朱玲英，楊 輝通信作者)

（惠州學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

本文力圖把光固化3D打印技術(shù)與3D mapping沉浸式技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合并應(yīng)用在建筑沙盤設(shè)計制作中，通過設(shè)計盡量給參與者提供完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬世界之中的感覺，以解決客戶由于資金不足，空間有限等原因而不能提供用戶參觀建筑沙盤模型的問題。目前，建筑沙盤行業(yè)缺少相關(guān)技術(shù)支持，市場上在持續(xù)開發(fā)和應(yīng)用方面遭遇諸多困境。本文試圖在沉浸式建筑沙盤設(shè)計和應(yīng)用方面提出可行性方案和策略。

1 沉浸式相關(guān)技術(shù)技術(shù)分析

3D mapping的核心技術(shù)是基于三維模型展UV或透視投射原理來產(chǎn)生影像內(nèi)容，并通過投影實(shí)時反算的方式將內(nèi)容mapping到真實(shí)模型的技術(shù)。與普通的投影不同，3D mapping的原理是使用工程投影機(jī)將畫面投影在特定物體上，不僅僅投影在普通平面上，其投影的畫面需要與被投影的物體產(chǎn)生互動，所以畫面要與被投影物體進(jìn)行精確的矯正。對于一些移動的物體，則需要更復(fù)雜的動作捕捉系統(tǒng)，高速捕捉物體的運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)時調(diào)整投影畫面。借助hecoos studio系統(tǒng)中的投影反算和投影仿真功能來實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)與3D mapping技術(shù)的高效融合，從而更大效率地縮短沉浸式建筑沙盤的制作周期，提高提案的成功率和現(xiàn)場的執(zhí)行率。

圖1 沉浸式建筑沙盤模型制作流程

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

1.1.1 節(jié)約時間，方便修改

與傳統(tǒng)建筑沙盤相比，沉浸式建筑沙盤利用3D打印技術(shù)、3D mapping技術(shù)等規(guī)避了制作程序繁復(fù)、周期長、精度低等缺點(diǎn)，實(shí)體建筑沙盤只需要根據(jù)客戶的需求進(jìn)行3D max建模，再通過成型速度快的3D打印技術(shù)便可以實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的上色技術(shù)則使用更加靈活的投影融合技術(shù)代替，解決了上色慢、雕刻精度低等問題。

1.1.2 空間需求小，模型造價相對較低

傳統(tǒng)建筑沙盤通常都較為龐大，造價也相對較高，而沉浸式建筑沙盤具有面積小、造價低的優(yōu)勢。一個完整的建筑沙盤模型，結(jié)合投影融合技術(shù)，最小只需要20平方米的空間，便可以展示全部效果，大大減少了人工成本和打印成本，從而降低了造價，可以較好地解決傳統(tǒng)建筑沙盤面積大、造價高的問題。

1.1.3 沉浸感受性強(qiáng)，表達(dá)有效直觀

沉浸式建筑沙盤不僅可以簡潔有效地表達(dá)出建筑群、交通組織、景觀布置等場景，讓參觀者一眼便能讀懂沙盤所表達(dá)的主要內(nèi)容，還可以讓參觀者具有可操作感，通過對投影的操作實(shí)現(xiàn)投影的變換，使打印出的沙盤呈現(xiàn)不一樣的整體效果，擁有不同的視覺感受，同時也滿足設(shè)計者表達(dá)不同內(nèi)容的需求。

1.2 產(chǎn)品制作及教學(xué)效果

1.2.1 3D模型建模

3D模型是沙盤的基底，后續(xù)的步驟都要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行。因此，在教學(xué)中需要根據(jù)預(yù)想的設(shè)計效果，對所表達(dá)建筑及其場地進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，在將建筑的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、縮放比例、細(xì)節(jié)取舍等確認(rèn)無誤后，使用3D max軟件建模（圖2、圖3）。沙盤地形根據(jù)地形圖場地的等高線，按照逐線抬高的操作，將場地的高低起伏情況表達(dá)完整。建筑根據(jù)平面圖、立面圖、剖面圖等技術(shù)圖紙，將建筑按照墻、結(jié)構(gòu)、樓板等組件分組建模組合。

1.2.2 動畫效果設(shè)計

對于建筑模型的動畫設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生將所建的建筑模型運(yùn)用Adobe Premiere軟件渲染。把模型中的建筑、場地的日景和夜景切換、場地的交通流線、綠化分布、水體分析功能分區(qū)、建筑設(shè)備分析、建筑材料展示等場景渲染出來，這樣可以讓用戶進(jìn)一步了解場地環(huán)境，多種樣式的動畫效果也可以給參觀者帶來更好的沉浸感。

