西安財經(jīng)大學(xué) 中國（西安）絲綢之路研究院 賈辰凌

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)因其突出的沉浸性、交互性等特征，在可視化、數(shù)字孿生等領(lǐng)域有著重要作用。基于3Ds Max建模、Unity 3D VR交互等關(guān)鍵技術(shù)，提出了建筑室內(nèi)場景可視化與交互的完整方案，設(shè)計并實現(xiàn)了一套室內(nèi)VR場景漫游及交互系統(tǒng)。針對某實際住宅區(qū)多戶型數(shù)據(jù)，建立多樣虛擬環(huán)境，實現(xiàn)雙眼沉浸全視角漫游、瞬移、開關(guān)燈具、隔空抓取等場景互動。測試表明：系統(tǒng)渲染美觀，交互舒適，可運行于商業(yè)VR頭盔套件以及配備了鏡架的手機端，具備較強臨場感和體驗性。為低成本、沉浸式、時空靈活地進(jìn)行場館建筑展示，以及智慧城市的數(shù)字化構(gòu)建提供了可行思路和技術(shù)參考。

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)融合了計算機圖形學(xué)、人機交互、可視化、光電傳感等學(xué)科和技術(shù)，具備沉浸感、交互性、想象力等特征[1]。借助頭盔式雙眼顯示器，手持或穿戴體感設(shè)備，可實現(xiàn)實時成像的三維沉浸式視角，并通過傳感數(shù)據(jù)建立自身與場景內(nèi)虛擬角色的體感映射，實現(xiàn)多通道人機交互體驗。

近兩年，VR技術(shù)逐步從系統(tǒng)化探索階段進(jìn)入了高度沉浸且價格較合理的市場化應(yīng)用階段。成為可視化、數(shù)字孿生等研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[2]，并在行業(yè)管理、教學(xué)仿真、醫(yī)療、文化等領(lǐng)域發(fā)展迅速[3-5]，取得了較大的關(guān)注和良好的社會經(jīng)濟效應(yīng)。

在城市設(shè)施、建筑、景觀與場館的規(guī)劃和展示領(lǐng)域，VR技術(shù)能夠增強設(shè)計方案的前瞻性與互動性、豐富仿真層次和展示內(nèi)容，為可行性、合理性、設(shè)計優(yōu)化和保護(hù)方案等提供決策支持[6,7]；同時拓寬了展示渠道和靈活性，有著廣闊的發(fā)展空間。

以地產(chǎn)行業(yè)為例，智慧城市構(gòu)建需要智慧地產(chǎn)升級[8,9]，但傳統(tǒng)地產(chǎn)宣傳銷售過程存在著資料平面化、程序灌輸性強、實體看房成本高、時空靈活性差等問題，在房屋信息展示和客戶自主體驗方面存在較大提升空間。傳統(tǒng)手段客戶借助建筑房屋的宣傳文字、照片或視頻等平面化材料在腦海中構(gòu)想房屋情況，難以獲得沉浸、直觀的游覽體驗，且被動接受經(jīng)過篩選的信息，不利于對房屋環(huán)境進(jìn)行自主、全面的深入了解。同時，銷售商提供實體樓盤樣板房裝修及家具陳設(shè)均需投入部分金錢和工期成本，一旦完成其裝潢和家具便難以靈活更換，不利于進(jìn)行差異化和針對性宣傳。而客戶對實體樣板房的查看需要合理安排時間、差旅、費用、精力等復(fù)雜因素，可能出現(xiàn)實體房屋預(yù)約困難、看房時間短暫、次數(shù)不足，甚至實體樣板房尚未建成等問題。在這種情況下想要更深入全面地了解房屋就需要耗費更多的個人財力、時間和精力。若能提供足不出戶、頻次和時長安排自由、成本低廉且自主感受良好的瀏覽體驗，則有助于降低雙方接洽成本，提高交流效率。

