们一同学习、讨论、游戏，就像在现实生活中一样。使用网络计算机及其相关的三维设备，我们的工作、生活、娱乐将更加有情趣。因为数字地球带给我们的是一个绚丽多彩的三维的世界!

我们相信社会的发展和技术的创新使这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将来，或许就在十年以后，或许二十年以后。

1.3 国内外虚拟现实技术的研究概况

美国是VR技术的发源地。美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

在当前实用虚拟现实技术的研究与开发中日本是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。但日本大部分虚拟现实硬件是从美国进口的。

在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面，在欧洲英国是领先的。到1991年底，英国已有从事VR的六个主要中心，它们是WIndustries（工业集团公司），British Aerospace（英国航空公司），Dimension International，Division Ltd，Advanced Robotics Research Center和Virtual Presence Ltd（主要从事VR职产品销售）[3]。

和一些发达国家相比，我国VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家们的高度重视。根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。 在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到了这一领域的研究工作。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发出了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接[3]。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学计算机系已轻成功地虚拟出了人的高级行为定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的向步等。

还有其他一些大学在虚拟现实发面取得了骄人成绩，在这里就不再介绍了。总之，虽然我们和其他一些发达国家相比还存在差距，但我国的发展前景还是很光明的，需要大家的不懈努力。

1.4 本文研究的主要内容

本文主要是介绍了虚拟现实技术极其应用，及其相应的实现工具VRML语言。通过对城市的模拟设计，更深入的了解虚拟现实技术及掌握VRML语言的使用。

第一章主要讲了虚拟现实技术的基础知识、发展前景以及现今国内外的发展状况。以便让读者对虚拟现实技术有一定的了解。

第二章主要讲了虚拟现实技术的实现工具VRML语言的发展历史，虚拟现实与VRML的联系以及VRML的创作原理等，目的是使得读者可以很快掌握VRML。

第三章是系统的概要设计，主要讲了虚拟现实技术的应用和VRML的使用。通过介绍虚拟现实技术在城市规划领域的应用，物理建模技术以及城市模型的概要设计，使得读者对虚拟现实技术的了解更加深入和透彻。

第四章主要讲了系统的详细设计，主要是告诉读者怎样利用VRML语言实现模型的虚拟实现。通过本章的学习可以使读者的运用VRML语言的能力大大增强。

第五章主要讲了在系统的设计过程中遇到的问题及相应的解决方法。

第二章 VRML简介

2.1 VRML的发展历史

VRML使用场景图数据结构来建立3D实境，这种数据结构是以SCI开发的Open Inventer 3D工具包为基础的一种数据结构。VRML的场景图是一种代表所有3D世界静态特征的节点等级：几何关系、材质、纹理、几何转换、光线、视点以及嵌套结构。几乎所有的生产三维产品的厂商，无论是CAD、建模、动画、虚拟现实，还是VRML，它们的结构核心都是场景图。

1993年9月，Tong Parisi和Mark Pesce开发了第一个VRML浏览器，称为Labyrinth，它是WWW上三维浏览器的原形。

1994年春，在日内瓦第一届WWW大会上，由Tim Berners-Lee和Dave Raggett所组织的一个名为Bird_of_Feather (BOF)的小组提出了VRML这个名字，当时所代表的含义是Virtual Reality Makeup Language，但是后来为了反映三维世界的建立而改成了Virtual Reality Modeling Language，缩写为VRML。在这次大会以后，一个www-vrml mail list的组织成立了，Silicon Graphics，Inc(SGI)的Gavin Ball通过选择Open Inventor文件格式中的基本元素，增加必要的WWW特征，制定的方案经修订，在1994年第二次WWW大会上公布为VRML1.0的初稿。

另一位SGI的原Open Inventor设计师Paul Strauss开始作一个VRML公共域的词解程序，当时流行于业界的名字叫QvLib。这个程序的作用是把VRML的可读文件格式转换成浏览器可理解的格式。这个词解程序于1995年1月公开。它可以安装到各式各样的平台上，从此，各种浏览器私雨后春笋般兴盛起来[4]。

1996年8月在SGI的 Moving Worlds提案基础上形成VRML2.0。VRML2.0在VRML1.0的基础上进行了很大的补充和完善。

VRML2.0的DIS就是以VRML2.0为基础制定的，于1997年4月提交国际标准化组织ISO JYCI/SC24委员会审议，依照惯例命名为VRML97。

1998年12月在原VRML组织的基础上成立了Web3D联盟，致力于VRML NG标准的制定，并致力于制定X3D网络三维标准。在X3D的旗帜下，VRML将结合Java3D和XML等技术，成为Internet上三维虚拟世界的主要标准。

2.2 VRML与虚拟现实技术

虚拟现实的英文名称为Virtual Reality，简称VR，即利用计算机的高科技手段构造出一个虚拟的世界，使参与者获得与现实一样的感觉。虚拟现实是一个在当今国际上倍受瞩目的课题。

当计算机技术尚未出现的时期，仿真只能在实物上进行，这一阶段的仿真称为模拟仿真。其特点是：由于仿真是在实物上进行，因而实时性强且精度较高，但是实施的难度和费用都较大。在计算机技术问世且被引入仿真领域的初期，仿真技术步入了半模拟半数字的阶段。这时系统中的一些部分由计算机代替，另一部分则由实物充当，所以，在一定程度上仍然保留着实时性仿真的特点[5]。

