(上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海 201103)

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境。用戶借助必要的裝備與數(shù)字環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)場(chǎng)景的感受和體驗(yàn)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在軍事、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、游戲、影視、娛樂等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在建筑行業(yè)中，我國(guó)對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究應(yīng)用和國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家還存在相當(dāng)大的一段距離。國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用點(diǎn)主要以樣板房展示為主。應(yīng)用點(diǎn)涵蓋的技術(shù)范圍小。虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容效果不夠逼真，虛擬現(xiàn)實(shí)交互能力弱，展示硬件選擇單一等一系列現(xiàn)狀有待改進(jìn)。

BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)是以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)項(xiàng)目建立直觀可視的數(shù)字化模型。BIM信息模型的優(yōu)勢(shì)就是在于其突破了傳統(tǒng)2D以及3D模型難以修改和同步的瓶頸，以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的多維模型大大方便了工程人員[2]。BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)正在迅速推廣的技術(shù)，行業(yè)中沒有真正以建筑信息模型為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

通過基于VR的數(shù)模分離技術(shù)將建筑信息模型分成幾何信息與參數(shù)信息，接著將幾何模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，利用物理動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)處理材質(zhì)、環(huán)境、燈光。然后基于Unity進(jìn)行VR的交互功能開發(fā)，最后打包封裝完成基于BIM的建筑VR交互系統(tǒng)。并通過分時(shí)顯示技術(shù)將系統(tǒng)以3D方式顯示出來。

綜上所述，本文將針對(duì)數(shù)模分離技術(shù)、物理動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)、Unity二次開發(fā)技術(shù)、分時(shí)顯示技術(shù)進(jìn)行基于BIM的建筑VR交互技術(shù)研究。

2 VR交互技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 基于VR的數(shù)模分離技術(shù)

圖1 Revit的數(shù)模分離插件

Revit作為一款BIM建模軟件，它的模型信息包括幾何信息與參數(shù)信息。本研究在Revit的基礎(chǔ)上采用.NET語(yǔ)言編程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)自主研發(fā)了一個(gè)Revit插件。如圖1，插件可以根據(jù)模型固有的規(guī)則讀取模型中所有構(gòu)件的參數(shù)信息，并將數(shù)據(jù)集合匯總成自定義格式的表格，通過插件為表格添加相互映射關(guān)系，完成數(shù)模分離，即形成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)并上傳到云端。

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity開放數(shù)據(jù)庫(kù)接口，根據(jù)項(xiàng)目需求下載相關(guān)的凈高、房間個(gè)數(shù)、門窗個(gè)數(shù)、開關(guān)個(gè)數(shù)等構(gòu)建數(shù)據(jù)。在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)基于BIM的建筑信息VR展示。在Revit建模時(shí)所有的構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)屬于自己的ID名稱。在數(shù)模合并時(shí)通過這個(gè)獨(dú)有的ID名稱使構(gòu)件與信息重新鏈接，確保數(shù)模的零誤差合并。

2.2 基于物理的動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)

物體在現(xiàn)實(shí)世界中表面都覆蓋有一層表現(xiàn)自身的材質(zhì)、紋理和顏色，真實(shí)反映物體的這些屬性在虛擬場(chǎng)景中有著表現(xiàn)真實(shí)感和現(xiàn)實(shí)感的作用，合理使用可呈現(xiàn)出復(fù)雜的細(xì)節(jié)[3]提高用戶的真實(shí)體驗(yàn)。

基于物理的渲染(PBR)是一種著色與渲染的方法[4]?，F(xiàn)在的PBR 算法是以支持Cook-TorranceMicrosoft的BRDF 理論為基礎(chǔ)的，并在直接照明與間接照明的Shading Model 里使用[5]。它以光學(xué)物理定律(主要有：菲尼爾反射定律、微表面理論、光能守恒定律等)來控制渲染效果，以一種在物理層面更精確的方法來表現(xiàn)光、模型材質(zhì)和模型所處環(huán)境的相互作用。在傳統(tǒng)渲染中需要通過工作人員自身經(jīng)驗(yàn)來猜測(cè)最終的效果，這可能帶來與現(xiàn)實(shí)情況的偏差。因此基于物理的渲染技術(shù)可以保證更為真實(shí)的渲染效果。