數(shù)字經(jīng)濟時代，各類虛擬資源已成為人們生活的重要組成部分，特別是在疫情防控期間因其特殊環(huán)境也影響了人們的出行頻率與距離，因而拓展時空更為靈活的數(shù)字化宣傳手段對于地產(chǎn)銷售，以及其他城市建筑和場館展示來說，是十分必要的。

鑒于上述技術(shù)應(yīng)用背景和行業(yè)發(fā)展需求，本文對虛擬現(xiàn)實建筑可視化方案與技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行了研究。針對某實際住宅小區(qū)的15套不同戶型數(shù)據(jù)，通過3Ds Max建模、Unity 3D引擎及VR交互編程等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一套三維虛擬現(xiàn)實室內(nèi)漫游、交互系統(tǒng)。通過使用系統(tǒng)，用戶只需極小空間和低廉成本、便可遠(yuǎn)距離、多場地、時間靈活地進(jìn)行三維寫實場景的雙眼視覺與立體感知，提高了對房屋環(huán)境的直觀感受；同時漫游、瞬移、開關(guān)觸發(fā)和拾取等交互功能設(shè)計也增強了用戶對虛擬環(huán)境自主探索的能力和體驗；虛擬環(huán)境可實現(xiàn)不同室內(nèi)裝修風(fēng)格主題的切換配置，進(jìn)一步提高房屋使用情況的預(yù)見性，有助于用戶結(jié)合戶型進(jìn)行房屋裝修決策。

1 設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)使用的3D模型由3Ds Max、Photoshop等完成。VR 3D場景和交互業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)主要使用Unity 3D引擎完成，編程語言為C#。與基于傳統(tǒng)VRML語言的Web虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比，基于3D建模和Unity引擎的VR系統(tǒng)開發(fā)效率更高，渲染效果更好，且實現(xiàn)了從屏幕網(wǎng)頁、鍵鼠交互方式到頭盔式雙眼顯示、穿戴式體感設(shè)備交互的轉(zhuǎn)變[10]，增強了沉浸感。

系統(tǒng)可分為虛擬場景數(shù)據(jù)層、交互業(yè)務(wù)層、界面表示層三個層次。如圖1所示，對原始場景數(shù)據(jù)進(jìn)行實時運算，產(chǎn)生相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境；通過VR人機接口溝通計算機業(yè)務(wù)邏輯與用戶任務(wù)數(shù)據(jù)，完成3D位置與角度跟蹤、立體視覺圖形生成、立體聲，事件觸發(fā)與處理等交互功能，并在表示層對用戶進(jìn)行反饋。

圖1 VR交互系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Architecture of VR indoor interactive system

如圖2所示，系統(tǒng)的主要功能模塊可分VR場景展示以及場景內(nèi)交互兩大模塊。

圖2 VR交互系統(tǒng)功能模塊設(shè)計Fig.2 Function module of VR indoor interactive system

系統(tǒng)運行時，應(yīng)當(dāng)滿足用戶對于房屋內(nèi)戶型、陳設(shè)等進(jìn)行全景觀察的功能需求，當(dāng)觀察視角或觀察位置發(fā)生變化時，視圖畫面應(yīng)當(dāng)實時變化。系統(tǒng)完成寫實場景風(fēng)格，可在不同家具風(fēng)格、不同戶型場景之間進(jìn)行切換。同時，用戶可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行一些互動，包括虛擬空間內(nèi)位置連續(xù)移動即漫游、消除眩暈感的空間瞬移；以及通過事件觸發(fā)完成與家具模型的互動如燈具打開關(guān)閉、隔空抓取、自動開門關(guān)門等。

1.2 開發(fā)流程

將軟件工程一般性原理與VR漫游系統(tǒng)實際情況相結(jié)合，可得到系統(tǒng)的基本開發(fā)流程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程Fig.3 Implementation process of VR indoor interactive system

