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.