80年代后期，仿真在诸多方面都发生了重大的转变，仿真研究的对象已由连续转向离散事件系统。仿真已由重视实验转向重视建模与结果分析。计算机已成为一种重要的仿真工具。计算机仿真是一门利用计算机模拟真实系统进行科学实验的技术。

由于从强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合，仿真系统的交互性大大加强。就应用领域方面而言，仿真已从研究制造对象的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。这些转变明显地说明，计算机仿真已经进入了一个崭新的发展阶段，它的重要性与特殊功能已越来越突出。虚拟现实促进了仿真技术的发展。虚拟现实是采用计算机仿真技术生成的一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，置身于该环境中的人们可以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用，达到彼此融为一体的程度。近年来随着信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使得建立人机一体化的、分布的、多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，仿真因此形成一些新的发展方向，如可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等[5]。

2.3 VRML原理

1.VRML对三维虚拟世界的描述

VRML规定了3D应用中大多数常见的功能。

(1)建模能力，VRML定义了类型丰富的几何、编组、定位等节点，建模能力较强。

基本几何形体：Box、Sphere、Cone、Cylinder

构造几何形体：IndexLineSet、IndexFaceSet、Extrusion、PiontSet、ElevationGrid

造型编组、造型定位、旋转及缩放：Group、Transform

特殊造型：Billbord、Backgroud、Text

基本几何形体节点只能作十分有限的几种造型，用点、线、面索引节点及拉伸节点就可以构造任意复杂的实体形状。特殊造型节点可用于场景中的文字、背景颜色等设置。造型编组可以用来描述装配关系，其中Transform节点可以确定装配位置、方向。

(2)真实感及渲染能力，通过提供丰富的相关节点的渲染，可以很精细地实现光照、着色、纹理贴图、三维立体声源。

光照：HeadLight、SpotLight、PointLight、DirectionLight

材质着色：Material、Appearance、Color、ColorInterpolator

纹理：ImageTexture、MoviceTexture、PixelTexture、TextureTransform

雾：Fog

明暗控制说明：Normal、NormalInterpolator

三维声音：Sound

场景光照的设置直接影响观察者的视觉效果，这几种光照节点可以提供各种虚拟场景的光源。不同材质的物体色彩及反光效果不同，VRML的材质及着色节点的使用可以仿造如同真实物体给出的视觉效果。文理节点可以对实体表面粘贴图片或进行像素点的设置以使实体具有同实物一样的表面花纹。雾、明暗控制都对场景的光线反射有影响。声音节点可以在场景中模拟出实际空间可能产生的各种声响，如音乐、碰撞声等[6]。

(3)观察及交互手段，传感器类型丰富，可以感知用户交互。视点可以控制对三维世界的观察方式。

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

控制视点：ViewPoint、NavigationInfo

各种传感器节点可以感知用户鼠标的指针，TouchSensor节点在数控车床操作按纽功能的仿真中十分有用。视点控制可以预先提供给用户一些更好的观察角度。

(4)动画，VRML提供了方便的动画控制方式。

关键帧时间传感器：TimeSensor

线性插值器及姿态调整：CoordinateInterpolator、OrientationInterpolator、ScalarInterpolator

这两组节点的配合使用可以产生场景中的动画效果，关键帧时间传感器节点驱动线性插值器节点按时间顺序给出关键值插值，这些插值就是关键震动画时控制实置、状态所需要的中间过渡值。

(5)细节等级管理及碰撞检测：LOD、Collision

细节等级管理是对复杂实体的细节显示加以控制，使该实体可在视点外或远离视点时不显示或粗略显示。VRML自身提供的碰撞检测是指观察者在虚拟场景中的替身与实体的碰撞。

(6)超链接及嵌入：Anchor、Inline

这两个节点使VRML可以由一个虚拟场景直接链接到另一个场景，或者将另一个场景中的实体嵌入自己的场景中。

2.VRML的执行模式

通过使用VRML的Script节点编程、与Java间事件访问和建立场景图内部消息通道能够很方便的实现虚拟实体的交互和动画功能。VRML场景图可以接受两种事件驱动：从路由语句传过来的入事件及由外部程序接口写入的直接事件。路由语句说明由场景传出的每一条消息的传递路径，也就是从一个节点的出事件域传出的事件传递到一个节点的入事件域。场景中传感器节点通常定义了触发事件，它通过路由发送到场景图的其他节点的入事件域。如传感器节点的触发事件直接传递到插补器节点产生关键值插值，也可以传递Script节点进行运算处理产生关键值插值。Script节点的处理过程就是JavaScript语法编写脚本程序。Script节点还可以通过URL域引入Java程序到其他需要的节点，比如传送给实体改变它的位置、形状。由外部程序接口写入的直接事件不需要路由图传递，但其他执行过程都是一样的。如果需要外部程序的响应，它应该能够有读取节点出事件域数据的接口[7]。

2.4 VRML的创作工具

创作VRML可以用你喜欢的文本编辑器，如Windows95下的NotePad，DOS下Edit等。当然，最后要奖文件保存为以 .wrl为后缀的文件。对于复杂的三维造型，如果VRML语句逐句写出，那么其工作量是非常大的，有时也是无法完成的，幸运的是有很多大型的具有三维造型功能的软件都开发了VRML文件的输入输出，人们可以利用这些造型工具直观快速的创建一个三维空间，然后输出为 .wrl后缀的文件。这样对于复杂的三维造型VRML环境中显示就不成问题了。

