孟 明，李 然，楊玉涵，婁健康

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

生態(tài)水利工程通常需要因地制宜、隨地就勢。河道的上下游、左右岸都會因地形地貌的不同而采用不同的設計方案。這對“一步一景”的設計要求極高，無形中也增加了設計人員的壓力。尤其對于設計周期短，涉及涉水建筑物、岸坡整治、景觀節(jié)點布置、交通園路等多功能治理要求的項目，協(xié)同工作難度大，重復勞動量多。

隨著信息化建設的不斷進步和發(fā)展，計算機智能技術(shù)已經(jīng)深入到日常生活的每一個角落，人們不斷地尋求人性化的技術(shù)手段來解決眾多領(lǐng)域的問題，虛擬現(xiàn)實的概念隨之產(chǎn)生，采用的技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，應用深度和廣度不斷擴大，為解決多領(lǐng)域的實際問題提供了獨特的新技術(shù)、新工具，并發(fā)揮著越來越重要的作用[1]?？紤]到生態(tài)水利工程目前所面臨的難點，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點，將兩者進行結(jié)合碰撞，通過新技術(shù)解決傳統(tǒng)設計中無法解決的難題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，以下簡稱VR)是隨著計算機技術(shù)等多門技術(shù)相互融合而成并飛速發(fā)展而興起的新技術(shù)，VR技術(shù)集成多維信息空間，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)較多，它是由多個關(guān)鍵技術(shù)有機融合而成。VR技術(shù)具有通過計算機產(chǎn)生一種人為的虛擬環(huán)境的特點，可以使人在視覺、聽覺以至于觸覺上產(chǎn)生沉浸感，從而達到身臨其境的效果[2]。

隨著技術(shù)的升級，移動智能設備的普及和移動互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展，VR技術(shù)將逐步走向成熟，硬件生產(chǎn)將逐漸實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，且其數(shù)量和質(zhì)量不斷提升?？梢曅院捅普嫘允荲R最重要的兩個性質(zhì)，3個“I”特性是其基本特征，即Immersion(沉浸)、Interaction(交互)和Imagination(想象)。典型的VR系統(tǒng)主要由虛擬世界、計算機軟、硬件系統(tǒng)(包括VR軟件和VR環(huán)境數(shù)據(jù)庫)，和VR輸入、輸出設備等組成。VR系統(tǒng)分為四類：桌面式VR系統(tǒng)(Desktop VR)、沉浸式VR系統(tǒng)(Immersive VR)、增強式VR系統(tǒng)(Augmentde VR)、分布式VR系統(tǒng)(Distributed VR)[3-5]。

圖1 典型VR系統(tǒng)組成圖

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，未來工程領(lǐng)域VR技術(shù)的發(fā)展動向主要是城市規(guī)劃和大型工程漫游。城市規(guī)劃系統(tǒng)用于展示城市規(guī)劃、宣傳城市建設、提升城市形象，根據(jù)城市的當前狀況和對城市的未來規(guī)劃，將城市的過去、現(xiàn)在和將來任意時間的情況展示在規(guī)劃設計者、政府決策者、投資開發(fā)者和普通市民面前。大型工程漫游系統(tǒng)展示各種擬建設的工程項目，為國際和國內(nèi)工程設計投標建立多種層次、細節(jié)豐富的虛擬模型，真實再現(xiàn)工程竣工后的情況[6-8]。

2 虛擬現(xiàn)實軟件選擇

國外在虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面起步比較早，在軟件和平臺方面，大量的可視化產(chǎn)品和豐富的資源源源不斷，其中較為顯著的軟件或平臺有：Quest3D、Vega Prime、WTK、Virtools、Unity3D等。

與西方發(fā)達國家相比，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展還很落后，但是，近年來，國內(nèi)也越來越重視虛擬現(xiàn)實方面的發(fā)展，加大投資，帶動計算機技術(shù)，三維圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，很多大學、研究院以及軟件所等機構(gòu)，通過增加研究力度，從而使國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)與研究也提升到了新的階段，國內(nèi)幾款專業(yè)的三維可視化仿真系統(tǒng)軟件或平臺如下：VRP、Converse3D等軟件，另外還有一種以720云為代表的，利用全景圖片來達到虛擬現(xiàn)實場景效果，此軟件可方便快捷的制作出項目需要的虛擬現(xiàn)實場景[9-10]。

