基于交互式三維動(dòng)態(tài)視景的虛擬現(xiàn)實(shí)模型技術(shù)

摘 要 以虛幻引擎4為工具，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)建筑模型進(jìn)行加工處理，生成具有物理光照陰影效果以及物理重力效果的虛擬現(xiàn)實(shí)模型集合。并且具有現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的交互性，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)效果的物理模型。

【關(guān)鍵詞】物理光學(xué) 三維動(dòng)態(tài)效果 虛擬現(xiàn)實(shí)建筑模型 虛幻引擎

1 背景介紹

根據(jù)《中國(guó)VR用戶行為研究報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）顯示，國(guó)內(nèi)15-39歲人群中，VR潛在用戶數(shù)量為2.86億，購(gòu)買過(guò)各種VR設(shè)備的用戶已達(dá)96萬(wàn)人，83.2%的用戶對(duì)VR內(nèi)容軟件方面有需求。正如電視和電子游戲的出現(xiàn)帶給人們生活和工作方式的巨大變化，虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)，無(wú)疑為建筑師提供了新的思路。打破了以往建筑設(shè)計(jì)中“平面，立面，剖面和三維模型”的模式。建筑師可以在任意時(shí)間和設(shè)計(jì)的任意階段“走進(jìn)”設(shè)計(jì)中去，從任意角度觀察和檢討自己的設(shè)計(jì)，身臨其境地感受空間、尺度、環(huán)境、光線甚至聲音的變化，從而使設(shè)計(jì)更趨向完美。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)及意義

現(xiàn)如今，互聯(lián)網(wǎng)家裝已經(jīng)成為傳統(tǒng)行業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)橫行的歷史新時(shí)期開拓疆土尋求更大發(fā)展的巨大戰(zhàn)斗力?；ヂ?lián)網(wǎng)家裝是電子科技技術(shù)和傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，也是傳統(tǒng)建筑行業(yè)在未來(lái)的發(fā)展大趨勢(shì)。很多大型公司已經(jīng)開始開拓市場(chǎng)，這些大型公司已經(jīng)進(jìn)行了初步的嘗試與開發(fā)，并且收到了很好的回饋。

（1）從用戶端的角度來(lái)看，在沒(méi)有VR技術(shù)之前，用戶去感受和觀看自己裝修后的效果圖，一般是通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙和電腦繪制的3D效果圖，對(duì)裝修后的家居環(huán)境的沉浸感較弱。但是一旦擁有VR的技術(shù)體驗(yàn)，用戶就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己完全沉浸到設(shè)計(jì)場(chǎng)景的家居環(huán)境中，更為重要的是，這種設(shè)計(jì)風(fēng)格可以自由切換，甚至對(duì)細(xì)節(jié)到局部乃至全部，都做出DIY的設(shè)計(jì)。

（2）從設(shè)計(jì)師和家裝公司的角度來(lái)看，有了VR的技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以大大的提高自己生產(chǎn)搭配裝修方案的效率，降低和用戶就裝修設(shè)計(jì)方案的溝通成本和不可控的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于家裝公司而言，可以降低其門店管理運(yùn)營(yíng)成本，將傳統(tǒng)樣板間全部替換為虛擬的云端樣板間。

3 產(chǎn)品主要功能

此產(chǎn)品是將存在于建筑學(xué)圖紙上的建筑物或是建筑群在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行搭建，而虛幻4引擎的引入，帶來(lái)了實(shí)時(shí)渲染功能并且伴隨著動(dòng)態(tài)的光影效果的運(yùn)用，使得用戶的視覺(jué)體驗(yàn)達(dá)到最佳。用戶在佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備自由走動(dòng)時(shí)，可以進(jìn)行360度全景“觀察”、“體驗(yàn)”等，模擬在虛擬世界建筑群中的行走。同時(shí)，用戶還可以通過(guò)控制器，在虛擬的樓盤中進(jìn)行與建筑物外觀有關(guān)的產(chǎn)品種類的選擇與效果展示。

