吳小瑩

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特點，在建筑可視化領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。本文以保護歷史古建筑群為目的，介紹了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的項目完整的開發(fā)過程。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

虛擬漫游系統(tǒng)最終呈現(xiàn)的趨于真實性體驗感與虛擬引擎技術(shù)有著直接關(guān)聯(lián)。綜合考慮本項目的實際情況，本文提出以Adobe Photoshop、Mind Tex 2、CAD、3DS MAX 和Unreal Engine 4（以下簡稱“UE4”） 等為技術(shù)支持平臺的古建筑VR 漫游系統(tǒng)的開發(fā)方法，能夠在PC 端實現(xiàn)逼真視覺的古建筑漫游效果。該方法的總體設(shè)計流程見圖1。

圖1 古建筑VR 漫游系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2 系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

此項目的開發(fā)過程包括前期數(shù)據(jù)采集、三維建模、模型優(yōu)化、貼圖制作、UV 制作、烘焙、UE4場景搭建、交互設(shè)計等環(huán)節(jié)。

2.1 前期數(shù)據(jù)采集

在構(gòu)建虛擬模型之前，首先需要采集與處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對古建筑場景進行實地拍攝和勘測，收集建筑場景地形圖以及建筑物設(shè)計圖、外形結(jié)構(gòu)圖和實景照片等。前期數(shù)據(jù)采集的實地取景拍攝特別重要，拍攝照片應(yīng)注意角度、光線、陰影等問題。同一個場景，在不同的時間段拍攝，拍攝角度不同，照片的曝光度、色溫、白平衡等會有較大差異，所以盡量在光線充足的時段取景，特別要注意避免逆光拍攝，以保證照片的質(zhì)量能滿足后期建模與制作材質(zhì)貼圖的需要。這些實地取景的照片主要有兩大作用：一是原始照片可作為后期建模的參照物；二是經(jīng)過平面軟件后期處理的實地取景拍攝照片可用來制作模型的UV 貼圖。

2.2 三維模型創(chuàng)建

考慮到古建筑模型后期渲染輸出和操作過程中的便捷性，一般在計算機中需要將數(shù)據(jù)進行壓縮優(yōu)化，例如現(xiàn)實中高1 m 的物體可按10∶1 的比例進行壓縮，即可轉(zhuǎn)換為10 cm。所以根據(jù)前期采集的建筑地形和建筑物的整體結(jié)構(gòu)和大小等數(shù)據(jù)，參照1∶500 的比例先在CAD 上繪制、調(diào)整古建筑場景地形二維圖紙和建筑物頂、底、正、后、左、右各視角的二維剖面圖紙。本系統(tǒng)制作過程中主要使用3DS MAX 制作三維虛擬場景，其中包括古建筑群的地形、路面、植被、古建筑物等模型。為了提高三維模型的制作效率，各部分模型需分開創(chuàng)建。地形的三維模型的制作是先將之前在CAD 中處理好的1∶500地形圖（DWG 格式） 直接導(dǎo)入到3DS MAX軟件中，底圖導(dǎo)入時必須要保證其平面圖的坐標在3DS MAX 的設(shè)置為坐標原點（即世界坐標歸零），為了防止在后期模型制作過程中不小心移動底圖，世界坐標歸零后立即凍結(jié)底圖，然后通過擠出修改器生成高低起伏的地形模型。古建筑物的模型制作也是采用類似的方法，將建筑物的CAD 截面圖導(dǎo)入到3DS MAX 軟件中作為三維建模的參考依據(jù)。當所有模型使用上述制作流程全部創(chuàng)建完成后，可根據(jù)地形平面圖的布局，將樹木、植被、各建筑物等模型合并起來。

2.3 模型優(yōu)化

古建筑場景模型通常存在大量多邊形網(wǎng)格，面數(shù)眾多且不規(guī)則，若直接導(dǎo)入虛擬引擎中將帶來不必要的性能損耗。為了保證后期虛擬引擎運行流暢，一般會使用低面數(shù)的模型（低模） 結(jié)合法線貼圖的形式來呈現(xiàn)細節(jié)相對豐富的古建筑模型。