本文以SBS軟件為基礎(chǔ)，通過邏輯鏈接算法，以程序化的手段動(dòng)態(tài)生成貼圖，即由代碼生成貼圖紋理效果，通過代碼參數(shù)控制貼圖中的紋理大小、密度、長(zhǎng)短、對(duì)比度等貼圖參數(shù)信息，例如木制材料以動(dòng)態(tài)貼圖的方式，如圖2就可以用程序參數(shù)控制其鐵銹部分的范圍腐蝕程度、范圍大小等。在傳統(tǒng)美術(shù)工作中，只能通過手工繪制來表現(xiàn)紋理效果，而不能隨項(xiàng)目需要快速修改。動(dòng)態(tài)貼圖技術(shù)大大提升了貼圖的適用范圍和項(xiàng)目效率。

圖2 木制材料動(dòng)態(tài)貼圖調(diào)整界面

本研究針對(duì)BIM模型完成一套基于物理動(dòng)態(tài)渲染的流程如圖3，將BIM模型通過導(dǎo)出、優(yōu)化、合并、貼圖制作等步驟，可以得到供渲染使用的模型。在這一系列步驟中，團(tuán)隊(duì)成員使用統(tǒng)一的渲染流程，通過既定流程的參數(shù)控制，即可快速、高效、協(xié)同地完成從BIM模型到渲染模型的轉(zhuǎn)化。

圖3 基于BIM的物理動(dòng)態(tài)渲染流程

2.3 沉浸式仿真交互技術(shù)

多功能的交互技術(shù)就是讓用戶能從虛擬環(huán)境中獲取和真實(shí)環(huán)境一樣或者相似的聽覺、感覺、觸覺和力覺等感官認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、識(shí)別定位技術(shù)、語(yǔ)音綜合識(shí)別裝置、視覺跟蹤技術(shù)、感知建模、文字識(shí)別以及數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備的研究[6]。

Unity3D是由UnityTechnologies公司開發(fā)的專業(yè)跨平臺(tái)游戲開發(fā)及虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。作為一款專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，Unity精簡(jiǎn)、直觀的工作流程，功能強(qiáng)大的工具集，使得虛擬現(xiàn)實(shí)程序模塊的開發(fā)周期大幅度縮短。通過3D模型、貼圖、圖像、視頻、聲音等相關(guān)資源整合，借助Unity相關(guān)場(chǎng)景構(gòu)件模塊，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的創(chuàng)建，并運(yùn)行在Windows、Mac OS X、Linux等平臺(tái)。

本節(jié)基于Unity開發(fā)的沉浸式仿真交互模塊可以讓用戶通過外部硬件設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行控制虛擬環(huán)境中的虛擬人物模型，控制虛擬人物與環(huán)境中的構(gòu)件進(jìn)行交互，從而對(duì)用戶的需求進(jìn)行模擬仿真。

以材質(zhì)替換模塊為例，流程如圖4所示，設(shè)計(jì)師將預(yù)制的材質(zhì)交接給VR工程師，VR工程師將隔墻木飾面類型、樓梯扶手木飾面類型、休息座椅、前廳地毯等多種材質(zhì)錄入進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity所提供的API(Unity Application Programming Interface)接口與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行鏈接，設(shè)計(jì)師可以點(diǎn)擊平臺(tái)內(nèi)的UI控制按鈕，平臺(tái)會(huì)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的材質(zhì)資源，針對(duì)設(shè)計(jì)師選中的構(gòu)件進(jìn)行材質(zhì)的替換，如圖5所示。