根據(jù)各大虛擬現(xiàn)實軟件的功能，結(jié)合項目采用的歐特克平臺進行BIM技術(shù)研究的情況，對比利用各虛擬現(xiàn)實軟件制作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所花費的時間和精力，在認真研究BIM軟件與虛擬現(xiàn)實軟件之間數(shù)據(jù)格式交換、市場應用以及項目前期和后期時間等要求的情況下，選擇在項目前期采用720云軟件進行快速制作虛擬現(xiàn)實場景，以滿足方案匯報等應用，在項目后期選擇目前比較流行，且功能強大的Unity3D軟件，用來將虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程設計中應用[11-12]。

3 技術(shù)整體解決方案

本文從虛擬現(xiàn)實的概念出發(fā)，并與其在國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合，對現(xiàn)有工程設計中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本理論和方法進行研究，利用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研究工程項目的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計與開發(fā)。在對工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究中，有機的結(jié)合了計算機仿真技術(shù)和可視化技術(shù)，有效的將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到實際工程中，能夠增強系統(tǒng)的交互和維護能力。

在工程的全生命周期過程中將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)基于BIM+VR技術(shù)的工程全過程可視化設計，使設計成果所見即所得，讓設計者更直觀的進行方案推敲，更高效的與業(yè)主溝通交流；該技術(shù)所帶來的更好的沉浸感和交互性能夠使每一位參與者更直觀的融入項目、體驗項目，同時獲得同等的工程信息，讓業(yè)主更真實的感受方案效果，更快速的對方案進行決策；利用此技術(shù)進行方案比選、碰撞檢查、視線分析等內(nèi)容，解決了在傳統(tǒng)的設計過程中，因為二維圖紙不直觀、傳遞信息有限以及信息接收者的理解不同等原因，導致的后期方案變更、圖紙修改量大等難題。同時，方案確定后，利用BIM+VR技術(shù)可實現(xiàn)自動批量出圖、工程量統(tǒng)計，提高工作效率，節(jié)約設計成本。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程設計中的應用

4.1 工程概況

沁河生態(tài)綜合治理工程位于河南省沁陽市境內(nèi)，為黃河一級支流。本次工程開發(fā)任務為：結(jié)合城市總體規(guī)劃和流域規(guī)劃綜合要求，在保證河道防洪安全的前提下，通過工程措施形成河道主槽、湖泊、濕地等多種形態(tài)的水面，將河流構(gòu)建成一條生態(tài)景觀廊道，保護與修復水生態(tài)系統(tǒng)，維持沁河的健康生命，建設水生態(tài)文明，提高城市品位，實現(xiàn)美麗、生態(tài)、宜居的沁陽夢。

工程位于河南省沁陽市境內(nèi)，設計范圍為孔村閘至沁河橋之間7.6km的河道。設計內(nèi)容為：兩岸自然河道整治，主河槽蓄水建筑物一座，4個生態(tài)公園。項目總占地面積共計約708.19hm2，其中水域面積約301.85hm2，綠化等面積約406.34hm2。

4.2 虛擬現(xiàn)實場景制作

根據(jù)項目進度及實際需求，本虛擬現(xiàn)實場景在場景模型的基礎(chǔ)上，采用720云平臺進行制作，最終達到工程虛擬場景展示，方案比選和屬性查詢等功能，其中，場景模型可以采用Revit、SketchUp等軟件進行建模，制作流程如圖2所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實場景制作流程

為使場景更加真實，采用目前比較流行的3DSMax進行貼圖、渲染等工作，也可采用SketchUp軟件進行貼圖、渲染等工作，其中在SketchUp軟件中進行貼圖工作比較簡單，本次主要介紹在3DSMax進行貼圖的工作，然后再利用SketchUp軟件進行全景圖片的制作，最后導入到720云中，制作成虛擬現(xiàn)實場景。

(1)材質(zhì)貼圖制作

為模型賦予材質(zhì)或者紋理的過程稱為貼圖，通過貼圖能夠在不增加模型復雜程度的前提下創(chuàng)建出反射、折射以及凹凸顯現(xiàn)等效果，這與基本材質(zhì)相比可以使模型顯得更加細膩而又真實。貼圖過程就是將制作好的材質(zhì)賦予模型，模型經(jīng)過貼圖以后，不僅能夠給模型增添質(zhì)感，而且能夠使模型的造型等更加完美，從而能夠使整個模型場景顯得與真實更接近。

材質(zhì)制作就是人工創(chuàng)造出材質(zhì)文件，比如用Photoshop、DarkTree等軟件制作貼圖或程序貼圖，用數(shù)碼相機拍物體表面紋理等。模型材質(zhì)貼圖是在3DSMax的材質(zhì)編輯器中完成的，3DSMax提供了多種類型的材質(zhì)可供選擇，使用相應的材質(zhì)可使設置的場景更加逼真、漂亮。其中，多種不同的材質(zhì)可以運用到相同的場景之中，不同的材質(zhì)有不同的類型和用途。其中材質(zhì)有標準材質(zhì)、光線跟蹤材質(zhì)、卡通材質(zhì)、無光線投影材質(zhì)、多維∕子對象材質(zhì)、混合材質(zhì)等幾種類型。