使用3DS MAX 軟件構(gòu)建的模型的主體包括精細模型（精模）、中等復(fù)雜度模型（中模） 和體塊模型（低模）。其中，精模是指能夠全面展示古建筑物結(jié)構(gòu)和細節(jié)（內(nèi)部構(gòu)造、門窗造型、雕塑裝飾等） 的高復(fù)雜度、高精度的模型。中模是在不影響古建筑物的真實結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，盡量忽略部分結(jié)構(gòu)細節(jié)，著重還原古建筑物的幾何實體結(jié)構(gòu)特點的一種模型制作方式，主要用于制作道路兩旁的主建筑模型，要求能大致反映出建筑物的整體結(jié)構(gòu)和輪廓特征。低模是在保證古建筑模型的整體性和全面性的基礎(chǔ)上，完全忽略古建筑物的細部結(jié)構(gòu)，只為突出古建筑物的輪廓和結(jié)構(gòu)大體感覺的一種模型制作方式，主要用于制作非臨街、非重點建筑物的成片建筑區(qū)域。

根據(jù)VR 漫游系統(tǒng)的設(shè)計與功能需求，本系統(tǒng)中涉及的所有虛擬三維模型的主體基本由優(yōu)化過的中模和低模組成。因此，在不影響虛擬場景逼真性效果呈現(xiàn)的基礎(chǔ)上，盡可能減少面數(shù)，對場景中的模型進行優(yōu)化，具體方法如下。

1） 清理場景中不需要的元素。在3DS MAX 中分別執(zhí)行Unhide All 和Unfreeze All 命令，并對場景中的所有物體進行解除組合處理，然后刪除所有建模時遺留的CAD 線框、廢棄的樣條線以及場景以外的多余模型。

2） 模型的單面優(yōu)化顯示。目前UE4 支持的模型都是以單面的形式存在，即正面顯示，背面不顯示。例如，在一個封閉的室內(nèi)建筑空間，看到一面墻，但并不需要看到這面墻的背面，所以墻的背面就完全可以刪除，若不刪除，引擎會對墻的背面進行計算，造成不必要的損耗。在3DS MAX 中，每個模型面都有正面和背面的概念，因此，可以在每個物體的屬性選項中設(shè)置背面消隱，以此來減少模型的總面數(shù)。

3） 刪除不可見的冗余線、面。例如，模型底部的面和一些被遮擋的面都可以刪除。同時，針對有規(guī)律布線的模型，可以使用石墨工具，選擇間隔的循環(huán)線段，并依次刪除，這樣也可以達到手動減面的效果。

4） 合并模型中的三角形面。通過刪除線、面或邊的塌陷及合并點等操作，將3 個三角形轉(zhuǎn)化為2 個三角形，再將2 個三角形轉(zhuǎn)化為1 個四邊形，這樣可以減少不明顯影響模型精度的面片數(shù)量。

5） 使用貼圖取代復(fù)雜的模型。在古建筑建模中，一般會使用貼圖加低模的方式來取代復(fù)雜的鏤空裝飾模型和凹凸重復(fù)性大的結(jié)構(gòu)模型（窗戶、大門、瓦片、檐角裝飾等），以精簡面數(shù)，見圖2。

圖2 貼圖前后對比效果

經(jīng)過對UE4 的多次測試，結(jié)合以往的經(jīng)驗，為了盡可能減輕系統(tǒng)的運行負擔，本文建議將單個場景空間的模型面數(shù)控制在100 萬以內(nèi)，單個模型的面數(shù)控制在5 萬左右，但是此數(shù)據(jù)僅用于本系統(tǒng)開發(fā)參考。

2.4 制作材質(zhì)貼圖

材質(zhì)貼圖對虛擬場景實現(xiàn)最終效果影響最大，通過一張優(yōu)質(zhì)的貼圖可以使得原本平淡無奇的中模、低模生動具體。一般貼圖制作的規(guī)格要求包括以下幾個方面。