1.2.3 3D打印模型

要進(jìn)行快速成型的光固化3D打印，就必須要對3D max建模（圖2、圖3）進(jìn)行切片。首先將所建模型輸出為3D打印機(jī)切片軟件可識別的stl格式，然后通過切片軟件對模型切片后，變成為3D打印機(jī)控制臺可識別的格式，最后通過使用光固化3D打印機(jī)完成打印。如果所建模型出現(xiàn)穿模、重合、虛體等情況。3D打印機(jī)的切片軟件則默認(rèn)這些缺點(diǎn)是有效的，這樣切片出來的模型，如果直接打印則有可能出現(xiàn)缺角、缺邊、缺面等情況，因此在模型教學(xué)過程中如何引導(dǎo)學(xué)生完成建筑形體的整體設(shè)計和細(xì)節(jié)處理尤其重要。最后，使用上海普利生機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的SLA專用型光敏樹脂RP600-H001，寧波高新區(qū)方元三維科技有限公司研發(fā)的工業(yè)級光固化樹脂3D打印機(jī)（HT600S）執(zhí)行建筑模型打?。▓D4、圖5）。首先，根據(jù)前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析并得出能夠滿足光敏樹脂基本成型要求的工藝參數(shù)范圍如表1所示；接著再通過控制變量法分析得出在相同條件下能夠使SLA成型件質(zhì)量理想的數(shù)個工藝參數(shù)值；然后通過綜合平衡法原則得出最優(yōu)的成型工藝參數(shù)組合并進(jìn)行SLA 成型打印實(shí)驗(yàn)[1]。

圖2 惠州學(xué)院3D max模型

圖4 模型切片

表1 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)范圍表

1.2.4 動畫模型的生成

借助hecoos studio系統(tǒng)中的投影反算和投影仿真功能來實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)與3D mapping技術(shù)的有機(jī)融合，再結(jié)合通信和互動技術(shù)的展示手法，包括聲、光、電和互動投影等的應(yīng)用，創(chuàng)造出一種能讓參觀者身臨其境的沉浸式建筑沙盤（圖8）。

圖8 “惠州學(xué)院沉浸式沙盤模型”效果圖

2 建筑模型的制作及討論

2.1 建筑沙盤模型的教學(xué)效果

在3D打印的建筑沙盤模型教學(xué)中，必須要結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況，就如何提高學(xué)生建模技巧和制作水平提出相應(yīng)的方法和策略，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印和建筑技術(shù)的興趣，培養(yǎng)其主觀能動性與自主學(xué)習(xí)能力。

（1）用3D max軟件制作惠州學(xué)院電子3D模型。

圖3 旭日樓3D max模型

圖5 3D打印模型

（2）將3D max模型導(dǎo)入3D光敏樹脂打印機(jī)模型轉(zhuǎn)換軟件，用光固化3D光敏樹脂打印機(jī)制作惠州學(xué)院沙盤模型。

（3）設(shè)計3D mapping畫面、制作3D mapping動畫。

（4）對3D mapping設(shè)備和3D光敏樹脂打印沙盤進(jìn)行定位安裝，組合成“惠州學(xué)院沉浸式沙盤模型”。

2.2 制約建筑沙盤模型教學(xué)效果的因素

此次3D打印建筑模型課同時面對2個班共80人上課，對教學(xué)手段、方法、課堂組織、實(shí)驗(yàn)安排等方面都提出了新的挑戰(zhàn)。通過學(xué)生討論、課堂模型制作、實(shí)驗(yàn)材料配方與學(xué)生信息員的反饋表明，3D課堂教學(xué)中的難點(diǎn)：一是學(xué)生的學(xué)習(xí)思維過于傳統(tǒng)，設(shè)計觀念陳舊。針對人數(shù)多，3D打印機(jī)數(shù)量少的特點(diǎn)，這次的3D打印教學(xué)主要采取團(tuán)對式的學(xué)習(xí)模式，事先把學(xué)生分成4人小組。由于這方面缺乏系統(tǒng)訓(xùn)練，除了少數(shù)組同學(xué)思維比較活躍，草圖畫得比較快、多、好之外，絕大倒數(shù)學(xué)生都是草草了事，體現(xiàn)出平時基礎(chǔ)知識不扎實(shí)、設(shè)計思維不活躍，動手能力比較差等問題。二是模型制作能力弱，設(shè)計形態(tài)不美觀。3D打印設(shè)備是使用3D max軟件制作模型，對軟件操作和模型的制作精度有比較高的要求。然而，在設(shè)計制作模型過程中，部分學(xué)生不會使用3D max軟件，只能使用平時掌握的SketchUp軟件，這種軟件隨意性比較強(qiáng)，但制作精度不高，學(xué)生制作的不少模型在打印前切片處理中出現(xiàn)模型缺邊、缺角甚至缺失大部分面而無法執(zhí)行打印的問題。三是學(xué)習(xí)習(xí)慣被動、處理問題機(jī)械。部分同學(xué)學(xué)習(xí)比較散漫，臨到交作業(yè)是才想起學(xué)習(xí)任務(wù)沒有完成；部分同學(xué)學(xué)習(xí)中不主動思考問題，在打印模型過程中遇到問題時缺乏概括、分析、提煉、歸納和總結(jié)的基本能力和技巧等。