所有的貼圖都能夠在3DSMax軟件的“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”中被找到并調(diào)用，不同目錄下包含有不同的貼圖。下面是幾種常用材質(zhì)類型進行介紹：

標準材質(zhì)：它是3DSMax材質(zhì)編輯器中默認的材質(zhì)類型，它提供了相對較直觀的設定模型表面的方法，在自然界中物體表面的性質(zhì)決定其反射效果，3DSMax中，標準材質(zhì)類型模擬對象表面反射的性質(zhì)，如果不使用貼圖，該材質(zhì)的表面是一個單一、均勻的顏色。

多維∕子對象材質(zhì)：它是復合材質(zhì)的一種，這種材質(zhì)包含多種同級的子材質(zhì)，對于比較復雜的多面幾何體，其各個次對象(對象的不同部分、對象上有特殊材質(zhì)的塊面)都可以被賦予多維∕子對象材質(zhì)中材質(zhì)ID號相應的子材質(zhì)。

3DSMax中有多種貼圖類型，每一種貼圖類型擁有不同的特點，在三維制作中經(jīng)常運用它們以達到最好的材質(zhì)效果。貼圖能夠模擬紋理、應用圖案、反射折射效果，但這只會增加材質(zhì)的細節(jié)而不會增加對象結(jié)果的復雜度(置換貼圖除外)，也可以使用貼圖為燈光生成一個環(huán)境或者投影。在材質(zhì)/貼圖瀏覽器中，使用show(顯示)選項組中的選項可以按照類型過濾貼圖，它把貼圖分為2D Maps二維貼圖、3D Maps三維貼圖、合成器貼圖、顏色修改器貼圖和其他貼圖等類型。

以上幾種貼圖類型都會被應用到材質(zhì)貼圖當中，其步驟為：首先，打開材質(zhì)編輯器，在Map卷展欄中選擇貼圖，其中，展欄中的色彩和材質(zhì)的基本參數(shù)有關(guān)。然后，單擊“None”按鈕打開貼圖瀏覽器，在瀏覽器中選擇所需類型的貼圖作為材質(zhì)貼圖。當賦予物體的材質(zhì)中包含二維貼圖時，則需利用UVW Map修改器調(diào)整物體二維貼圖坐標。不同的貼圖投影方式對應于不同的對象，在UVW Map修改器的參數(shù)卷欄中可以選擇平面、柱面、球面、收緊包裹、立方體、面等幾種坐標方式。

混凝土材質(zhì)不同于金屬等其他材料，混凝土表面質(zhì)地粗糙，色澤暗淡，建筑物混凝土等有分縫，為了使混凝土材質(zhì)表現(xiàn)真實，采用實地采樣的方法，將采集得到的樣本，通過漫反射貼圖通道添加貼圖。其中，材質(zhì)設置和混凝土材質(zhì)參數(shù)的設置如圖3所示。建筑物混凝土貼圖設置完成后，打上燈光進行渲染，其他模型材質(zhì)貼圖設置方法與混凝土材質(zhì)設置方法類似，不再一一描述。

圖3 建筑物混凝土材質(zhì)參數(shù)設置

(2)全景圖片制作

通過SketchUp打開景觀三維模型，根據(jù)項目所表達的內(nèi)容分別進行總體把控和局部特寫，首先，將需要表現(xiàn)的內(nèi)容調(diào)整到大概的視口當中，并調(diào)出V-Ray渲染面板，如圖4所示，將相機參數(shù)調(diào)整成如圖5所示，打開輸出面板，為了節(jié)省時間，先選擇一個較小尺寸的圖片進行試探性輸出(這一步主要是確定一下所調(diào)整的視口是否合適)，若所調(diào)視口合適，根據(jù)像素實際需求，選擇所渲染圖片的大小并調(diào)整相應參數(shù)，如圖6所示。

圖4 景觀模型視覺窗口

圖5 V-Ray相機參數(shù)

圖6 V-Ray輸出參數(shù)

設置好輸出參數(shù)后，在V-Ray渲染面板頂部“預設”值部分，可根據(jù)場景為室內(nèi)或室外，選擇“典型相機拍照場景”、“室內(nèi)場景”或者“室外場景”按鈕。為了后期渲染更加方便快捷，可以將設置好的參數(shù)，通過V-Ray渲染面板的“保存設置”按鈕將設置好的參數(shù)保存成*.vropt格式，等后續(xù)或其他項目模型渲染時可以通過“載入設置”進行調(diào)用。