推荐读者使用的VRML创作工具是VrmlPad，它是一种功能强大且简单好用VRML开发设计专业软件，其完全VRML97标准。VrmlPad可以对VRML文件进行浏览编辑，对资源文件进行有效的管理，并且提供了VRML文件的向导，可以帮助开发人员编写和开发自己的VRML虚拟现实作品[8]。

第三章 系统的设计

3.1 虚拟现实技术在城市规划领域的应用

3.1.1 概况

随着全球知识经济的兴起，信息产业正以前所未有的速度蓬勃发展，上至政府、军队，下到各企事业单位都开始重视信息技术的创新研究和长远发展，并已经或准备给予大量的投入。而作为信息技术发展重要驱动力的“虚拟现实”技术，也随之成为人们关注的热点之一。

由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。VR技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的[9]。

3.1.2 虚拟城市的有机组成

仿真的虚拟环境

类似于时下流行的三维动画，同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。但是VR技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统；而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，严格意义上来说属于一种演示作品。

多方式、运动中感受城市空间

在虚拟现实系统中，可以全方位，多种样式（步行、驱车、飞行、UFO等），完全由用户自由控制在场景中漫游。VR技术与传统的三维动画最根本的区别就是：传统动画的观察路径都是预先设定好的，用户只能按照事先设定的路径浏览场景；而VR技术可以由用户在三维场景中任意漫游，人机交互，甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。

实时多方案比较

运用虚拟现实系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，……所看即所得，只要修改系统中的参数即可，而不需要象传统三维动画那样，每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过VR技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比，并且虚拟现实系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户做出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。

三维空间信息交流

虚拟现实系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口与GIS信息相结合，即所谓的VR-GIS，从而可以在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。此外，虚拟现实系统还可以与网络信息相结合，实现三维空间的远程操作。

公众参与与方案展示

对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，虚拟现实系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。

3.1.3 虚拟现实技术对城市规划的影响

1．城市规划管理

信息技术对城市规划管理的影响主要表现在办公自动化方面，目前的办公自动化方面，目前的办公自动化主要是提高城市规划管理部门内部的管理水平、质量和效率。随着社会的信息化，通过因特网可以建立城市规划管理部门与城市建设者之间的有效信息通信渠道，可以通过因特网实现网上报建，报建单位只要在本单位与因特网相连的计算机就可完成报建过程和提供所需的材料，规划审批可以在因特网上完成。

规划管理与规划设计更紧密的结合，实现管理与设计的一体化，审批的结果可以电子数据的形式迅速的反馈给设计部门，而设计部门可尽快地将设计结果以电子数据的形式提交给管理部门，这些信息的传输可以通过因特网来完成。

通过因特网可以进行规划评审，各地的专家可以在家里对规划成果进行评审，规划成果将利用虚拟现实技术展现专家所需的各种信息（如建筑物三维动态模型），通过网络会议交流意见，专家甚至可以实时与规划师交流，提出自己意见和设想，并可以较快地通过建立数字模型加以证实[10]。

2．城市规划设计

城市规划设计将更广泛应用CAD和GIS技术，而计算机图形输入技术的改进和智能化，五笔输入技术，使规划设计师进行设计更为方便，而不影响灵感产生。

设计过程中所需的数据将数字化，使其获取变得更加容易、更加方便，可以采用遥感图像直接作为背景进行设计，而各种地下管线的资料由于数据库的建立而更加方便的获得。现在比较难以得到的人口空间分布、交通流量等信息由于相应信息系统建立而能很方便地获得。

虚拟现实技术的发展与应用，使规划设计成果的三维动态建模更加方便，设计成果更加形象和直观。

在规划设计和规划审批中由于规划成果的数字化，使得对各种规划成果和方案的定量分析、模拟和预测成为可能，经济可行性分析也更为方便，促进规划决策的科学化。

通过因特网由分布在全球各地的规划设计专家共同合作完成设计也将成为可能，这样可以构建了一个不受规划师的空间分布制约的虚拟设计事务所。

3．公众参与

公众可以通过因特网动态了解规划设计方案和参与规划审批，而且规划方案与成果的表现形式由于采用虚拟现实技术和多媒体技术更为直观和形象，使公众能更好的理解规划师的意图，公众通过因特网发表个人的意见，与规划师、管理人员和其它有关人员进行直接对话，使公众参与更加有效，促进决策过程的民主化。

4．城市规划研究与教育

因特网构成了一个巨大的电子图书馆，各种城市规划研究成果将以电子出版物的形式出现，城市规划研究者将通过因特网查到各种城市规划资料，并可通过电子邮件、BBS（电子公告栏）及其它一些网络通信方式进行交流。

因特网同时也将成为一个庞大的远程教育网，城市规划专业的学生可以通过因特网利用多媒体技术学习城市规划的理论与知识。

在信息时代，电子游戏也将成为一个很好的教育手段，城市规划方面的游戏软件将出现，可以对规划设计与审批及城市建设过程进行模拟，使城市规划学习及城市规划的宣传与教育通过玩电子游戏的过程来完成。

