導讀：哪些是在過去十年中對城市景觀產生影響的VR-AR應用程序，以及未來幾年可能出現的應用程序？
本文的目的是來解答這個（大）問題。我們通過關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，建築學；
- 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）、紀堯姆·莫羅（Guillaume Moreau）
如今，無處不在的戶外導航工具關聯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服務。在過去十年中，這一領域的重大發展是那些行業領先的大企業（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可視化技術越來越多地應用到通用的應用程序（例如谷歌地圖）中，其可以通過標記出用戶之前可能不知道的路線來引導用戶到達位置。這些應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（例如美食、文娛、商場）的地理位置。
雖然這些推薦並不總是讓用戶感興趣，但它們仍經常出現，因為廣告可以為這些應用的開發提供部分資金。
由於過於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觀察環境的圖像上，方便用戶在智能手機或平板電腦上查看（見圖1.28）。
▲圖1.28 Here公司的AR應用導航（© Here）
此外，AR的存在或許打破了良好導航輔助系統的主要限制。當用戶面對過多困難的認知任務時，他們會分散對環境中可能存在的風險的注意力，
而AR導航使得用戶（行人、騎行者或駕車者）易於閱讀地圖和識別位置，而並不會因此捲入危險中。因此，移動終端上的地圖在過去10年中得到迅速發展。日益逼真的3D信息可視化、用戶定位的GPS功能和基於他們出行方向的定向地圖是迅速發展的關鍵因素。
當我們期待無人駕駛汽車的出現時，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玻璃上，使我們的眼睛始終盯著路面。實際上，如果我們遇到意外需要做出反應時，不專注道路而專注於導航設備會分散注意力並因此增加反應時間。
所以我們談論“平視顯示器”（HUD），它長期以來一直用於航空（武裝航空和現在的民用航空）中可視化駕駛艙內的信息。這些系統是多年前由汽車製造商和戶外用品商開發的，它們目前僅限用在少數車輛（通常是高端車輛）的唯一原因在於所採用的營銷策略。很明顯，這些設備將在未來幾年變得更加普及。
然而，在廣泛使用這些AR應用之前，還有一個問題需要解決：駕駛時的預期。實際上，在用於汽車的GPS工具中，沿路的變化（例如，在交叉路口轉彎）被預先告知並被可視化，這使得駕駛員可以通過將他們當前的視角替換為他們將在前方几十米處的視野來為變化做好準備。
在AR應用程序中，可視化以用戶當前位置為中心，目前無法在當前視角上預測這種變化。對於行人而言，這種情況不成問題，因為他們以低速行駛，能夠實時做出反應，這與汽車用戶不同，以更高的速度行駛並且提前預期是非常必要的。
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佈？
▲圖1.29 AR視圖顯示興趣點（© Nokia Live）
可以使用現有的3D數據庫來解決這個問題，以便在以用戶為中心的視覺顯示和更一般的視角（俯瞰？）之間進行切換，這有助於預測和查看附近的信息。
另一個挑戰是遮擋物的處理，由於圖像的獨特2D特徵，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於建築物的前面或後面。在城市環境中，建築物密度高，這種準確感知環境的難題阻礙了AR應用的更大發展。隨著深度捕獲工具的普及，出現了一個問題，即採用哪種方法能以最佳的方式對用戶可視化這些信息。
02 房屋與建築學
在可持續城市系統方面，我們對能夠研究、展示和共建城市的設備更感興趣。由於城市由房屋和其他建築物組成，城市與建築學之間存在明顯的聯繫。
在過去的十年中，建築中使用的合成圖像已經有了很大的發展（見圖1.30和圖1.31），最顯著的是由於可視化算法的進步以及專業和通用的建模軟件發展得很好。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步。考慮到人物和裝飾元素的數量，建築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 現代合成圖像（© Kreaction）
AR用於建築在今天仍然像軼事一樣，並且通常僅用於將建築物的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對提供內部導航的建築物的3D模型的“經典”可視化究竟有什麼真正的好處。
此外，AR在戶外的使用帶來了與使用移動導航工具相同的問題，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 戶外虛擬現實（© Rennes Métropole）