調(diào)整好視口及參數(shù)后，為了后續(xù)能找到此渲染視口，這一步可以在SketchUp工具條下方的添加場景處添加此渲染場景，為此場景命名，然后點擊“開始渲染”按鈕開始渲染，如圖7所示，最終渲染完成的全景照片效果如圖8所示。

圖7 V-Ray全景照片輸出

圖8 最終全景照片

(3)制作VR場景

全景圖片制作完成后，接下來是將全景圖導入720云軟件，制作虛擬現(xiàn)實場景。通過注冊并打開720云軟件平臺，設置好文件保存位置后，點擊“創(chuàng)建全景”按鈕，添加“作品名稱”、“作品簡介”，點擊“添加全景”按鈕，將需要表達的場景根據(jù)表達順序依次添加，添加完成后點擊“確認創(chuàng)建”按鈕，第一部分場景創(chuàng)建完畢。

第二部分是在創(chuàng)建好的場景中添加交互式熱點，鼠標右擊場景，選擇“編輯”進入交互式熱點設置和添加背景音樂、特效等操作界面。點擊左側(cè)工具條中“視角”按鈕，首先，將視角調(diào)整至比較舒服的位置，然后，調(diào)整“視角范圍(FOV)設置”和“垂直視角限制”，使視角的顯示范圍得到一定控制，最后，點擊“把當前視角設為初設視角”。

調(diào)整好視角后，進入熱點設置部分，點擊“熱點”按鈕，調(diào)出“添加熱點”并點擊此按鈕后，會彈出熱點的圖標樣式以及熱點類型。首先，根據(jù)需要表達的內(nèi)容、方向等選擇熱點樣式，也可自定義熱點樣式的圖標；然后，根據(jù)熱點樣式選擇熱點類型，其中熱點類型包括：切換、相冊、文本、圖文、鏈接、音頻、視頻、環(huán)物等；完成添加熱點后，點擊“音樂”按鈕進入背景音樂設置面板，音樂文件采用mp3格式，可將不同的音樂應用到不同的場景中。“特效”設置面板可以“設置太陽光”、“下雨”、“下雪”，并且可以選擇雨和雪的大小，也可以載入自定義的PNG格式的雨或雪等其他圖片。

一般在大場景中都會通過一個沙盤圖來進行導航，沙盤制作時，首先要添加事先做好的能代表整個場景的平面圖，且平面圖尺寸建議為480mm*480mm，點擊“選擇圖片”，選擇平面圖；最后，點擊“保存”、“返回”，單擊“上傳”按鈕將作品上傳至云端，此時在“上傳”面板會生成作品二維碼以及作品網(wǎng)址，可通過以上兩種方式進行體驗制作好的虛擬現(xiàn)實場景。還可通過手機掃描上面二維碼進入“沁河沁陽市城區(qū)段治理工程閘橋結(jié)合方案虛擬現(xiàn)實場景”，部分界面如圖9所示。點擊不同熱點調(diào)出閘橋結(jié)合方案的模型不同信息，包括水閘不同的屬性、圖紙等，如圖10所示。

圖9 虛擬現(xiàn)實場景

圖10 場景切換

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生態(tài)水利工程中的應用克服了傳統(tǒng)工作中設計者利用景觀彩平圖表達設計意圖的呆板、片面，也克服了制作工程視頻時渲染、烘焙等費工、費時和費力的特點，大大提升了展示效果和工作效率。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于工程項目后能夠以更加直觀、完善和便捷的方式展示工程的全貌，帶來了更好的沉浸式體驗，能夠與工程BIM模型有機結(jié)合，制作成工程虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，極大提升了工程BIM模型的利用價值。虛擬現(xiàn)實可將二維碼技術(shù)應用于移動端查閱圖紙、進入虛擬現(xiàn)實場景以及將二維碼與真實物體結(jié)合來獲取物體位置、屬性以及模型等相關(guān)信息，可為工程后期運營管理和將來智慧公園的建立打下良好基礎(chǔ)。

隨著市場競爭壓力的增大以及業(yè)主對產(chǎn)品要求的提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)水平也必須跟著提高，目前所做的虛擬現(xiàn)實場景的沉浸感、交互性和想象性還能進一步提高，接下來還需要尋找更優(yōu)的虛擬現(xiàn)實軟件來制作出更高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，以滿足市場和業(yè)主的更高要求。