总之，信息时代的到来，使人类构造了一个与现实世界相对应的虚拟的信息世界，人们将生活在由原子组成的现实空间和由比特（BIT）构成的信息空间(CyberSpace)中，现实空间与信息空间的物理界面（Interface）是由计算机及网络和数据库构成的信息基础设施，人们通过这一界面可跨越现实空间与一些时间的限制，了解现实世界的过去和现在，预测未来，进行思想交流。城市规划将在信息空间中构造城市发展的蓝图，并通过建设者在现实世界中实现。

3.2 物理建模技术

3.2.1 人工的几何建模方法

由构造VR的观点看，几何建模是构造VR的致命技术，它的限制可能妨碍VR的进展。VR研究将受益于共享的开放的建模环境，包括物理建模环境等。为了加深理解，需要回顾三维几何模型怎样获取。下面回顾几个VR工作所报告的模型获取过程。VR的几何建模一般通过基于PC或基于工作站的CAD工具获取。在北卡大学漫游建筑的项目中，AutoCAD用于产生构成一座教堂几何模型的12000个多边形。讨论的一个问题是"由为其它目的写的CAD程序中取出要求的数据"。由AutoCAD产生的文件取出三维几何并不困难，但问题是并非所有要求的数据都以VR要求的形式提供。特别是没有提供有关建筑物实际物理的数据，用于实时漫游算法的划分信息，以后由手工或专用程序加入。

VPL Reality Built for Two (RB2) 系统使用Macintosh Ⅱ，作为固体建模的设计站，用IRIS工作站作为绘制/显示站。RB2是用于设计和实现实时VR的软件开发平台。在RB2下开发是快速的交互的，具有可实时编辑的属性约束和交互。RB2的几何建模功能利用了软件模块RB2 Swivel和数据流/实时动画控制台Body Electric。RB2在组织上有大量跟随者，他们没有足够的资源开发自己的VR。RB2是交钥匙系统，它的几何物理文件格式是专有的。

在NPSNET项目中，初始的三维插图集由SIMNET数据库得到。这些模型知道的武器系统的三维外表比SIMNET少得多。结果，研究者开发了保存这些三维模型的开放格式，把物理模型增加到格式中，并改写了系统，包含了面向对象的动画能力。例如，NPSNET研究组正在利用MultiGen CAD工具开发无物理的模型，这用于SGI基于Performer的NPSNET-4系统。有物理的CAD系统已开始开发，但还很贵，只是专用的。许多VE应用要复制真实世界。不是用手建立模型，最好利用视觉或其它感觉自动获取模型。自动获取复杂环境模型(如工厂环境)当前还不现实，但这是合适的课题。同时，自动或接近自动获取几何模型，现在在某些情况是现实的。部分自动的交互式获取在不久将是可行的。现在已有利用激光扫描建立实际物体三维外形的设备出售。

3.2.2 自动的几何建模方法

三维扫描仪（3 Dimensional Scanner）又称为三维数字化仪（3 Dimensional Digitizer）。它是当前使用的对实际物体三维建模的重要工具。它能快速方便的将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了有效的手段。它与传统的平面扫描仪、摄像机、图形采集卡相比有很大不同。首先，其扫描对象不是平面图案，而是立体的实物。其次，通过扫描，可以获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，彩色扫描还可以获得每个采样点的色彩。某些扫描设备甚至可以获得物体内部的结构数据。而摄像机只能拍摄物体的某一个侧面，且会丢失大量的深度信息。第三，他输出的不是二维图像，而是包含物体表面每个采样点的三维空间坐标和色彩的数字模型文件。这可以直接用于CAD或三维动画。彩色扫描仪还可以输出物体表面色彩纹理贴图。

1．三维信息获取技术

早期用于三维测量的是坐标测量机（CMM）。目前，CMM仍是工厂的标准立体测量装备。它将一个探针装在三自由度（或更多自由度）的伺服装置上，驱动探针沿三个方向移动。当探针接触物体表面时，测量其在三个方向的移动，就可知道物体表面这一点的三维坐标。控制探针在物体表面移动和触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高。其缺点是价格昂贵，物体形状复杂时的控制复杂，速度慢，无色彩信息。

机械测量臂借用了坐标测量机的接触探针原理，把驱动伺服机构改为可精确定位的多关节随动式机械臂，由人牵引装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。利用机械臂关节上的角度传感器的测量值，可以计算探针的三维坐标。因为人的牵引使其速度比坐标测量机快，而且结构简单，成本低，灵活性好。但不如光学扫描仪快。也没有彩色信息。FARO和Immersion公司提供这类产品。

借助雷达原理，发展了用激光或超声波等媒介代替探针进行深度测量。这是激光或超声波测距器。测距器向被测物体表面发出信号，依据信号的反射时间或相位变化，可以推算物体表面的空间位置，称为"飞点法"或"图像雷达"。不少公司开发了用于大尺度测距的产品（如用于战场和工地）。小尺度测距的困难在于信号和时间的精确测量。Leica和Acuity推出了采用激光或红外线的测距器。Senix公司推出了超声波测距器。它受遮挡的影响较小。但要求测量精度高，扫描速度慢，而且受到物体表面反射特性的影响。

基于计算机视觉原理提出了多种三维信息获取原理。这包括单目视觉法，立体视觉法，从轮廓恢复形状法，从运动恢复形状法，结构光法，编码光法等。其中的结构光法，编码光法成为目前多数三维扫描设备的基础。这些方法可以分为被动式和主动式两大类。被动式法的代表是立体视觉法。主动式法的代表是结构光法，编码光法。光学扫描的装置比较复杂，价格偏高，存在不可视区，也受到物体表面反射特性的影响[11]。

