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        基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑室內(nèi)沉浸式漫游展示與交互設(shè)計(jì)

        2018-09-12 10:17:14吳文豪周婕
        科技視界 2018年13期
        關(guān)鍵詞:三維建模虛擬現(xiàn)實(shí)

        吳文豪 周婕

        【摘 要】借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),本研究將虛

        【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)(VR);建筑漫游;三維建模;虛擬引擎

        中圖分類號: TU242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 2095-2457(2018)13-0020-002

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.009

        0 引言

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality),簡稱VR,也譯作靈境技術(shù)或人工環(huán)境,它是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬創(chuàng)建一個(gè)三維的虛擬空間,是一種多源技術(shù)融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)。利用仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等多種技術(shù)融合,是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。讓觀者能夠沉浸到一個(gè)擁有視覺、聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)感知,甚至嗅覺與味覺的虛擬世界中。

        建筑漫游,是將設(shè)計(jì)師對建筑空間的構(gòu)想、對建筑功能的規(guī)劃、對建筑造型的設(shè)計(jì),利用三維仿真技術(shù)模擬出來,并且運(yùn)用攝像機(jī)鏡頭動(dòng)畫,為人們展示建筑的空間、格局、地勢、外觀、材質(zhì)、內(nèi)飾等等。讓人們可以在建筑尚未完工之前,就能預(yù)先看到它未來的完成樣式。介于此特性,建筑漫游被大量運(yùn)用在地產(chǎn)工程投標(biāo)、房產(chǎn)銷售、樓盤宣傳等環(huán)節(jié)。

        但是,傳統(tǒng)的建筑漫游局限于視頻動(dòng)畫,雖然也能夠看到建筑完工時(shí)的樣貌,但是卻只能循著設(shè)計(jì)師原本設(shè)定好的攝像機(jī)路徑去觀看,無法實(shí)現(xiàn)自主性、交互性地觀看,也無法真實(shí)地體驗(yàn)空間感、光照度、時(shí)間性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭配穿戴式外接頭顯設(shè)備,可以很好地解決這一問題。虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)與傳統(tǒng)建筑漫游的表現(xiàn)手段相比,能夠多維度地、自主性地、交互式地從各個(gè)不同的角度游覽建筑物,具有很大的實(shí)用價(jià)值[1]。從八十年代末以來,一直有學(xué)者對這方面進(jìn)行研究。而在近年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬技術(shù)的發(fā)展,特別是幾款虛擬引擎的改進(jìn),虛擬外接設(shè)備的開發(fā)投用,使得開發(fā)門檻變低,也從一方面促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)在各個(gè)行業(yè)中的普及和發(fā)展。

        本文開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑室內(nèi)展示設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)研究,利用3D建模軟件構(gòu)建模型、設(shè)計(jì)室內(nèi)裝潢,進(jìn)而進(jìn)行紋理映射、實(shí)例化、布光等處理;設(shè)置交互體驗(yàn);并結(jié)合實(shí)景提取,實(shí)現(xiàn)建筑空間與周圍真實(shí)地理環(huán)境的結(jié)合;利用虛擬引擎實(shí)時(shí)光照照明系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)可觀看建筑物任意時(shí)間段光照效果,達(dá)到身臨其境、主動(dòng)交互的展示效果。

        1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)建筑漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

        鑒于目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維立體、虛擬仿真、實(shí)時(shí)渲染、視聽觸多維體感、自主交互等特點(diǎn),正好符合建筑漫游的目的,便于觀者多維度體驗(yàn),填補(bǔ)傳統(tǒng)漫游所無法實(shí)現(xiàn)的臨場體驗(yàn)。虛擬漫游是建筑展示、廣告方式的一大革命,具有很好的研究價(jià)值。

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)訴求來自于溫州云天樓洲際廣場的VR樓盤漫游展示系統(tǒng),內(nèi)容為酒店公寓,兩室一廳,簡歐風(fēng)格。項(xiàng)目將該戶型通過三維建模、賦予材質(zhì)貼圖,成立虛擬立體形象。再運(yùn)用虛擬引擎,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染,設(shè)置空間碰撞范圍、人機(jī)交互模式、外接設(shè)備鏈接。配合HTC VIVE虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式設(shè)備,觀者戴上VR頭顯后,能夠沉浸到在現(xiàn)場看房的視覺體驗(yàn)中,使用VIVE操控手柄,可實(shí)現(xiàn)在建筑戶型里自由移動(dòng),直觀觀察到每個(gè)角落,每個(gè)物體的細(xì)節(jié)。觀者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí),電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算,將精確的3D世界影像實(shí)時(shí)更新,無縫更新到頭顯設(shè)備,從而產(chǎn)生臨場感。

