导读：哪些是在过去十年中对城市景观产生影响的VR-AR应用程序，以及未来几年可能出现的应用程序？
本文的目的是来解答这个（大）问题。我们通过关注三个主要方面来解答：
出行，更具体地说，城市中便利的交通；房屋，更广泛地说，建筑学；城市，更广泛地说，城市化。作者：布鲁诺·阿纳迪（Bruno Arnaldi）、帕斯卡·吉顿（Pascal Guitton）、纪尧姆·莫罗（Guillaume Moreau）
译者：侯文军 蒋之阳 等
来源：华章科技
如今，无处不在的户外导航工具关联着日益精确的世界地图。我们还可以看到，精确的城市制图不再仅仅是城市管理的技术服务。在过去十年中，这一领域的重大发展是那些行业领先的大企业（例如Google、Apple、Microsoft、Tom Tom、Mappy、Here）的工作成果（见图1.25、图1.26和图1.27）。
▲图1.25 谷歌地图：2D视图（© Google Maps）
▲图1.26 谷歌地图：3D视图（© Google Maps）
▲图1.27 谷歌地图：街景（© Google Maps）
2D和3D可视化技术越来越多地应用到通用的应用程序（例如谷歌地图）中，其可以通过标记出用户之前可能不知道的路线来引导用户到达位置。这些应用程序也会向我们提供其他信息，例如，指出沿途或目的地附近的兴趣点（例如美食、文娱、商场）的地理位置。
虽然这些推荐并不总是让用户感兴趣，但它们仍经常出现，因为广告可以为这些应用的开发提供部分资金。
由于过于抽象的地图难以阅读（2D视图对许多人来说有困难），AR很快成为了促进移动性问题的解决方案。它能将路径可视化叠加到其用户真实观察环境的图像上，方便用户在智能手机或平板电脑上查看（见图1.28）。
▲图1.28 Here公司的AR应用导航（© Here）
此外，AR的存在或许打破了良好导航辅助系统的主要限制。当用户面对过多困难的认知任务时，他们会分散对环境中可能存在的风险的注意力，而AR导航使得用户（行人、骑行者或驾车者）易于阅读地图和识别位置，而并不会因此卷入危险中。
因此，移动终端上的地图在过去10年中得到迅速发展。日益逼真的3D信息可视化、用户定位的GPS功能和基于他们出行方向的定向地图是迅速发展的关键因素。
当我们期待无人驾驶汽车的出现时，可以选择在车辆中使用这些移动终端：将这些图像叠加在挡风玻璃上，使我们的眼睛始终盯着路面。实际上，如果我们遇到意外需要做出反应时，不专注道路而专注于导航设备会分散注意力并因此增加反应时间。
所以我们谈论“平视显示器”（HUD），它长期以来一直用于航空（武装航空和现在的民用航空）中可视化驾驶舱内的信息。这些系统是多年前由汽车制造商和户外用品商开发的，它们目前仅限用在少数车辆（通常是高端车辆）的唯一原因在于所采用的营销策略。很明显，这些设备将在未来几年变得更加普及。
然而，在广泛使用这些AR应用之前，还有一个问题需要解决：驾驶时的预期。实际上，在用于汽车的GPS工具中，沿路的变化（例如，在交叉路口转弯）被预先告知并被可视化，这使得驾驶员可以通过将他们当前的视角替换为他们将在前方几十米处的视野来为变化做好准备。
在AR应用程序中，可视化以用户当前位置为中心，目前无法在当前视角上预测这种变化。对于行人而言，这种情况不成问题，因为他们以低速行驶，能够实时做出反应，这与汽车用户不同，以更高的速度行驶并且提前预期是非常必要的。
另一个将注意力集中在用户位置的例子：在AR中查看附近的商店（见图1.29）更有效？还是在地图上查看能更正确地衡量相对空间的分布？
▲图1.29 AR视图显示兴趣点（© Nokia Live）
可以使用现有的3D数据库来解决这个问题，以便在以用户为中心的视觉显示和更一般的视角（俯瞰？）之间进行切换，这有助于预测和查看附近的信息。