需求分析階段，明確核心功能模塊，取得系統(tǒng)涉及的詳細(xì)房屋介紹和CAD圖紙等原始數(shù)據(jù)。根據(jù)房屋原始數(shù)據(jù)進(jìn)行VR場景制作，主要包含：室內(nèi)家具3D模型建立；對應(yīng)戶型的房屋主體3D場景搭建；以及填充家具后室內(nèi)場景的整體渲染和風(fēng)格化。場景搭建完成后，進(jìn)行系統(tǒng)交互功能開發(fā)，主要包含：頭盔顯示器、手柄控制器的數(shù)據(jù)獲取及硬件行為與系統(tǒng)功能的映射，用以實時進(jìn)行頭手定位，觀察視角判斷，實現(xiàn)虛擬移動，碰撞檢測和模型事件觸發(fā)功能。封裝生成的成品軟件適用于HTC VIVE Focus VR一體機（包含頭盔式顯示器和手柄控制器等組件）。同時，也可供安卓手機端通過VR眼鏡架進(jìn)行體驗使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1 3Ds Max家具建模與貼圖

結(jié)合常見家裝風(fēng)格實例和用戶需求，家具模型制作的核心過程包含白模及UV貼圖制作兩個階段。白模制作遵循多邊形建模原理，使用點、線、面為基本編輯元素。UV貼圖描述了3D模型的外部視覺表示（如固有色）在2D平面的映射。針對規(guī)則幾何體模型，可直接通過UVW變換等指令設(shè)置貼圖位置和白模的映射關(guān)系。針對復(fù)雜或不規(guī)則的家具模型，如曲面床枕沙發(fā)，則需要進(jìn)行更細(xì)致的模型UV展開工作。

為寫實化場景，需要制作兩類貼圖。第一類反映了模型對象自身屬性，如漫反射、法線貼圖等。第二類與第一類的貼圖通道ID應(yīng)不同，可在新通道中，重新創(chuàng)建一套UV展開關(guān)系，用于計算模型烘焙后得到的環(huán)境光光照貼圖（OA貼圖）。展開時，同一模型相鄰面的UV應(yīng)盡量保持相連，且整體外邊緣應(yīng)是矩形或盡量接近矩形。避免出現(xiàn)復(fù)雜UV邊緣，以免低分辨率下烘焙出的光照貼圖呈馬賽克樣，清晰度不足。

模型制作完成后，可導(dǎo)出.fbx格式文件，以供后續(xù)導(dǎo)入Unity工程中使用。

2.2 戶型復(fù)現(xiàn)與渲染

在Unity工程中，按照戶型數(shù)據(jù)進(jìn)行戶型整體環(huán)境的復(fù)現(xiàn)，包括地板及墻體地寫實創(chuàng)建。借助Pro Builder插件可完成戶型模型制作和紋理映射。

虛擬戶型場景完成后，需進(jìn)行室內(nèi)場景布置和渲染工作。場景布置主要是家具擺設(shè)、門窗等的放置并對模型碰撞體進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。渲染環(huán)節(jié)是在場景中設(shè)置若干反射球（Reflectionball）與光源（Light）。通過獲取天空盒反射所不能獲取的局部場景光照與材質(zhì)信息細(xì)節(jié)，可計算出（RenderProbe()）模型局部光照的反射影像，增強渲染的真實感?？蓪Ψ瓷淝蛱结槒姸取⒎秶?、刷新模式、HDR等屬性進(jìn)行設(shè)置。場景內(nèi)光源設(shè)置包括點光源與區(qū)域光光源，點光源用于模擬屋內(nèi)吊燈及臺燈燈光，區(qū)域光設(shè)置在房間大扇窗戶處，用于模擬窗外自然光。渲染后場景表現(xiàn)會更加真實。

2.3 VR交互設(shè)計

將建模和渲染軟件生成的3D虛擬場景進(jìn)行“VR化”，即轉(zhuǎn)化為與VR頭盔等設(shè)備互聯(lián)的VR虛擬場景，并針對位置角度設(shè)定、碰撞檢測、事件觸發(fā)等邏輯進(jìn)行代碼實現(xiàn)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)雙眼立體視覺，以及虛擬角色與虛擬場景的多種交互活動。