        2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑漫游展示與交互設(shè)計(jì)制作過程

        VR建筑漫游展示制作過程包括:首先確定需要展示建筑的布局、大小和風(fēng)格;進(jìn)而開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑漫游展示主體制作,建模、分UV、設(shè)置材質(zhì)、繪制貼圖;而后導(dǎo)入虛擬引擎,布置燈光、環(huán)境球,設(shè)置外接設(shè)備SDK、碰撞范圍,編寫交互模式,最后導(dǎo)出PC端應(yīng)用包。

        (1)3D建模

        項(xiàng)目設(shè)計(jì)的第一步,首先明確建筑風(fēng)格,并根據(jù)風(fēng)格要求制作出室內(nèi)裝潢展示的模型,即是用三維制作軟件構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。3D建模行業(yè)通用軟件有3DSmax、Maya、Sketchup等,本項(xiàng)目使用的建模工具是3DSmax。

        構(gòu)建三維模型是虛擬仿真的基本元素,在VR視覺中觀看到的任何物品、任何模型都是再現(xiàn)真實(shí)場景中的實(shí)物,這也是虛擬現(xiàn)實(shí)能給人一種身臨其境的關(guān)鍵因素。建模是構(gòu)建場景的基礎(chǔ),在建模過程中最重要的一點(diǎn)是控制模型比例,必須按照真實(shí)比例制作,否者就會(huì)發(fā)生沙發(fā)高于人、餐桌矮得像茶幾一樣令人發(fā)笑的錯(cuò)誤。同樣重要的還有模型的優(yōu)化,一個(gè)好的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目不僅要逼真,還要求運(yùn)行流暢,保證程序包不會(huì)占用太大的內(nèi)存,讓觀者得到良好的體驗(yàn)?;镜膬?yōu)化原則有:控制模型面數(shù),部分次要的細(xì)節(jié)和紋理用貼圖、法線貼圖彌補(bǔ),刪除不被顯示的面,盡量減少模型的點(diǎn)已達(dá)到優(yōu)化目的。

        (2)分UV與貼圖

        當(dāng)3D建模完成后,進(jìn)行模型展UV,確保UV展開平整,避免出現(xiàn)貼圖拉伸、模糊等問題,同時(shí)通過合理編排UV布局,節(jié)省貼圖量。在對模型進(jìn)行展UV的時(shí)候,除了3DSmax、Maya等軟件中自帶的UV編輯工具外,也能結(jié)合其他第三方UV軟件,如Unfold3D,UVlayout等,提高工作效率。

        展完UV,將UV布局圖渲染出一張平面參考圖,利用此參考圖的標(biāo)記,通過二維軟件技巧性地繪制貼圖,通過貼圖描述對象表面的物質(zhì)狀態(tài),構(gòu)造真實(shí)世界中自然物質(zhì)表面的視覺表象[2]。好的貼圖能使模型產(chǎn)生神奇的效果。

        (3)導(dǎo)入引擎設(shè)置材質(zhì)、燈光

        在對比Unity3 D 和Unreal Engine 4(虛幻4)兩款主流虛擬引擎后,由于虛幻4的實(shí)時(shí)渲染效果較佳,材質(zhì)系統(tǒng)簡便,本項(xiàng)目選用虛幻4引擎制作。

        由于虛擬引擎無法讀取三維軟件中的材質(zhì)燈光信息,所以這一環(huán)節(jié)在虛擬引擎中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)3D建模、UV、貼圖完成后,導(dǎo)出成FBX格式(一種支持所有主要的三維數(shù)據(jù)元素以及二維、音頻和視頻媒體元素的通用文件格式),導(dǎo)入引擎。

        虛幻4的材質(zhì)系統(tǒng)是由材質(zhì)表達(dá)式(可視腳本節(jié)點(diǎn))、網(wǎng)格、顏色、紋理貼圖、材質(zhì)屬性以及材質(zhì)輸入五個(gè)部分組成的可視化編輯器。材質(zhì)無需通過代碼實(shí)現(xiàn),而是通過可視腳本節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含HLSL代碼片段,并用于執(zhí)行對應(yīng)的命令。以實(shí)現(xiàn)美術(shù)人員所需表達(dá)的視覺效果。