用于获得物体内腔尺寸的方法之一是工业CT。它以高能X射线对零件内部进行分层扫描。它的缺点是精度不高，价格昂贵，且存在放射性危害。

美国CGI公司生产的自动断层扫描仪（Automatic Cross Section Scanner， ACSS）可以克服这些缺点。但要求对被测物体进行破坏。

2．三维扫描系统的关键技术

在硬件和控制技术方面，扫描运动的伺服装置要求精度高，运行平稳，可定位性好。用电子扫描代替机械扫描是当前的趋势。各类传感器要求精度高，分辨率高，噪声小。

三维信息获取技术方面，三维信息获取的原理应综合考虑精度，速度，易实现性，易使用性，成本，使用背景等。原理确定后，还要注意实施方案，采用巧妙的技术策略，提升产品的性能。还要研究计算模型和误差模型，了解误差的原因，误差的传递，误差的校正和消除。往往还要包括数据的预处理和后处理技术。

色彩信息获取方面，物体的色彩由三个因素确定: 照明类型，物体表面的反射特性，眼睛按三条不同的光谱灵敏度曲线感知光线的能力。彩色是一种心理感觉。它与光源辐射能量的分布及观看者的视觉感受有关。目前的三维扫描仪一般得到的不是物体表面的材质和对入射光的反射特性，而是在某种照明条件下所呈现的色彩。

三维构型，显示及修改技术方面，扫描仪获取的是物体表面离散采样点的坐标和色彩。这些采样点的集合称为"点云"（Point Cloud）。必须用点，多边形，曲线，曲面等形式描述立体模型，即将"点云"构成"形"。同样的点集进行不同的连接，可能得到不同的三维模型。复杂表面的散乱点的构形是很困难的。还要将得到的三维模型显示出来，并对缺陷进行人工修改。还必须支持多种数据格式，将结果按指定的格式输出[12]。

定标技术方面，确定有关的装置参数就是定标。它与计算模型和误差模型有关。定标精度和可靠程度直接影响测量精度。定标还可以校正装置的误差。对彩色扫描，还有色彩定标问题。

3.3 城市建模

本设计采用了人工几何建模方法建立城市模型的。这部分包括两部分，即总体建模和局部建模。

3.3.1 总体建模

总体建模初步构造了将要建立的城市模型的大体布局，包括主要的街道，建筑等，还有整体的天空地面的色彩。局部建模是在整体建模的基础之上对局部布景的详细设计，是个逐步细化的过程。

整体建模如下：用Background设置天空和地面的色彩。Background节点用于生成VRML的背景空间，背景采用了立方体空间的表现形式，在其外放置了一个地面球体，在地面球体之外是天空球体。立方体和球体在概念上都是无限大的，并包围着VRML世界，观察者可以看到立方体和球体的任意部分但永远不能接近它们。用Viewpoint节点定义了浏览者在虚拟环境中的游行方式。Viewpoint视点节点定义了处于局部坐标系中的一个指定位置，用户可以从该点来观察场景。在每一个新的观察点，浏览器获得的图象就像是使用一部虚拟的取景器在屏幕上播放一样。替身在虚拟空间中的移动，就使得取景器不断的调整起位置和朝向。在这里本人定义了aa视点，采用了飞行的非跳跃的漫游方式。为了是浏览者的感觉和现实世界一样，本人又在浏览者的头部安置了头灯，否则，展现在我们面前的将是一个个黑漆漆的模型。同时用WorldInfo定义了境界信息，在运行界面的标题栏可以看见该设计的名称，作者等等。WorldInfo节点用来声明一个空间的标题以及想提供的其他注解，它对VRML场景的创建并不产生影响。

运行效果如图3-1。

图3-1 背景图

上图只是一个非常非常粗略的框架，在此之上，用Transform节点创建了几栋楼房，有高有矮，和城市的比较接近，还有南北东西走向的街道。Transform节点是一个组节点。Transform节点包含一个子节点列表，这些子节点可以是Shape节点、Group节点或Transform节点。在Transform节点中的所有子节点将在Transform节点的坐标系原点处建立。该节点包括位置的确定、造型节点的旋转轴和方向、造型节点大小的缩放比例及缩放旋转轴，以及形体造型的构造等，它的功能比较强大，使用相对简单。Transform节点在放置场景中的对象并确定其方向时具有很大的灵活性。Transform节点也是一个形成VRML场景层次结构的基础节点。这里的楼房和街道就是用简单的形体造型节点Box构成的，只是在大小，位置，方向上做了相应的改变。为了是楼房看起来更逼真，又在上面嵌入了楼房的图片。

城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘，为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。这里也采用了城市规划的思想，哪里放置街道、哪里放置楼房等都需要缜密的考虑，要求布局合理，位置适当。

图3-2是设置后的运行效果。

图3-2 简单的楼房

很显然，城市里只有楼房和街道是不够的，一定要有树，那是反映一个称呼司绿化程度和建设特色的标志，而树则不是简单的立方体，但为了构造的简便，本人用圆柱体和球体来构造树，只要将球体在竖直方向上拉伸，在水平方向上压缩，然后将这个改造过的形体放在圆柱体上就形成了一棵树。当把树嵌入到城市模型中，景致就完全不一样了。这就是城市的整体构造。