2.3.1 手柄控制器

通過工程WVR_CONTROLLER組件上掛載的手柄連接（Connection State Reactor）和姿勢跟蹤（Pose Tracker）腳本，可實現(xiàn)對手柄控制器上各實體按鍵傳感數(shù)據(jù)的實時監(jiān)聽和獲取。其子組件Finch_Controller內(nèi)包含TouchPad、Trigger、HomeButton等多個模型組件，是手柄控制器上圓形觸控板、扳機、主屏鍵等實體按鍵的虛擬映射。在其上編寫Controller腳本，用于定義不同手柄按鍵的不同行為，如TouchPad的按下響應(yīng)、抬起響應(yīng)、觸摸響應(yīng)等。子組件Beam用于模擬虛擬場景中從手柄頂端沿手柄角度發(fā)射的一道光線，包含射線模型和射線（VR_Beam）腳本，對外觀、顯示/隱藏等屬性進(jìn)行設(shè)置。

2.3.2 VR場景互動

通過編輯上述組件腳本，可以完成虛擬角色的漫游、瞬移等環(huán)境互動行為，以及開關(guān)燈具、隔空抓取等模型互動行為。使用了碰撞檢測、觸發(fā)事件、視線與射線檢測等技術(shù)。

漫游指連續(xù)移動功能?？芍苯油ㄟ^用戶實際移動后更新定位傳感數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，亦可設(shè)置手柄按鍵交互的數(shù)據(jù)更新響應(yīng)來實現(xiàn)。系統(tǒng)運行時，讀取虛擬場景模型的圖形數(shù)據(jù)，同時讀取實時定位姿勢數(shù)據(jù)，根據(jù)雙目正視差立體成像原理[11]，生成左、右眼分別對應(yīng)的單眼畫面，在人腦中合成立體視覺。

瞬移即指定位置水平傳送功能，能夠有效避免連續(xù)移動過程中可能產(chǎn)生的眩暈感。在虛擬場景中，將手柄射線與檢測層進(jìn)行碰撞檢測，當(dāng)觸摸板按鍵抬起時，通過向量差計算位移向量；隨后將位置數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，從而實現(xiàn)瞬間移動功能。關(guān)鍵代碼如下：

可將觸發(fā)事件腳本綁定至模型上，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時，進(jìn)行響應(yīng)。以電燈開關(guān)的打開事件為例，移動虛擬手柄進(jìn)入開關(guān)事件的觸發(fā)范圍內(nèi)時，開關(guān)模型將以綠色高亮顯示，若按下手柄扳機鍵，則觸發(fā)開燈操作，關(guān)鍵代碼片段如下：

抓取物體至眼前功能，可方便用戶對一些距離較遠(yuǎn)或位置較高的模型進(jìn)行近距離觀察。通過視線射線（cam.ViewportPointToRay）碰撞檢測，確定視線關(guān)注的家具模型，若模型可被拾?。⊕燧dPickupable腳本），則用綠色渲染，此時若扳機鍵按下，則模型將按照動力學(xué)規(guī)則（isKinematic=true），沿弧線移動至眼前（transform.localPosition=Vector3.Slerp()），并恢復(fù)原顏色，此時激活“可被放下”狀態(tài)參數(shù)（droppable=true）。

此外，還實現(xiàn)了場景切換、開關(guān)門等交互功能。

3 系統(tǒng)運行結(jié)果

針對某實際住宅小區(qū)的15套戶型進(jìn)行3D建模重現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實場景交互構(gòu)建，實現(xiàn)了室內(nèi)沉浸式漫游體驗和場景互動。

以社區(qū)6#6層B-5戶型為例（其余戶型類似），如圖4所示展示的是該戶型Unity工程內(nèi)的三維概覽俯視圖。場景及家具的虛擬尺寸和比例均與施工圖紙或真實家具的數(shù)據(jù)保持一致，故由用戶映射得到的虛擬角色在該虛擬戶型場景中會得到真實的空間尺寸感受。