        將模型導(dǎo)入引擎后,逐個(gè)賦予材質(zhì),調(diào)整材質(zhì)參數(shù):高光、反光、折射、反射、凹凸紋理等,以達(dá)到最接近現(xiàn)實(shí)的物體外觀效果。到此,才算完成模型的制作。材質(zhì)搭配紋理貼圖,是再現(xiàn)客觀事物真實(shí)視覺的最有效手段,也是體現(xiàn)仿真感的另一重要環(huán)節(jié)。

        而后,借助引擎中的燈光系統(tǒng),給場景賦予燈光,使整個(gè)建筑環(huán)境更加鮮活。如果說模型是建筑的五官,而燈光就是建筑的靈魂。調(diào)試良好的燈光能提高畫面的質(zhì)感與真實(shí)感,使得畫面里的物體顯的更加真實(shí)富有生命[3]。

        虛幻4提供了四種光源類型,調(diào)整燈光的顏色、強(qiáng)度、位置、大小、方向等,模擬建筑場景中的光源及效果。并且結(jié)合場景物體設(shè)置靜態(tài)光源與動(dòng)態(tài)光源,讓每種類型的陰影利用其優(yōu)勢來彌補(bǔ)另一種類型陰影的劣勢,從而可以快速地渲染出令人印象深刻的栩栩如生的視覺效果。

        (4)設(shè)置碰撞

        為了模擬真實(shí)建筑環(huán)境中的格局,避免穿墻而過,掉落樓層之類的錯(cuò)誤,需要在引擎中設(shè)置碰撞物體。讓觀者在規(guī)定的區(qū)域和路徑中移動(dòng)。虛幻4在"靜態(tài)網(wǎng)格物體編輯器"中提供了創(chuàng)建碰撞幾何體的基本工具。但是,該工具不夠靈活。因此,本項(xiàng)目是在3D建模時(shí),在三維軟件中同時(shí)創(chuàng)建自定義的碰撞幾何體,再將其隨同模型導(dǎo)出到引擎中,進(jìn)行碰撞物處理。此方法會(huì)讓碰撞范圍更精準(zhǔn)。

        (5)設(shè)置交互

        本項(xiàng)目的交互設(shè)置,是用藍(lán)圖(可視化腳本系統(tǒng))來實(shí)現(xiàn),它是使用基于節(jié)點(diǎn)鏈接的方式來定義面向?qū)ο蟆?/p>

        在引擎中創(chuàng)建適用VR的模式藍(lán)圖,將VR攝像機(jī)鏈接到VIVE頭顯作為圖像輸入,添加HTC手柄控制組件,獲取手柄的位置信息與旋轉(zhuǎn)信息,實(shí)時(shí)控制左右手模型。實(shí)現(xiàn)通過手柄控制視點(diǎn)的移動(dòng)、跳轉(zhuǎn)。

        (6)測試

        在項(xiàng)目導(dǎo)出之前,務(wù)必進(jìn)行測試。首先是構(gòu)建光影,也即渲染,引擎會(huì)將光影關(guān)系計(jì)算出來。再是,運(yùn)行項(xiàng)目,檢查是否存在某些物體沒有碰撞、模型之間是否存在交叉或是裂縫、燈光是否過曝或不足、手柄交互是否有誤等。確認(rèn)無誤后,打包導(dǎo)出成一個(gè)應(yīng)用程序包。此時(shí),便可運(yùn)行程序包,戴上VR頭顯沉浸到虛擬環(huán)境中,并通過手柄移動(dòng)到任意角落觀看場景。

        3 結(jié)束語

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感、臨場感、交互性、主觀性,為建筑漫游的展示形式帶來變革。而目前VR技術(shù)的應(yīng)用只是初露端倪,雖然VR技術(shù)近年發(fā)展迅速,被廣泛采用,但其在內(nèi)容演示、情境創(chuàng)設(shè)、互動(dòng)支持等方面還需進(jìn)行深入的研究。相信通過更多的研究與實(shí)踐,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠發(fā)揮更大的作用,在各行各業(yè)都具有很好的應(yīng)用前景。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]傅晟,彭群生,一個(gè)桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J],計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2016,(16):13.

        [2]張竹悅.優(yōu)秀的貼圖對游戲模型的重要性[J].文化藝術(shù),2016,(4):328.

        [3]張琬茂,蔣春林,干靜.產(chǎn)品真實(shí)感表現(xiàn)中布光技術(shù)的研究[J],工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2009,(2):48-53.

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