在这里所用到的立方体Box、球体Sphere、圆柱体Cylinder都是简单形体造型节点，但是运用它们可以构造更复杂的对象，需要初学者灵活的掌握和运用它们。除了上面提到的简单造型节点之外还有圆锥体Cone。

图3-3是一棵树的造型。其实，它不仅仅是一棵树，更是一个希望，象征着人类对环境美好的憧憬和欣欣向荣景象的期待。

图3-3 树

图3-4 绿化的城市

图3-3-4是在嵌入了带有绿意的小树的城市的整体构造。虽然有点空旷，但是，地广人稀正是我们人类所向往的。现在世界人口的膨胀，土地资源的紧缺，已经上升到令人瞩目的日程。开拓一片沃土，合理利用土地资源是每一个建设者的最终目的和任务。而且我们也应该珍惜每一片土地。

3.3.2 局部建模

局部建模也称为细致建模，具体步骤如下。

一个城市只有楼房、街道和树是不够的，因此需要我们对粗略的城市进行细化。首先，先建立一个花坛，花坛也是有简单的造型构成的，包括立方体和球体，相互嵌套而成。花坛的颜色设置为浅绿色，错落有致。有树有花坛，当然也得有草了，所以，还要做一个草坪。为了不和花坛相冲突，草坪的颜色设置为深绿色，是一个大的扁平的立方体。街道上没有车也是不行的，但车的造型是比较复杂的，但是什么复杂的东西都可以简单化，本人用两个球体和两个圆柱体做成了一个小汽车。两个球体需要变形，而且上面的球体比下面的小。两个圆柱体作为车轮子，架在大的变形球体的下面，并在上面嵌入了车的图片，具体造型效果如图3-5。

图3-5 小车

草坪建好了，也要为其进行装饰，因此在上面放了凳子和一个供观赏的造型，凳子是由黄色的立方体做成的，供观赏的造型则是在浅灰色的圆锥体上架了一个球体，并在草坪的四角各放了一个半球。为了体现国民的保护环境意识，在草坪的边上有放置了一个圆柱形的垃圾箱。在此基础之上，为了体现虚拟现实世界的动感，草坪四角的半球及中间圆锥体上的球的颜色是自动变化的。颜色的不断变化是通过颜色插补器CorlorInterpolator和时间传感器TimeSensor来实现的。CorlorInterpolator节点是VRML提供的附加的插补器节点，利用它可以构造色彩的变化效果。CorlorInterpolator节点在它的key和keyValue域中使用一系列关键时刻值和色彩值。CorlorInterpolator节点通过在两个色彩值中内插，来计算一个中间的色彩值，此值被它value_changed域输出。TimeSensor节点可以像时钟一样标记时间的流逝，还附加有定时发送相关时刻信息的功能。同时它可以是一个定时开关，开始及结束一些过程。通常与插补器、传感器联合使用。TimeSensor节点能够作为任何组的子节点。

效果如图3-6和图3-7。从两副图中可以明显看出，除了图中的球体的颜色是不同的之外，其他的都是一样的。

图3-6 奇异的草地甲

图3-7 奇异的草地乙

虚拟现实，也就是模拟现实，使得呈现的景象和现实世界的一样逼真。在这了，本人将要设计的城市的四个游乐场所中的一个做了一点变化。那就是将里面的球体改成了立方体，这不是主要的，值得一提的是当替身与游乐场的距离在一定范围内时，中间的立方体会自动的旋转一定的角度。这种变化是如何实现的呢？其实很简单，这里使用了临近传感器ProximitySensor。临近传感器感知观察者进入并在一个空间的长方体区域中移动的时间。当观察者接近区域时，能使用这些传感器启动一个动画，当观察者离开时停止这个动画。ProximitySensor节点能够作为任何组的子节点。并且它可以感知观察者何时进入、退出和移动鱼当前坐标系内一个长方体区域。可以检测到观察点接近的信号，利用它可控制其他操作。

一个城市只有高楼没有平房也是不切实际的，本人又在城郊建立了几个平房区。每个平房也是由简单的几何造型节点Box构成的。而且，每个平房的门是可以用鼠标拉动一个角度的。房门转动是通过圆柱传感器CylinderSensor的实现的。CylinderSensor节点可以感知一个观察者的拖动动作，并且计算旋转轴和角度，且通过它的rotaion_changed域输出。将鼠标的动作转换成适于操作造型的输出。CylinderSensor节点可以是任何组节点的子节点，它可以感知观察者在组及子节点的任何造型上的动作。通过将传感器节点的输出路由到Transform节点来引起造型物体的旋转。平房区建完了，又在天边添加了几座山。山群是几个圆锥体组成的，只是远近和大小不同，颜色也做了调整，并在上面嵌入了山的图片。具体结果如图3-8。

图3-8 山与平房

一个城市没有人是不可能的，只是多少的问题。人的造型本人是用球体和立方体组成的，胳膊，腿，身体已经脖子是几个立方体，头部是一个球体，效果如图3-9。

图3-9 人

除了以上的各个造型外，在模型中还有一些电线杆，只是起到辅助的作用，也是为了使设计更加完美。

设计的最终结果如图3-10。

图3-10 美丽的城市

以上就是虚拟现实技术的应用，是基于VRML技术的，在整个设计和建模过程中，要求设计者有很好的逻辑构想思维方式，时刻以城市规划为理念，要从全局考虑，掌握逐步细化的能力。在这里要求大家要熟练掌握虚拟现实技术和VRML技术，理解城市规划的要领，能够灵活的运用VRML语言，达到举一反三的程度。