圖4 工程內(nèi)虛擬場景三維俯視示例Fig.4 3D top view of virtual scene in project

如圖5所示為系統(tǒng)運行的實時圖像，左右屏幕畫面分別對應(yīng)由正視差成像原理計算生成的左、右單眼畫面，分辨率2880×1600，刷新率90Hz。系統(tǒng)運行時，左右單眼畫面合成渲染較好的立體雙眼視覺，并可實現(xiàn)6自由度追蹤頭盔位置、平移、傾斜情況，在進(jìn)行全角度俯仰視角轉(zhuǎn)換和視角位置變化時均可實時計算和更新畫面。

圖5 運行時左、右眼圖像示例Fig.5 Left and right eye images at runtime

用戶可在實際操作過程中，完成沉浸式室內(nèi)場景的全視角立體聲漫游、瞬移、開關(guān)燈具、隔空抓取家具等互動。如圖6所示。亦可根據(jù)不同需求，定制和切換不同室內(nèi)裝潢風(fēng)格。

圖6 互動操作展示(單幅圖均為左眼圖像)Fig.6 Images of interactive operation (each single image belongs to left eye)

4 結(jié)論

數(shù)字經(jīng)濟時代，VR技術(shù)及內(nèi)容研發(fā)已成為企業(yè)挖掘自身特色、行業(yè)進(jìn)行宣傳發(fā)展的前沿需求之一。本文將VR技術(shù)應(yīng)用于建筑室內(nèi)展示，基于3Ds Max建模和Unity引擎開發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套住宅區(qū)樣板間實景VR漫游與交互的軟件系統(tǒng)。針對某實際住宅區(qū)多套戶型進(jìn)行3D建模重現(xiàn)，實現(xiàn)不同風(fēng)格的室內(nèi)裝潢和部分場景互動。該軟件適配HTC VIVE Focus套件組。能夠真實反映房屋室結(jié)構(gòu)與裝潢，帶給用戶便攜且沉浸的立體感知和居住體驗。從而幫助地產(chǎn)銷售方和客戶在樓房銷售過程中降低成本、高效交流和合理決策，達(dá)到共贏局面。并為其他建筑、場館展示業(yè)務(wù)提供了可行思路和技術(shù)參考。

引用

[1] SLATER M,SANCHEZ-VIVES M V.Enhancing Our Lives with Immersive Virtual Reality[J].Frontiers in Robotics and AI,2016(3):74.

[2] 李其銳.淺談數(shù)字孿生工廠的工藝流程三維模擬技術(shù)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2020,38(3):73-74.

[3] 牛坤,劉晅亞,陶鵬宇,等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的消防救援模擬演練系統(tǒng)[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021,40(11):1639-1643.

[4] SINGH R P,JAVAID M,KATARIA R,et al.Significant Applications of Virtual Reality for COVID-19Pandemic[J].Diabetes & Metabolic Syndrome:Clinical Research&Revie ws,2020,14(4):661-664.

[5] 姚孺婧.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智慧博物館中的運用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2021,39(5):40-42.

[6] 李暢,王慧.虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的城市景觀仿真系統(tǒng)建構(gòu)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2020,43(20):175-178.

[7] 康皓銘,盧桂萍,譚勝.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的唐家灣古建筑保護(hù)與開發(fā)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2018,36(9):74-75.

[8] 張馨文,張春曉.虛擬地理環(huán)境在智慧城市中的研究與應(yīng)用[J].測繪通報,2020(5):11-15+30.

[9] 楊慧,鄒琳華.智慧城市時代的智慧房地產(chǎn)發(fā)展研究[J].中國房地產(chǎn),2021(12):27-34.

[10] 李雙營.基于VRML及B/S結(jié)構(gòu)的交互式建筑空間虛擬系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2021,44(4):75-78.

[11] 譚力恒,馬強,蔣秉川,等.面向頭盔式虛擬現(xiàn)實的OsgEarth立體視覺生成方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2019,31(7):1290-1299.