圖4 沉浸式仿真交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

圖5 基于BIM的建筑VR交互系統(tǒng)多材質(zhì)替換模塊

2.4 分時(shí)顯示技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)中頭戴式顯示設(shè)備已成為主流的顯示設(shè)備，但是在產(chǎn)品的實(shí)際使用體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頭戴式顯示器設(shè)備的使用門檻較高，在使用前需要專人陪同、反復(fù)指導(dǎo)才能順利地完成VR體驗(yàn)，體驗(yàn)者需要同時(shí)克服對(duì)場(chǎng)景的不熟悉、使用方法不明白、VR觀看不習(xí)慣、設(shè)備過重不舒適等多個(gè)問題，同時(shí)一臺(tái)設(shè)備只能一個(gè)人進(jìn)行體驗(yàn)，無法向場(chǎng)景外的同伴明確表示自己在場(chǎng)景內(nèi)的所見所聞，因此展示效率大打折扣。

分時(shí)顯示技術(shù)是一種基于主動(dòng)式3D技術(shù)的輕量VR技術(shù)。主動(dòng)快門式3D技術(shù)通過把圖像按幀一分為二，形成對(duì)應(yīng)左眼右眼的兩組連續(xù)交錯(cuò)畫面。紅外信號(hào)發(fā)射器將同步控制快門式3D眼鏡的左右鏡片開關(guān)，使左右雙眼在正確的時(shí)刻看到相應(yīng)畫面。如圖6。

圖6 主動(dòng)式眼鏡遮蔽右眼、左眼

本研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D開發(fā)了分時(shí)顯示技術(shù)BIM VISION控制插件，技術(shù)路線如圖7所示。點(diǎn)擊開啟BIM VISION，插件將通過計(jì)算把場(chǎng)景空間中的模型頂點(diǎn)坐標(biāo)位置、面片信息以及相機(jī)位置傳入顯卡顯存中，同時(shí)調(diào)用顯卡進(jìn)行線性矩陣計(jì)算，以原場(chǎng)景中的相機(jī)作為基點(diǎn)，向左右延伸約3cm進(jìn)行渲染，模擬人的雙眼所看到的視圖。完成轉(zhuǎn)換后在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中將場(chǎng)景封裝成一個(gè).EXE可執(zhí)行文件，執(zhí)行.EXE文件在完成配置的硬件設(shè)備上進(jìn)行投放，用戶僅需佩戴一副重約300g的眼鏡即可觀看3D場(chǎng)景。BIM VISION插件界面如圖8所示。

圖7 分時(shí)顯示技術(shù)技術(shù)流程

圖8 基于BIM的分時(shí)顯示技術(shù)BIM VISION控制插件

分時(shí)顯示技術(shù)解決了頭顯設(shè)備的效率低下問題以及間接引申出的單人成本高昂等行業(yè)痛點(diǎn)。在保證和VR相似的3D效果和高真實(shí)感畫面的同時(shí)，類似于3D電影式的展示方式保證了用戶之間可以清晰明確地了解到當(dāng)前討論的焦點(diǎn)內(nèi)容； 只需佩戴一副輕便眼鏡即可進(jìn)行體驗(yàn)，幾乎沒有不熟悉感、沉重感。

3 工程應(yīng)用驗(yàn)證

在上海軌道交通運(yùn)營(yíng)指揮中心項(xiàng)目，使用基于BIM的建筑VR交互技術(shù)在九層指揮中心、一層大堂與地下一層機(jī)房進(jìn)行了可視化展示、設(shè)計(jì)方案必選、沉浸式凈高體驗(yàn)等應(yīng)用。在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)師運(yùn)用基于BIM的建筑VR交互系統(tǒng)對(duì)該工程的主要路線進(jìn)行仿真模擬，通過基于物理的動(dòng)態(tài)真實(shí)渲染技術(shù)模擬了三個(gè)空間的真實(shí)環(huán)境氣氛，使業(yè)主對(duì)于裝修的整體氛圍有了直觀的認(rèn)識(shí)。

