摘 要：人們習慣將利用計算機技術進行視覺設計和生產(chǎn)的領域統(tǒng)稱為CG。從CG技術的應用領域進行劃分，主要分為CG藝術設計、游戲與動漫設計、虛擬現(xiàn)實與仿真技術等，涵蓋了二維或三維動畫設計、工業(yè)設計、視覺傳達設計、網(wǎng)頁設計、游戲設計等諸多領域，實現(xiàn)了在圖形用戶界面、可視化、多媒體、數(shù)字娛樂等方面的快速發(fā)展。本文以虛擬現(xiàn)實技術在交互式建筑動畫中的應用路徑為研究重點，旨在探索該技術在建筑可視化領域的更多可能。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;CG技術;建筑動畫

建筑可視化作為建筑設計重要的表現(xiàn)形式，依托高質(zhì)量的建筑效果圖和建筑漫游動畫，能夠讓用戶了解建筑設計的效果以及空間結(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式由于受到技術和展示載體的限制，無法實現(xiàn)更深層次的交互體驗。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，依托其在教育、軍事、娛樂、醫(yī)療、仿真、計算機可視化等諸多領域的深化應用，實現(xiàn)在建筑可視化領域的拓展。

1 虛擬現(xiàn)實技術概述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術的概念

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，下簡稱“VR”），是利用計算機模擬產(chǎn)生一個逼真的三維空間虛擬世界，體驗者能夠通過輸入或輸出設備和虛擬世界中產(chǎn)生交互或完成即時的觀察與體驗，從而獲取身臨其境的感受。該技術可以依托可穿戴的傳感設備，使用戶在虛擬空間中獲得某些感官反饋，甚至可以實現(xiàn)裸感沉浸體驗。VR技術囊括了感知、環(huán)境、操作等諸多領域，通過人機交互實現(xiàn)了視覺、聽覺、觸覺等多種感官的立體化表現(xiàn)，在當代社會得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用。[1]

1.2 虛擬現(xiàn)實技術的基本特征

VR技術的基本特征，主要是指沉浸性、交互性、共享性，即Immersion、Interaction和Imagination，也被稱為“3I”。

（1）沉浸性。沉浸性是VR技術為體驗者帶來的最為逼真的臨境體驗。體驗者可以通過虛擬現(xiàn)實設備如頭盔或手套，使自己置身于三維虛擬空間中，進行實時的觀察、控制或體驗，這是人作為人際環(huán)境的主導者，通過操作獲取準確的反饋。Greg Morgenstein就曾說道：“VR將人們的想象力帶到從前只有夢想才能到達的地方，HEAR360所提供的八面球體的全方位立體聲麥克風能夠捕捉360°音頻，我們要讓聲音和看到的一樣美妙。”這種技術和設備的創(chuàng)新和升級能夠給VR技術提供更強的支撐。

（2）交互性。交互性是VR技術為體驗者帶來的最真實的感官體驗，體驗者可以獲得同真實世界相同的感受或反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實顯示技術除了搭建視覺感知之外，還具有聽覺感知、觸覺感知、運動感知、力覺感知等多種感知功能。假設用戶在虛擬環(huán)境中體驗自然樂趣，那么在這里，體驗者可以感受到雨滴落在手心，風吹拂在臉頰，這也就是用戶在虛擬系統(tǒng)中可以完成同真實環(huán)境近乎相同的交互，交互性是人機和諧互動的關鍵性因素。

（3）構(gòu)想性。構(gòu)想性是人類智慧和創(chuàng)造性的最好詮釋。虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造的環(huán)境，既是現(xiàn)實世界的展現(xiàn)，又是補充與深化，人們可以在這樣的空間中獲得新的知識，同樣可以獲得更深層次的理性和感性認知，從而產(chǎn)生新的創(chuàng)造性活動。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展和應用就是為了使人類的認知得到更廣泛、更深入的拓展，通過該技術實現(xiàn)人與科技的完美融合，其對提升人類認知世界、改造世界的能力有著極大的促進作用。