另一个挑战是遮挡物的处理，由于图像的独特2D特征，其中没有任何深层的信息，因此有时很难确定某些元素是否位于建筑物的前面或后面。在城市环境中，建筑物密度高，这种准确感知环境的难题阻碍了AR应用的更大发展。随着深度捕获工具的普及，出现了一个问题，即采用哪种方法能以最佳的方式对用户可视化这些信息。
02 房屋与建筑学在可持续城市系统方面，我们对能够研究、展示和共建城市的设备更感兴趣。由于城市由房屋和其他建筑物组成，城市与建筑学之间存在明显的联系。
在过去的十年中，建筑中使用的合成图像已经有了很大的发展（见图1.30和图1.31），最显著的是由于可视化算法的进步以及专业和通用的建模软件发展得很好。这只是日常生活中的插曲，但却在过去五年中取得了最大的进步。考虑到人物和装饰元素的数量，建筑物的形象会在其周围的生活中逐渐消失。
▲图1.30 以前的合成图像（© Archivideo）
▲图1.31 现代合成图像（© Kreaction）
AR用于建筑在今天仍然像轶事一样，并且通常仅用于将建筑物的3D图覆盖到平面图上。除了最初的激动之外，我们想知道这种表达对提供内部导航的建筑物的3D模型的“经典”可视化究竟有什么真正的好处。
此外，AR在户外的使用带来了与使用移动导航工具相同的问题，但更为尖锐的是，它还涉及地理定位和隐藏物的处理（见图1.32和图1.33）。
▲图1.32 户外虚拟现实（© Rennes Métropole）
▲图1.33 平面图增强现实（© Artikel）
另一方面，VR提供了一系列工具，几乎都是首次出现。许多建筑师梦想在未来的建筑中“走动”，实际上可能只停留于蓝图阶段。那些已经对多感官感知（视觉、听觉、触觉）敏感的建筑领域的专业人士是VR的理想受众。
然而，必须指出的是，尽管经常提到类似的应用程序，但它们通常只是轶事。除了可以通过降低VR设备（耳机和大屏幕沉浸式系统）的巨大成本消除经济障碍外，主要障碍是文化！事实上，许多建筑师认为客户很难理解还不完全确定的对象。
因此，他们将VR仅用于项目的最终展示，关注的重点是高度真实。这限制了VR作为通信工具为大型项目服务。与此同时，一些建筑师或“高端”发起人不愿意使用它，因为耳机切断了与客户的视觉联系，这在销售宣传中是必不可少的，对此的一个解决方案是将架构师以化身的形式引入到VR应用中。
由于在建筑设计的不同阶段更多地需要协同工作，以及模型要求越来越精细且易于更新，使用VR的情况正在逐渐演变。这些创新统称为BIM（建筑信息模型），是在建筑中使用VR的关键要素。更具体地说，BIM由Eastman等人提出，它作为设施的设计，施工和管理的新方法，其中施工过程的数字化用来促进信息的交换和互操作性。
令人感兴趣的是分析3D和潜在VR在室内设计供应商（例如浴室，厨房）中的使用（见图1.34）。
▲图1.34 Ixina厨房（© Ixina-Dassault Systèmes）
从2D图表到交互式3D表示，这个领域已经迅速发展。其原因很简单：当投资该设备的所有成员都有此想法时，销售额会大增。这直接揭示了使用2D设计的局限性。沉浸式可视化可以增加客户的消费冲动。因此，这个领域是VR的忠实用户并不奇怪，这尤其要归功于最近出现的新型低成本设备。
03 城市和都市生活与普遍的观念相反，即使是由某些专业人士创作的，或由城市化所采用的技术方法与建筑学中使用的方法是不一样的。虽然城市是由建筑物组成的，但是它们的数字模型（以及用于构建它们的建模方法）是非常不同的。
如今，对于在标准计算机上使用这些软件的人来说，创建一个真实的建筑模型并获得交互式可视化模型是很容易的。因此，他们就会设想用建立交互模型的方式来规划城市：建造一个小型建筑群，然后是一个社区，最后是一个城市。