四章 系统的编码实现

本设计是以虚拟现实技术为基础，应用VRML语言实现的城市环境的模拟，下面是通过编码而得到的一个城市模拟视图图4-1。

图4-1 城市运行图

在这里的核心技术是VRML语言。在第二章已经对VRML语言做了简要的介绍，这里就不再赘述。

编码实现的过程实际上是如何应用VRML语言的建模过程，编码设计的核心也是VRML语言。在这里，对编码的实现过程作一下简要的介绍。在城市的模拟过程中，许多造型都是用简单的造型节点构造的，用到的简单造型节点有立方体Box，圆锥体Cone，球体Sphere和圆柱体Cylinder，尽管它们比较简单，但是它们是基础造型，不可缺少。下面，本人就从程序中取出一部分来阐述整个编码实现过程。

Background节点是用来设置天空和地面的色彩的，skyColor中包含一系列三元颜色值，用来设置变化的颜色。skyAngle中包含一系列角度值，用来设置颜色变化的角度。GroundColor和groundAngle的功能和作用同skyGround和skyAngle大同小异。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节点是用来设置平行光的照射方向的，其中的direction指定了一个三元值来设置方向，下面的例子中所设定的方向为光线沿着Y轴负方向照射。相当于光线是从顶部照射下来的。

DirectionalLight {

direction 0 -1 0

}

NavigationInfo节点是用来定义导航信息的，type域可以定义为飞行FLY，行走WALK等方式，speed域设置观察着在场景中畅游的速度，单位为米每秒。Headlight域指明是否浏览器要将观察者的头灯打开。头灯是一束指向用户正在观看方向的有向光。AvatarSize域指定一些距离参数，这些参数决定了在考虑碰撞检测和视点随地形起伏的用户可移动范围。该域的第一个只是碰撞被探测出以前用户的位置与一个碰撞几何体间允许的距离；第二个只是视点与地面间应保持的高度；第三个只是视点可以跨过得最高障碍物的高度。公共域avatarSize值描述了观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节点是一个组节点，该节点包括一个子节点的列表。这些子节点可以是Shape节点、其他Group节点或Transform节点。Translation用来指定造型的位置，children域是指定受该节点的变换影响的子节点。这个节点是整个程序设计中的基础节点，几乎每一个模型的建立都用到了Transform，因此，对Transform的灵活运用尤为重要。下面的例子使用Transform节点设置地面。

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节点是视点定义节点，定义了处于局部坐标系中的一个指定位置，用户可以从该点来观察场景。Position用来设置视点的位置，它是一个三元值，jump域决定了视点的类型，即跳跃型的和飞跳跃型的。Orientation域是一个四元值，前三个值指定了视点的旋转轴，第四个值说明了旋转角度的正负。Description域的值指定了一个用于描述视点的文本串。下面是一个关于视点aa的例子。

DEF aa Viewpoint {

position

25 5 70

jump FALSE

orientation 0 1 0 0.4

description "aa"

}

在VRML编程中，Group节点也是一个很重要的节点。Group节点提供了最简单的节点编组，可以包含任意数目的子节点，与一个没有转换域的Transform节点相当。该节点与Transform节点一样，也有一个children域。它用来收集节点和创建不需要实施变幻的层次结构。似乎有了Transform节点，Group节点并没有什么用处。但有时在对一个整体进行操作时，以Transform节点组织的整体相比Group节点组织的整体并不能显示出优势。如果在使用传感器或插补器节点时，祖作为一个整体，可以使用DEF来给它定义一个名称，并且在VRML文件中使用USE重复的引用。

一个组可以具有任意数目的成员，成为子节点。既可以是造型以可以是其他包含造型和组的足。包含子节点的组节点被称为父节点。因为组节点可以其他的组，一个组的父节点可能是一个更高一级组的子节点。高级组的父节点可以是一个更高级组的子节点。从此上溯直到最高级父节点，称为根节点。造型可以组织在一起来创建更大、更复杂的造型。由于Group节点和Transform节点很相似，在这里就不再举例子了。

以上介绍的几个节点是VRML语言的核心节点，整个程序的设计都是通过这些节点的不同设置和组合来实现的。除此之外，还有两个重要的工具，这就是节点名定义DEF及引用USE，这是VRML世界提供给我们的两个避免重复劳动的工具，节点命名是以关键字DEF加上所命名名称在一起，置于节点类型定义之前开完成的。这两个说明符可以放在任何允许节点的地方。USE语句并不是复制该节点，而是把该节点再次插入它所在的场景图。节点名只在本文范围内有效。

总之，系统的编码实现就是利用VRML中的基本造型节点对已经涉及好的模型进行的模拟实现过程。在这个过程中，需要设计者能够熟练的掌握和运用VRML语言，懂得融会变通，才能使预想创建的模型得以实现。

当然，VRML中还有很多更深一层次的部分，那需要有兴趣的读者继续学习和探索，笔者在这里就不再过多描述了。

第五章 系统的测试与分析

5.1 系统的测试

随着程序的逐步完成，系统的测试也开始了。系统的测试采用的单元测试法，即逐步测试的过程。将程序分成若干个程序模块，单独进行测试，观察结果，与预期结果进行对比。当发现问题是逐步解决。然后，再将小的模块渐进式的整合成几个较大的模块，重复上面的工作，最终形成整体的模块，构成城市的整体建模。