3 存在的問題及對策

3.1 現(xiàn)存問題

（1）相關(guān)技術(shù)缺乏。因沉浸式建筑沙盤對硬、軟、聲光技術(shù)等要求較高，目前擁有這方面知識產(chǎn)權(quán)企業(yè)較少，國內(nèi)能找到的很好融合聲、光、電的相關(guān)案例并不多，導(dǎo)致研發(fā)思路局限，做出來的成品優(yōu)劣難以評判。

（2）3D打印機(jī)本身在打印材料供給、送料、噴頭打印及切片軟件的程序設(shè)計等方面存在諸多潛在問題，導(dǎo)致打印材料耗盡再重新加料時會出現(xiàn)凝結(jié)，時間不同所形成的打印構(gòu)件存在分層或斷層的問題。

（3）3D mapping技術(shù)包括展示對象、投影機(jī)、高級仿真圖形計算集群，以及相關(guān)輔助配件等組成，是集成了硬件平臺以及專業(yè)顯示設(shè)備的綜合可視化復(fù)雜系統(tǒng)工程，目前在國內(nèi)還只是概念階段，實(shí)際應(yīng)用比較少，普及和應(yīng)用還需相當(dāng)長的時間。

3.2 提高3D打印建筑沙盤教學(xué)效果的對策

一是教學(xué)方法應(yīng)向“以知識運(yùn)用為本”轉(zhuǎn)變。在教學(xué)中不能將知識和運(yùn)用割裂開來，只滿足于相關(guān)知識的傳授和學(xué)習(xí)，這樣只能使學(xué)生“臨淵羨魚”。二是教學(xué)思維應(yīng)呈多向的開放型。設(shè)計教學(xué)的目的是為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展培養(yǎng)人才。特別是在以信息化、數(shù)據(jù)化為基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟(jì)時代，建筑模型教育更應(yīng)面向社會需要，以多層次開放式的教學(xué)思維培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。三是教學(xué)手段應(yīng)向“線上線下”轉(zhuǎn)變。在手機(jī)智能化、數(shù)據(jù)信息開放化的時代，老師不僅要設(shè)法創(chuàng)造出高效、活潑的教學(xué)環(huán)境，使教與學(xué)雙方始終處于活化“狀態(tài)”，還要與學(xué)生一起創(chuàng)造融真實(shí)性、知識性、趣味性于一體的學(xué)習(xí)環(huán)境，使老師教得開心，學(xué)生學(xué)得有趣。四是教學(xué)視野應(yīng)向“跨學(xué)科化”轉(zhuǎn)變。3D打印建筑沙盤學(xué)習(xí)的目的在于運(yùn)用。沉浸式建筑沙盤模型呈現(xiàn)給人們的不僅僅是信息的傳遞，而是關(guān)系的建立和維持，進(jìn)而引起消費(fèi)者的欲望。這就要求不斷地對學(xué)生進(jìn)行模型設(shè)計技能、設(shè)計思維及設(shè)計形態(tài)的多維度訓(xùn)練，以培養(yǎng)跨學(xué)科的應(yīng)用能力。只有把設(shè)計思維、設(shè)計形態(tài)、技能技巧和文化素養(yǎng)融合為一體，才能使沉浸式建筑沙盤模型教學(xué)成為一個完整的過程。

4 結(jié)束語

通過沉浸式建筑沙盤設(shè)計制作創(chuàng)造出的沉浸式體驗(yàn)可以讓學(xué)生去接觸、感受，讓枯燥的課堂變得更加生動有趣，發(fā)展視覺空間智能，發(fā)揮想象創(chuàng)造出極具個性的東西，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的想像力和創(chuàng)造能力?！?/p>