但是很不幸，这种想法是错误的：
首先，有一个复杂的问题：对于一个由数十栋、数百栋甚至数千栋建筑组成的城市环境来说，它们之间的差异不能简单地考虑为许多小型建筑群的叠加；其次，数据量的增加并不是线性的—存在限制使用某些软件解决建模问题的阈值（特别是与计算机上可用和有效可用内存容量相关的阈值）；最后，也是最重要的一点，一个城市不仅仅是由建筑组成的，它还有形形色色的具有复杂性质的物体，甚至可能是看不见的（例如道路、路标、可能的地下交通网络、通信线路等）。此外，研究城市的尺度不同，结果也会千差万别：从宏观的角度分析道路交通问题或研究城市策略（城市规划）到以单个建筑为中心的观点，类似于建筑（城市设计）中使用的观点。
所有这些因素都解释了为什么完整的建模（参见图1.35）还没有普及，以及为什么我们常常限制自己只考虑特定项目周围的环境。
▲图1.35 沉浸式空间图像（© IRISA）
尽管数字城市数据有时具有第三维度（高度），但用于建模和可视化城市的老式软件是使用平面方法（2D）构建的，这将它们的使用限制在更适合称为2.5D的方法上。这不仅是由于技术上的简化（例如地面显示的优化、平面投影的使用），而且是由于建立2D地图的历史。
尽管这种技术已经存在了很长一段时间，但如通用GéoPortail，谷歌地图和谷歌地球等应用程序的存在正射投影在近几年才真正流行起来。这些应用是基于航拍照片的显示，这些照片的几何形状已被修改，因此可以与铺设该区域表面的地理参考物相关联。
对于城市的3D表现，这种可视化（称为“斜航影像”）是目前使用最广泛的，因为它允许用户轻松地感知环境或项目中的程序（见图1.36）。这种感知利用了一种大部分基于想象的解码过程：就算我们从未坐过飞机，也都在（电影或电视上）看到过类似的视觉序列。
▲图1.36 数据库接收到的空中数据（© Rennes Métropole）
如果想拥有一个真正沉浸式的城市环境视图，我们必须采用不同的建模方法。实际上，所有的用户都有过行人的体验，垂直元素（建筑、人行道、路标、植被）在感知和定位自身的过程中发挥着相当重要的作用。
以这种方式重建一个城市，获得身临其境的视觉体验（见图1.37）还远远不是简简单单完全自动进行的。实际上，这些虚拟城市构建者花费了大量时间来确保元素之间的一致性，而这些无法仅使用现有的通常取自地理信息系统（GIS）、主要由地方政府使用（例如土地注册、网络）的数据来自动处理。
▲图1.37 虚拟的巴黎一角（© Archivideo）
获得平坦的道路、整合桥梁，或者更糟的是，调整错误的模型，如树木与路线平行生长或生长在建筑物上的明显谬误（由正射投影或由手持扫描器拍摄的图像所产生）：所有这些以及更多的因素造成了过多的障碍，以致如果没有最终的人为调整，这些问题就无法全部得到处理。
但调整是相当困难的，一点也不容易。这种处理的结果是，为视觉沉浸体验而建造的城市模型需要大量投资，但回报难以估算。
后一个发现似乎与谷歌或苹果公司使用大量相关算法生成的城市数据库中最近的演化不一致有关（见图1.38）。
▲图1.38 谷歌地图（© Google Maps）
我们要时刻记得，这些应用程序产生视觉效果与现实相差无几，使用正射影术为主而不是3D数据库来建模。如果用户退出鸟瞰图并希望“下来”，很快就会出现视觉畸变。因此，这些应用程序禁止视觉轨迹“过低”。
为了消除这些对导航的限制，谷歌街景使用了另一个数据库，里面的照片不是从空中拍摄的，而是在特定的摄影任务中（使用装有摄影机及GPS系统的车辆）从地面拍摄的，目的是全方位覆盖一个城市的所有街道。这个应用程序提供了从一个特定的点360°观察周围所有建筑的视角，所拍摄到的景色与一般行人的视线处于同一水平线。