2 虛擬現(xiàn)實技術應用于建筑動畫中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)建筑動畫與基于VR技術的交互性建筑動畫最本質(zhì)的區(qū)別在于：在傳統(tǒng)動畫中，我們可以利用三維軟件（3dmax等）制作出建筑及周圍環(huán)境模型，通過鏡頭語言及特效處理，呈現(xiàn)出完整的商業(yè)性動畫作品，或者通過模型的搭建，演示動態(tài)施工過程。這些都是為了使建筑動畫具有更強的真實感，能搭建設計師與用戶的橋梁，使用戶對在項目建設之初就能了解項目完成效果。而基于VR技術的交互式建筑動畫，通過穿戴設備可以使用戶在虛擬建筑環(huán)境中將視覺、觸覺等感官封閉起來，得到最真實的空間感受。

在傳統(tǒng)基礎上，運用鏡頭語言、色彩語言、聲音與音效設計等環(huán)節(jié)的設計，使圖像畫面細節(jié)更加逼真，考慮真實環(huán)境中的雙目視差、運動視差等客觀規(guī)律，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建符合參與者的真實視角，對動畫內(nèi)容本身進行更進一步的藝術處理，讓觀者在體驗的過程中，實現(xiàn)作品藝術性的更高追求。[2]

3 虛擬現(xiàn)實技術在交互式建筑動畫中的技術基礎

基于VR技術的建筑可視化表現(xiàn)并不是一蹴而就的，建筑及環(huán)境測量、設計、繪圖到后期的模型創(chuàng)建及效果表現(xiàn)，需要不同軟件的配合?；赩R技術的交互式建筑動畫，除了借助三維模型制作虛擬環(huán)境外，還涉及實時渲染、碰撞檢測、物理屬性設置等關鍵步驟，而這些都需要通過引擎完成。[3]筆者以近些年使用較為廣泛的兩個游戲引擎為例，簡單介紹其優(yōu)勢和不足。

第一，Unity 3D。Unity 3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一款可以實現(xiàn)建筑可視化、實時三維動畫、三維游戲的多平臺綜合性游戲開發(fā)工具。準確地說，它并不是為建筑而生的，而是一個專業(yè)的游戲引擎。我們在之前提到的VR技術是在計算機上生成的、可交互的、具有沉浸感的技術，但它只是一種結(jié)果，它需要借助Unity 3D等開發(fā)引擎工具才能實現(xiàn)，這也就是Unity 3D的重要性。

而在建筑可視化方面，無論是游戲或是其他動畫形式，系統(tǒng)都提供較為完善的組件，可以完成較為簡單的VR項目。但該軟件內(nèi)置工具不夠完善，很難構(gòu)建高質(zhì)量的燈光環(huán)境和畫面效果。

第二，Unreal Engine4。Unreal Engine4（下簡稱“UE4”）是全球頂級游戲公司Epic Game研發(fā)的一款游戲引擎，具備三維建模、動畫制作、實時渲染、粒子系統(tǒng)、音效處理、AI處理、碰撞測試等多個功能。[4]

隨著該引擎邁向非游戲領域的發(fā)展戰(zhàn)略，其對交互式建筑動畫開發(fā)者無疑是大有裨益的。該引擎可以使開發(fā)者無須擁有高深的計算機基礎和代碼編寫能力，只需利用其強大的燈光、材質(zhì)系統(tǒng)，就可以完成逼真的三維環(huán)境創(chuàng)建。同時，針對交互式動畫的特點，該系統(tǒng)也支持操作手柄、頭顯等虛擬現(xiàn)實設備的調(diào)試與檢測。