5.2 测试中遇到的问题

在测试中遇到问题是在所难免的，本人也遇到了一些问题。

问题一：在程序的编码过程中，无论定义的立方体的颜色是哪一种，颜色的显示总是在顶部，其余部分为暗黑色。

问题二：在程序的编码过程中，当对一个简单的形体造型节点进行纹理贴图时，运行提示，找不到贴图文件。也就是说，纹理贴图不成功。

问题三：在运行界面的标题栏添加境界信息时，为何只显示其中的一部分，其余的没有显示。

问题四：程序中的许多节点的位置是一层一层嵌套的，因此就涉及到了如何才能进行正确的定位，本人总是在这个方面大费周章。希望可以找到一个好的方法来解决这个问题。

问题五：程序中的许多ROUTE与语句的使用总是和预想的存在差距。

当然还有很多更有难度的问题，由于本人能力有限，没有进行深入的探究，希望有兴趣的人继续努力。

5.3 问题的解决方法

对于第一个问题，通过察看资料以及对其他程序的研究，本人认为，应该是光线的照射方向问题，只要将浏览者的头灯打开应该就行了，经验证结论成立。

对于第二个问题，本人经过细心研究，反复实验，终于找到了答案。由于不同的VRML浏览器对图片的识别也是不同的，有些浏览器只是别.jpg形式的图片文件，有些浏览器只是别.gif形式的图片文件，而有些是兼容的。因此，只要正确选择浏览器及其相应的图片格式，就可以实现贴图纹理了。也许还有其他原因，由于本人能力有限，只发现了这些。

对于第三个问题，经过本人的细心研究发现，有些VRML浏览器提供特殊菜单选项来显示虚拟空间的标题和注解，一些浏览器也把虚拟空间的标题定位于浏览器窗口的标题栏。可以在空间使用任意多的WorldInfo节点。但只有第一个WorldInfo会被浏览器显示。因此，在使用WorldInfo节点时只要针对不同的浏览器采用相应的准则就不会出错或不合心意了。

对于第四个问题，在VRML世界中，内层节点的定位可以说是独立于外层节点的。一旦外层节点定义好了，就可以只考虑内层节点了。当然，怎样才能找到正确的位置不是一件容易的事，它需要有好的空间立体思维能力和条理清晰的层次构想，也许需要多多练习，熟能生巧。

对于第五个问题，ROUTE的使用是一门技术，需要初学者多看一些相关的书籍和例子，掌握其中的要领和规律，还要多多练习。俗话说的好好记性不如烂笔头，它需要大家多多的练习。

以上这些只是笔者个人的一点见解，由于知识有限，能力有限，可能看法有些浅薄，希望有兴趣和爱好的读者给与建议和指正。

结论

“虚拟现实技术的应用---基于VRML技术的城市之旅”的设计与实现，充分体现了虚拟现实技术在城市规划建设中的作用，它能够减轻设计人员劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。而VRML在实现城市规划中更是起到了不可或缺的作用，它是一种编程工具，利用它可以实现任意模型的虚拟，虚拟现实技术的优势也才得以实现，使得城市的设计布局合理、美观，支出价有所值。

在该设计的过程中，本人充分体会到要想熟练地掌握运用VRML和虚拟现实技术，就必需扎实的学习VRML语言和虚拟现实技术的基础知识。随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术在各个领域都显示了其特殊的作用。时代的发展也使得我们掌握虚拟现实技术成为一种时尚的潮流。

设计的过程就是一个发现问题---解决问题---发现问题---解决问题的循环反复过程，但是它让学习的人逐步进步，就好像滚雪球一样，一点一点，越滚越大。通过“虚拟现实技术的应用-----基于VRML技术的城市之旅”的设计与实现，本人在VRML语言的运用以及对虚拟现实技术的发展方面有了很深的了解，受益匪浅。当然遇到很多尚未解决的问题，希望感兴趣的读者能够继续研究。

参考文献

[1] 张旆，杜可亮，刘见灼．WWW上的虚拟现实技术--VRML语言[M].西安：电子工业出版社，1998：20-25

[2] 陈运迪.网络世界[M].天津：航天工业总公司第8357研究所，1999：50

[3] 胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005：107

[4] 黄文丽，卢碧红，杨志刚.VRML语言入门与应用[M].北京：中国铁道出版社，2003：311

[5] 严子翔.VRML虚拟现实网页语言[M].北京：清华大学出版社，2001：59

[6] 吴北新.虚拟现实建模语言VRML[M].北京：教育出版社，2004：101-102

[7] 陆昌辉.VRML入门与提高[M].北京：北京大学出版社，2003：201-202

[8] (美)ChrisMarrin，(美)BruceCampbell.21天学通VRML 2 [M].北京：人民邮电出版社西蒙，1998：305

[9] 方志刚.三维空间控制器及其在三维空间交互技术中的应用[N].计算机辅助设计与图形学学报，1998，10(2)

[10] 方涛.城市建设与规划[N].规划信息报，2003，6(3)

[11] Paul E Debevec.Modeling and Rendering Architecture from Photographs：A hybrid geometry- and image-based approach[M].美国：SIGGRAPH，1996：11-20