▲圖1.33 平面圖增強現實（© Artikel）
另一方面，VR提供了一系列工具，幾乎都是首次出現。許多建築師夢想在未來的建築中“走動”，實際上可能只停留於藍圖階段。那些已經對多感官感知（視覺、聽覺、觸覺）敏感的建築領域的專業人士是VR的理想受眾。
然而，必須指出的是，儘管經常提到類似的應用程序，但它們通常只是軼事。除了可以通過降低VR設備（耳機和大屏幕沉浸式系統）的巨大成本消除經濟障礙外，主要障礙是文化！事實上，許多建築師認為客戶很難理解還不完全確定的對象。
因此，他們將VR僅用於項目的最終展示，關注的重點是高度真實。這限制了VR作為通信工具為大型項目服務。與此同時，一些建築師或“高端”發起人不願意使用它，因為耳機切斷了與客戶的視覺聯繫，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師以化身的形式引入到VR應用中。
由於在建築設計的不同階段更多地需要協同工作，以及模型要求越來越精細且易於更新，使用VR的情況正在逐漸演變。這些創新統稱為BIM（建築信息模型），是在建築中使用VR的關鍵要素。更具體地說，BIM由Eastman等人提出，它作為設施的設計，施工和管理的新方法，其中施工過程的數字化用來促進信息的交換和互操作性。
令人感興趣的是分析3D和潛在VR在室內設計供應商（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，這個領域已經迅速發展。其原因很簡單：當投資該設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設計的侷限性。沉浸式可視化可以增加客戶的消費衝動。因此，這個領域是VR的忠實用戶並不奇怪，這尤其要歸功於最近出現的新型低成本設備。
03 城市和都市生活
與普遍的觀念相反，即使是由某些專業人士創作的，或由城市化所採用的技術方法與建築學中使用的方法是不一樣的。雖然城市是由建築物組成的，但是它們的數字模型（以及用於構建它們的建模方法）是非常不同的。
如今，對於在標準計算機上使用這些軟件的人來說，創建一個真實的建築模型並獲得交互式可視化模型是很容易的。因此，他們就會設想用建立交互模型的方式來規劃城市：建造一個小型建築群，然後是一個社區，最後是一個城市。
但是很不幸，這種想法是錯誤的：
- 首先，有一個複雜的問題：對於一個由數十棟、數百棟甚至數千棟建築組成的城市環境來說，它們之間的差異不能簡單地考慮為許多小型建築群的疊加；
- 其次，數據量的增加並不是線性的—存在限制使用某些軟件解決建模問題的閾值（特別是與計算機上可用和有效可用內存容量相關的閾值）；
- 最後，也是最重要的一點，一個城市不僅僅是由建築組成的，它還有形形色色的具有複雜性質的物體，甚至可能是看不見的（例如道路、路標、可能的地下交通網絡、通信線路等）。
此外，研究城市的尺度不同，結果也會千差萬別：從宏觀的角度分析道路交通問題或研究城市策略（城市規劃）到以單個建築為中心的觀點，類似於建築（城市設計）中使用的觀點。
所有這些因素都解釋了為什麼完整的建模（參見圖1.35）還沒有普及，以及為什麼我們常常限制自己只考慮特定項目周圍的環境。
▲圖1.35 沉浸式空間圖像（© IRISA）
儘管數字城市數據有時具有第三維度（高度），但用於建模和可視化城市的老式軟件是使用平面方法（2D）構建的，這將它們的使用限制在更適合稱為2.5D的方法上。這不僅是由於技術上的簡化（例如地面顯示的優化、平面投影的使用），而且是由於建立2D地圖的歷史。
儘管這種技術已經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用程序的存在正射投影在近幾年才真正流行起來。這些應用是基於航拍照片的顯示，這些照片的幾何形狀已被修改，因此可以與鋪設該區域表面的地理參考物相關聯。
對於城市的3D表現，這種可視化（稱為“斜航影像”）是目前使用最廣泛的，因為它允許用戶輕鬆地感知環境或項目中的程序（見圖1.36）。這種感知利用了一種大部分基於想象的解碼過程：就算我們從未坐過飛機，也都在（電影或電視上）看到過類似的視覺序列。
▲圖1.36 數據庫接收到的空中數據（© Rennes Métropole）
如果想擁有一個真正沉浸式的城市環境視圖，我們必須採用不同的建模方法。實際上，所有的用戶都有過行人的體驗，垂直元素（建築、人行道、路標、植被）在感知和定位自身的過程中發揮著相當重要的作用。
以這種方式重建一個城市，獲得身臨其境的視覺體驗（見圖1.37）還遠遠不是簡簡單單完全自動進行的。實際上，這些虛擬城市構建者花費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有的通常取自地理信息系統（GIS）、主要由地方政府使用（例如土地註冊、網絡）的數據來自動處理。
▲圖1.37 虛擬的巴黎一角（© Archivideo）