4 虛擬現(xiàn)實技術在交互式建筑動畫中的具體應用

依托上述技術基礎，我們需要在多個軟件中完成基于VR技術的交互式建筑動畫方案制作，具體流程如下：

圖1

4.1 方案策劃

在項目開始之初，開發(fā)團隊需要進行詳細的資料收集并完成人員分工的設置與安排，完成交互動畫主題構(gòu)思和腳本編寫，這些都是項目順利運行的基礎。

4.2 基礎方案制作

Autodesk公司開發(fā)的CAD制圖軟件對計算機輔助設計具有里程碑的意義。在做到建筑可視化表現(xiàn)之前，我們需要進行環(huán)境勘探、建筑設計、景觀設計等一系列的工作，所有精確的數(shù)字都需要匯總到CAD繪制的圖紙中，它可以讓我們對平面布置、空間尺度、表現(xiàn)效果有最嚴謹?shù)恼J識。所以，在基礎方案制作之初，我們需要對虛擬場景參數(shù)進行細化，利用CAD繪制1﹕1的場景圖紙。

在建筑可視化表現(xiàn)方面，3Dmax可以根據(jù)CAD圖紙，創(chuàng)建1﹕1的建筑及環(huán)境模型，通過燈光設置、材質(zhì)表現(xiàn)等參數(shù)調(diào)節(jié)，最大程度上展現(xiàn)建筑的本來形態(tài)。但無論是自帶渲染器還是第三方渲染器，該軟件很難做到實時渲染，尤其是高質(zhì)量的場景效果，需要消耗大量的渲染時間，不利于場景的實時檢驗。所以，我們需要將創(chuàng)建好的三維模型導出，利用引擎進行下一步制作。

4.3 VR項目開發(fā)

（1）前期模型整理與優(yōu)化。很多VR項目開發(fā)者都有豐富的CG制作經(jīng)驗，對效果圖和動畫的制作駕輕就熟，習慣于在3Dmax完成三維模型后直接進行場景渲染。但在實際的制作過程中，VR項目對三維模型和貼圖提出了更高的要求。因為不合適的模型和貼圖可能造成引擎的巨大負擔，在制作過程中可以利用Normal Map降低模型面數(shù)以獲得更快的渲染速度。[5]

引擎較大的優(yōu)勢就是依托物理系統(tǒng)完成物體物理屬性的設置，即避免物體違背自然運動規(guī)律，例如動畫中的人物行走、跳躍動作;可以利用該物理系統(tǒng)設置決定具體參數(shù)，包括車輛運動的合理顛簸、小鳥飛行的方式等，都依靠這個系統(tǒng)決定。[6]同時，該系統(tǒng)還有一個重要的組成部分就是碰撞檢測，它可以檢測到場景中各個模型的物理邊緣，避免場景中的人物、車輛等在運動的過程中發(fā)生碰撞而出現(xiàn)的相互穿過。這也就確保了人物在環(huán)境中行走不會“穿墻而入”，更不會將墻推倒，因為系統(tǒng)會自動計算兩者的作用力。

除了物理系統(tǒng)，渲染引擎也是游戲引擎一個重要的組成部分。所有制作好的三維模型都需要渲染引擎才能將模型、動畫、材質(zhì)、燈光等效果實時計算并顯示出來，優(yōu)質(zhì)的渲染引擎能夠帶來高質(zhì)量的輸出效果。

（2）VR項目測試與分析。無論是VR實時渲染效率，還是用戶在使用過程中會出現(xiàn)的眩暈和疲勞，都證明了項目優(yōu)化和測試的重要性，具體分為如下內(nèi)容：

第一，VR環(huán)境測試。VR環(huán)境中的建筑或其他模型比例與現(xiàn)實世界應為1﹕1，不合適的比例會造成長時間使用者的眩暈或其他不適癥狀。同時，我們應密切關注Draw Call（在Unity中，每次引擎準備數(shù)據(jù)并通知GPU的過程稱為一次Draw Call）數(shù)量，因為每幀的Draw Call次數(shù)是一項非常重要的性能指標，要盡量減少場景中材質(zhì)的使用數(shù)量，最大限度地進行材質(zhì)共享，對于僅紋理不同的材質(zhì)可以把紋理組合到一張更大的紋理中（即Texture Atlasing）。我們可以通過將靜止物體標記為Static等多種方式，配合限制貼圖尺寸，提高模型、材質(zhì)、貼圖的復用率，控制物件、特效數(shù)量及UI相關資源數(shù)量等手段，結(jié)合場景設計特點，制定相應方案達到控制內(nèi)存、優(yōu)化場景的目的。在完成以上步驟后需進行多次的環(huán)境測試。