在討論會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，利用沉浸式仿真交互技術(shù)設(shè)計(jì)方直接利用系統(tǒng)隨意切換視角的特點(diǎn)，直接對(duì)設(shè)計(jì)方案中的細(xì)節(jié)進(jìn)行漫游，并將對(duì)各場(chǎng)景整合進(jìn)一個(gè)系統(tǒng)中，規(guī)避了單張效果圖視角局部的短板。并使用交互系統(tǒng)針對(duì)項(xiàng)目一樓大堂的扶手木飾面、休息座椅、前廳地毯等構(gòu)件進(jìn)行材質(zhì)方案替換，同時(shí)利用數(shù)模聯(lián)動(dòng)對(duì)材質(zhì)信息進(jìn)行展示如圖9。把方案討論會(huì)的次數(shù)大大縮減，避免了施工樣板房中大范圍的設(shè)計(jì)整改，提高了整個(gè)工程進(jìn)度。

圖9 基于BIM的建筑VR交互系統(tǒng)多材質(zhì)替換

在上海軌道交通運(yùn)營(yíng)指揮中心項(xiàng)目VR交互平臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)房的環(huán)境中，不僅模擬了計(jì)算機(jī)房的竣工后的真實(shí)環(huán)境效果，而且通過VR頭戴式硬件設(shè)備對(duì)機(jī)房的凈高有著直觀的體驗(yàn)。再加上針對(duì)天花背后機(jī)電管線橋架的實(shí)時(shí)調(diào)整，使機(jī)電管線對(duì)于凈高的影響降到了最低如圖10。

圖10 基于BIM的建筑VR交互系統(tǒng)機(jī)房空間管線凈高模擬

在上海軌道交通運(yùn)營(yíng)指揮中心項(xiàng)目的指揮大廳環(huán)境中，采用了分時(shí)顯示技術(shù)將指揮大廳竣工后的場(chǎng)景通過主動(dòng)式3D技術(shù)進(jìn)行展示。如圖11，相比頭戴式眼鏡展示方式，分時(shí)顯示技術(shù)更自由、更輕便、觀看人數(shù)更多，實(shí)現(xiàn)VR匯報(bào)的展示方式，提升匯報(bào)時(shí)的模型沉浸感、代入感。

圖11 基于BIM的分時(shí)顯示技術(shù)項(xiàng)目展示

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)建筑行業(yè)的特點(diǎn)，研究了基于BIM的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)并開發(fā)形成針對(duì)項(xiàng)目的基于BIM的VR交互系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊包括自主漫游、材質(zhì)替換、構(gòu)件替換等一系列VR應(yīng)用點(diǎn)。通過應(yīng)用時(shí)間總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)針對(duì)建筑行業(yè)的特點(diǎn)，走通BIM模型經(jīng)過數(shù)模分離與虛擬現(xiàn)實(shí)引擎對(duì)接。并通過讀取外掛數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)基于VR的信息可視化。

(2)應(yīng)用以光學(xué)物理定律來控制渲染效果，使建筑場(chǎng)景更加真實(shí)，增加設(shè)計(jì)師對(duì)于材質(zhì)物理參數(shù)的認(rèn)識(shí)。動(dòng)態(tài)貼圖技術(shù)大大提升了貼圖的適用范圍和項(xiàng)目效率。

(3)沉浸式仿真交互技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity的二次開發(fā)，根據(jù)甲方的需求，實(shí)現(xiàn)VR交互體驗(yàn)。增加系統(tǒng)的實(shí)用性、操作性，能夠降低裝飾深化設(shè)計(jì)的整改次數(shù)，提升其設(shè)計(jì)效率并且增加場(chǎng)景的互動(dòng)性、沉浸性、真實(shí)性。

(4)基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎開發(fā)了分時(shí)顯示技術(shù)BIM VISION控制插件，用戶只需佩戴一副輕便眼鏡即可進(jìn)行體驗(yàn)，使VR的展示方式多人化、輕便化、自由化。