但是，我们必须指出这些视图并不真正符合VR的条件，事实上，它们是基于精确点拍摄的照片，因此无法响应用户自由移动的愿望（例如，进入花园）。因此，它们不能被重新定向或扩展以满足用户自由移动的愿望。
这种差异可以很简单地解释为VR是基于从任意角度和任意方向实时计算合成图像，合成出的3D模型给了用户完全的自由，而不是基于照片的应用程序。
最后，让我们明确一点：这种区别不是一种价值判断，每种方法都有自己的优点和缺点。根据所期望的目标和现有的手段，它们往往是相辅相成的。
04 迈向可持续城市系统让我们回到本节开始时提出的问题的核心。除了纯粹的技术考虑和必须消除的障碍之外，在未来十年，在所谓的可持续城市下，我们希望为VR-AR开发哪些功能?我们可以说明三种不同的用途：
第一个用途与项目使用的通信方式直接相关。尽管这种观点并不过时，但现在人们普遍认为，3D可视化比地图更有效，尤其是在演示中更加有用。
如今，城市专家往往希望将他们的项目传达给几乎没有或根本没有技术专长的人，比如民选官员或公民。这里的难点是清楚地说明项目，并避免在解释信息时出现错误。然后可以从用户的角度引入VR-AR。鉴于其局限性，展示表达可以很容易地从用户的角度（他们所感知的）转移到项目细节（项目如何工作）。
第二个用途是在社区内开放技术服务。这样做是为了避免“竖井”工作的影响，即每个专家处理自己的问题，而不涉及其他项目的附带影响。
建设更具一般性，内涵丰富的城市模型的协同工作正在开展，目的是提高城市的设计、实现和维护效率。通过在项目评审过程中使用VR沉浸式共享视图，技术知识的汇集将变得更加容易（正如我们已经在其他领域看到的那样，例如制造业和科学）。至于AR技术，它很可能在公共空间的维护方面有相当大的发展。
第三种用途与第一种用途有关，其原因是一些市政当局希望通过给予他们参与项目定义和开发的选择权，与其公民共同建设城市。他们的问题是：“在整修、布局和交通方面，你希望看到什么样的城市？”。
成功地采用这一程序需要解决某些问题：那些在“上游”阶段的是如何呈现问题以及可能的场景。在“下游”阶段，他们是如何列出和总结市民的建议。很明显，VR提供了部分答案，因为它允许异类群体在同一时间、同一地点可视化城市环境。
然后，它允许对所讨论的对象进行可视化模拟（例如，添加一个新建筑，修改一条运输线），以便促进对该问题的集体讨论。
我们希望，随着低成本VR技术的到来，以及允许处理城市数据的广泛应用，城市和市民之间将迎来一个对话的新时代。RennesCraft（见图1.39和图1.40）等实验的例子或Niel在波尔多的生态友好社区布局，都可以被视为这一过程的象征。
▲图1.39 RennesCraft（© Rennes Métropole-Hit Combo）
延伸阅读《虚拟现实与增强现实》
关于作者：布鲁诺·阿纳迪（Bruno Arnaldi），法国雷恩第一大学计算机科学系教授；帕斯卡·吉顿（Pascal Guitton），法国波尔多大学计算机科学系教授；纪尧姆·莫罗（Guillaume Moreau），法国南特中央理工学院计算机科学系教授。
三位作者均为VR与AR领域的资深研究者，1994年起任职于法国国家科学研究中心(CNRS)的GT-VR工作组，2005年联合创立了法国虚拟现实协会(AFRV)，并分别担任该协会的主席、副主席和行政委员会委员，有力推动了教育界、产业界以及解决方案供应商的高效合作。
本文摘编自《虚拟现实与增强现实：神话与现实》，经出版方授权发布。
延伸阅读《虚拟现实与增强现实》
推荐语：本书汇集了30余位学术界和企业界的专家，聚集于近10年来VR-AR领域的重要应用和发展趋势，并对未来10年的发展前景做了合理推断，但并不展开讨论技术细节。适合该领域的投资者、决策者、创业者和技术开发者以及广大新兴技术的爱好者阅读。