1） UE4 支持的貼圖格式很多，包括JPG、TGA、PNG、DDS、PDS、BMP 等格式。經(jīng)過測試，除了GIF 和TIF 格式外，其他格式3DS MAX 基本都支持，不過最常使用的是JPG、TGA、PNG 和PDS 格式，其中TGA 和PNG 這兩種格式是透明貼圖，一般用于虛擬場景中的花草、植被、古建筑鏤空裝飾物等模型貼圖。

2） 由于前期一般都會使用單反相機進行實地取景拍攝，基本能保證每張素材圖的分辨率最小為2 500×2 000 像素。為了平衡系統(tǒng)的運行速度，經(jīng)過平面軟件處理合成后的貼圖，在盡可能保持原來清晰度的情況下，此項目對大部分貼圖要求最終導(dǎo)出的分辨率為1 024×1 024 像素。

3） 在UE4 中，由于光柵化需要對紋理采樣進行快速取值，因此傳入的貼圖圖像的尺寸必須是2的n 次方。常用的尺寸有64×64，128×128，256×256，512×512，1 024×1 024，2 048×2 048。雖然目前很多VR 引擎已經(jīng)可以將任意尺寸的貼圖自動拉伸或壓縮成合適的規(guī)格，但是有時自動功能并不完美，經(jīng)常會看到場景里密集紋理貼圖產(chǎn)生閃爍情況，這時必須認真檢查貼圖的尺寸。

2.5 制作模型UV

在制作完成模型與貼圖后，若將貼圖直接貼到模型上，貼圖的比例、位置是完全錯亂的[1]，此刻，UV 是二維紋理映射到三維模型的橋梁。一張UV的好壞直接影響貼圖的表現(xiàn)，UV 貼圖的編輯和貼圖紋理的比例與尺寸相關(guān)，展UV 就相當于把現(xiàn)實中的一個方形盒子拆開并攤平。3DS MAX 中內(nèi)置有用于展UV 的UV 編輯器，也可以選擇專業(yè)UV 處理軟件Unfold3D 或UVLayout 等。

在UE4 中，只要有光就要模擬光照信息，其中光照信息有動態(tài)和靜態(tài)之分，動態(tài)的好處是實時變化，但是消耗資源。在大部分制作過程中，基礎(chǔ)環(huán)境光照信息是沒有變化的，通常需要制作一套靜態(tài)光照貼圖來模擬光照信息，因此光照貼圖制作已經(jīng)成為大部分VR 制作的標準流程。由于之后在UE4中還需要進行燈光烘焙，因此本項目中的同一個模型必須制作兩套UV，分別存放在不同的UV 通道中。第一套UV 用于貼圖映射關(guān)系的存儲，可以重復(fù)疊加使用，第二套UV 用于靜態(tài)光照映射關(guān)系的存儲，即用來烘焙光照貼圖，所以UV 不能產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，而且要最大化利用貼圖空間的分辨率。兩組通道UV 見圖3。

圖3 兩組通道UV

2.6 貼圖烘焙與模型導(dǎo)出

貼圖完成的模型要導(dǎo)出到UE4 中進行操作，需要在3DS MAX 中進行烘焙和導(dǎo)出[2]。貼圖烘焙是3DS MAX 中的最后一道工序，是把3DS MAX 的光照信息渲染成貼圖，再把這張貼圖重新貼回場景中，這樣就不需要CPU 重新計算，場景的顯示響應(yīng)速度也極快。烘焙技術(shù)是優(yōu)化場景的一大利器，廣泛應(yīng)用于VR 漫游動畫中。

經(jīng)過之前一系列的開發(fā)過程，已經(jīng)優(yōu)化項目中所有的模型，在3DS MAX 導(dǎo)出模型之前建議再檢查一遍場景單位、貼圖路徑以及模型、材質(zhì)貼圖命名是否一致等，再導(dǎo)出.FBX 文件。以下是關(guān)于模型導(dǎo)出的一些注意事項。

1） 合并模型。為了合理地利用資源，盡量減少場景的模型個數(shù)，按照貼圖、位置或其他要素來區(qū)分和分類需要合并的模型，目的是減少場景中的模型總數(shù)和減少模型中的面數(shù)。可以考慮通過多邊形附加、塌陷命令將同類的多個模型合并成一個。