獲得平坦的道路、整合橋樑，或者更糟的是，調整錯誤的模型，如樹木與路線平行生長或生長在建築物上的明顯謬誤（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整，這些問題就無法全部得到處理。
但調整是相當困難的，一點也不容易。這種處理的結果是，為視覺沉浸體驗而建造的城市模型需要大量投資，但回報難以估算。
後一個發現似乎與谷歌或蘋果公司使用大量相關算法生成的城市數據庫中最近的演化不一致有關（見圖1.38）。
▲圖1.38 谷歌地圖（© Google Maps）
我們要時刻記得，這些應用程序產生視覺效果與現實相差無幾，使用正射影術為主而不是3D數據庫來建模。如果用戶退出鳥瞰圖並希望“下來”，很快就會出現視覺畸變。因此，這些應用程序禁止視覺軌跡“過低”。
為了消除這些對導航的限制，谷歌街景使用了另一個數據庫，裡面的照片不是從空中拍攝的，而是在特定的攝影任務中（使用裝有攝影機及GPS系統的車輛）從地面拍攝的，目的是全方位覆蓋一個城市的所有街道。這個應用程序提供了從一個特定的點360°觀察周圍所有建築的視角，所拍攝到的景色與一般行人的視線處於同一水平線。
但是，我們必須指出這些視圖並不真正符合VR的條件，事實上，它們是基於精確點拍攝的照片，因此無法響應用戶自由移動的願望（例如，進入花園）。因此，它們不能被重新定向或擴展以滿足用戶自由移動的願望。
這種差異可以很簡單地解釋為VR是基於從任意角度和任意方向實時計算合成圖像，合成出的3D模型給了用戶完全的自由，而不是基於照片的應用程序。
最後，讓我們明確一點：這種區別不是一種價值判斷，每種方法都有自己的優點和缺點。根據所期望的目標和現有的手段，它們往往是相輔相成的。
04 邁向可持續城市系統
讓我們回到本節開始時提出的問題的核心。除了純粹的技術考慮和必須消除的障礙之外，在未來十年，在所謂的可持續城市下，我們希望為VR-AR開發哪些功能?我們可以說明三種不同的用途：
第一個用途與項目使用的通信方式直接相關。儘管這種觀點並不過時，但現在人們普遍認為，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目傳達給幾乎沒有或根本沒有技術專長的人，比如民選官員或公民。這裡的難點是清楚地說明項目，並避免在解釋信息時出現錯誤。然後可以從用戶的角度引入VR-AR。鑑於其侷限性，展示表達可以很容易地從用戶的角度（他們所感知的）轉移到項目細節（項目如何工作）。
第二個用途是在社區內開放技術服務。 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，而不涉及其他項目的附帶影響。
建設更具一般性，內涵豐富的城市模型的協同工作正在開展，目的是提高城市的設計、實現和維護效率。通過在項目評審過程中使用VR沉浸式共享視圖，技術知識的彙集將變得更加容易（正如我們已經在其他領域看到的那樣，例如製造業和科學）。至於AR技術，它很可能在公共空間的維護方面有相當大的發展。
第三種用途與第一種用途有關，其原因是一些市政當局希望通過給予他們參與項目定義和開發的選擇權，與其公民共同建設城市。他們的問題是：“在整修、佈局和交通方面，你希望看到什麼樣的城市？”。
成功地採用這一程序需要解決某些問題：那些在“上游”階段的是如何呈現問題以及可能的場景。在“下游”階段，他們是如何列出和總結市民的建議。很明顯，VR提供了部分答案，因為它允許異類群體在同一時間、同一地點可視化城市環境。
然後，它允許對所討論的對象進行可視化模擬（例如，添加一個新建築，修改一條運輸線），以便促進對該問題的集體討論。
我們希望，隨著低成本VR技術的到來，以及允許處理城市數據的廣泛應用，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）等實驗的例子或Niel在波爾多的生態友好社區佈局，都可以被視為這一過程的象徵。
▲圖1.39 RennesCraft（© Rennes Métropole-Hit Combo）
延伸閱讀《虛擬現實與增強現實》
關於作者：布魯諾·阿納迪（Bruno Arnaldi），法國雷恩第一大學計算機科學系教授；帕斯卡·吉頓（Pascal Guitton），法國波爾多大學計算機科學系教授；紀堯姆·莫羅（Guillaume Moreau），法國南特中央理工學院計算機科學系教授。
三位作者均為VR與AR領域的資深研究者，1994年起任職於法國國家科學研究中心(CNRS)的GT-VR工作組，2005年聯合創立了法國虛擬現實協會(AFRV)，並分別擔任該協會的主席、副主席和行政委員會委員，有力推動了教育界、產業界以及解決方案供應商的高效合作。
本文摘編自《虛擬現實與增強現實：神話與現實》，經出版方授權發佈。
延伸閱讀《虛擬現實與增強現實》
推薦語：本書彙集了30餘位學術界和企業界的專家，聚集於近10年來VR-AR領域的重要應用和發展趨勢，並對未來10年的發展前景做了合理推斷，但並不展開討論技術細節。適合該領域的投資者、決策者、創業者和技術開發者以及廣大新興技術的愛好者閱讀。
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