第二，VR設備調(diào)試。 VR、AR以及將其融合起來的“混合現(xiàn)實”（Mixed Reality），是繼PC轉(zhuǎn)向移動互聯(lián)網(wǎng)之后，計算機領域即將迎來的新模式。以虛擬現(xiàn)實巨頭Oculus為例，該公司所提供的頭顯設備新頭顯擁有強大的三維繪圖和追蹤能力，能夠在毫秒級精確追蹤用戶在無限定的三維空間內(nèi)所處位置。這些設備技術的不斷創(chuàng)新對VR項目的視覺呈現(xiàn)起到了極大的推動作用，根據(jù)場景運動軌跡設置、場景空間構(gòu)造等，也就有了更多設備參與的可能性。

第三，GPU渲染線程分析。利用GPU分析工具，可以快速檢測VR項目多個通道中的GPU性能消耗程度，通過生成的Profile數(shù)據(jù)進行GPU分析。通過著色器復雜度模式，可以利用紅色、綠色和半透明效果表現(xiàn)出性能消耗高低和性能消耗增加的情況;通過光照復雜度模式利用黑色（沒有動態(tài)光源）和其他顏色表示場景動態(tài)光源情況;通過光照貼圖密度模式可以了解場景中光源的分布情況。一般在遇到GPU瓶頸時，可以考慮更改分辨率的手段，降低的分辨率會大大提高幀數(shù)，同時也需要考慮到的是模型的面數(shù)太多或像素著色器等問題。

第四，CPU邏輯線程分析。在CPU邏輯線程分析的過程中，如果出現(xiàn)Draw Call過多的現(xiàn)象，可以適當減少Actor數(shù)量，盡量做到材質(zhì)合并和場景燈光整理，避免過多動態(tài)燈光數(shù)量。

第五，項目測試。在完成以上測試環(huán)節(jié)后進行項目整體測試。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術作為新興的科學技術，涵蓋廣泛的應用領域和多學科的技術知識，具有廣闊的發(fā)展前景。為實現(xiàn)更大的指數(shù)級增長，其開發(fā)者需求數(shù)量也會不斷增加，找到VR技術與建筑動畫領域的結(jié)合點，實現(xiàn)“技術”與“藝術”的融合。通過剖析現(xiàn)有的建筑動畫專業(yè)課程模塊和實踐教學體系，推進軟件教學模式改革，形成以培養(yǎng)“應用型、復合型、技能型”人才為目標的培養(yǎng)模式，才能促進該行業(yè)的更快發(fā)展。

參考文獻：

[1] 王凡，段潔淳.虛擬現(xiàn)實技術中的沉浸感研究[J].智庫論壇，2018（16）：131.

[2] 杜宇.虛擬現(xiàn)實技術對建筑動畫的可行性應用[J].成功（教育），2011（18）：5-6.

[3] 孫冬，王超.虛擬現(xiàn)實技術在商業(yè)及建筑動畫設計中的應用[J].設計，2017（5）：24-25.

[4] 王星博，祝鑫.新媒體環(huán)境下VR技術在建筑動畫中的應用研究[J].西部皮革，2018（8）：149.

[5] 戰(zhàn)冠紅.虛擬引擎技術在建筑文化遺產(chǎn)模型可視化的應用研究[J].福建茶葉，2019（5）：67.

[6] 胡小玲.基于VR技術的建筑設計可視化應用研究[J].河池學院學報，2019（4）：92-93.

作者簡介：袁夢琦（1991—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，江蘇建筑職業(yè)技術學院藝術設計學院建筑動畫與模型制作專業(yè)教師，研究方向：建筑動畫與模型制作。