2） 檢查并處理法線。在3DS MAX 制作模型的過程中，各種因素會導(dǎo)致有的模型法線錯誤，如果直接導(dǎo)入UE4，后期會出現(xiàn)很大的問題，因此可以把模型轉(zhuǎn)換為mesh，檢查處理完法線問題后，再將模型重新轉(zhuǎn)換為poly。

3） 碰撞體的制作。碰撞體是指模型導(dǎo)入UE4后模型周圍的一層“空氣墻”[3]。當場景中的人物移動時不會直接穿透模型，而是會被“空氣墻”阻擋。碰撞體模型均為凸面體，一般要求盡可能貼合原模型且要大于原模型，可以在3DS MAX 中提前進行創(chuàng)建，然后在UE4 中通過靜態(tài)網(wǎng)格物體編輯器來進行碰撞設(shè)置。本項目涉及的古建筑場景模型多且復(fù)雜，必須在3DS MAX 中提前創(chuàng)建并命名所有碰撞體模型。

2.7 場景搭建以及燈光布置與材質(zhì)模擬

在UE4 中新建一個空白項目，導(dǎo)入已經(jīng)準備好的古建筑地形和模型資源，新建關(guān)卡，把已導(dǎo)入的模型拖入當前關(guān)卡中，設(shè)置碰撞體，添加定向光源、天空光源和天空球，搭建室外場景環(huán)境。其中室外場景的燈光部分主要由太陽光和天光組成，室內(nèi)場景的照明燈光主要以點光源為主。檢查調(diào)整場景中的光照、陰影、植物、建筑地形等，并進行測試構(gòu)建，檢查場景中是否存在溢光、漏光、黑面、亮面、溢色、模型忽黑忽閃、場景無層次感、燈光陰影有鋸齒等問題并及時處理，最后在UE4 中重新調(diào)整材質(zhì)球。

2.8 交互設(shè)計功能開發(fā)

為了實現(xiàn)項目的虛擬漫游功能，需要在場景中添加交互設(shè)計，主要設(shè)計如下。

1） 創(chuàng)建導(dǎo)航小地圖。導(dǎo)航小地圖的功能實現(xiàn)是通過Get Actor Location 函數(shù)獲取用戶對象的位置，將用戶對象的位置和小地圖上坐標的位置相關(guān)聯(lián)。在藍圖編輯器中，按照一定的邏輯流程設(shè)置各節(jié)點、事件、函數(shù)、變量，通過連接獲取到玩家的位置，再連接到Set Actor Location 節(jié)點上，重新設(shè)置用戶對象在導(dǎo)航地圖上的坐標。

2） 制作觸發(fā)式開關(guān)門。在建筑可視化漫游系統(tǒng)設(shè)計中，開關(guān)門操作是必不可少的，這里以第三人稱視角為例，為門的模型添加碰撞和盒體觸發(fā)器，通過設(shè)置編輯關(guān)卡藍圖實現(xiàn)觸發(fā)式開關(guān)門功能，關(guān)卡藍圖設(shè)置見圖4。

圖4 關(guān)卡藍圖設(shè)置

2.9 系統(tǒng)測試與發(fā)布

本系統(tǒng)測試的主要內(nèi)容有：場景漫游、天空同步、導(dǎo)航小地圖、開關(guān)門、場景切換等功能的實現(xiàn)效果。經(jīng)過多次測試，最終打包生成.exe 可執(zhí)行文件，可正常運行于Windows 10 操作系統(tǒng)上。

3 結(jié)束語

本文闡述了以3DS MAX 和UE4 為主要核心的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建了一個沉浸式的古建筑群漫游虛擬仿真系統(tǒng)。通過搭建虛擬古建筑群環(huán)境，在不破壞古建筑原始風(fēng)貌的前提下，結(jié)合虛擬交互技術(shù)，讓用戶可以近距離接觸古建筑，并親身體驗穿梭于古建筑群的真實感，為古建筑群的保護和傳統(tǒng)文化的傳播提供了新的發(fā)展方向。