目前，可實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

（1）虛擬建筑群。根據(jù)開發(fā)商提供的建筑物或建筑群圖紙，構(gòu)造出其虛擬現(xiàn)實(shí)影像。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。將虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡作為顯示設(shè)備，可以將我們自己搭建的虛擬建筑群進(jìn)行輸出。將手柄作為操縱設(shè)備，可以讓用戶在虛擬建筑群內(nèi)隨意走動(dòng)時(shí)，進(jìn)行與建筑物外觀有關(guān)的產(chǎn)品種類的選擇。并且在場(chǎng)景中進(jìn)行家具的擺放以及裝修風(fēng)格的改變。

4 具體實(shí)現(xiàn)

由于VR軟件對(duì)視覺(jué)上效果的要求極高，因此，我們用虛幻4引擎來(lái)處理圖像，制作軟件，以滿足VR產(chǎn)品在視覺(jué)上需要達(dá)到的要求，從而進(jìn)行虛擬世界的生成。虛幻4引擎的圖形化的材質(zhì)編輯工具采用的是和Maya，Darktree一樣的“材質(zhì)節(jié)點(diǎn)編輯”方式，可以對(duì)材質(zhì)中的色彩，alpha通道進(jìn)行自由的調(diào)節(jié)，可以使得我們可以通過(guò)利用多個(gè)簡(jiǎn)單的材質(zhì)類型融合出一個(gè)復(fù)雜漂亮的高級(jí)材質(zhì)類型，并可以實(shí)時(shí)地參照?qǐng)鼍爸械臒艄庾兓?。并加入物理光影效果和物理重力引擎?；谝陨咸攸c(diǎn)，我們的產(chǎn)品會(huì)趨近真實(shí)，具有實(shí)地效果。并且也通過(guò)3dsMAX軟件進(jìn)行軟件的建模。

基本技術(shù)路線

（1）信息的采集與收集。數(shù)據(jù)的采集要具體到建筑圖紙。包括建筑立面圖，建筑剖面圖，建筑平面圖，同時(shí)，根據(jù)建筑圖紙的各項(xiàng)數(shù)據(jù)確定在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的成像比例以及成像大小。同時(shí)，我們將搜索各個(gè)品牌的可用的素材的數(shù)據(jù)，比如小區(qū)中的樹木，健身器材等。

（2）現(xiàn)實(shí)模型的制作。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)先將建筑物沙盤制作完成，方便將建筑搬入虛擬世界后進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)將沙盤作為構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)世界中建筑物的實(shí)體參照物，能更真實(shí)地將圖紙上的原貌呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中。

（3）通過(guò)CAD圖紙，用3dsMax或AutoCAD進(jìn)行3D模型制作和圖紙制作，根據(jù)在第一階段收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，利用3dsMax等軟件，畫出可以在虛幻引擎中用的素材。

（4）根據(jù)各素材在虛幻引擎中的呈現(xiàn)效果，同時(shí)根據(jù)收集到的參數(shù)，再次在3dsMax中進(jìn)行模型和素材的參數(shù)修改，使得虛擬世界中的建筑物符合圖紙中各個(gè)建筑的參數(shù)比例。

（5）對(duì)呈現(xiàn)出的三維效果圖進(jìn)行VR處理。在虛幻四引擎中進(jìn)行圖形的VR處理，使得圖形在VR設(shè)備中可以呈現(xiàn)出全景效果。

（6）VR互動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。在虛幻四引擎中進(jìn)行互動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，由于考慮到成像清晰度和適配性的問(wèn)題，我們的軟件適配的硬件是HTC VIVE，因此，在這個(gè)過(guò)程中，我們將使用HTC VIVE的SDK，添加手柄以及激光發(fā)射器的工具包以及代碼，實(shí)現(xiàn)操作器可用的互動(dòng)功能，滿足用戶在虛擬世界中的互動(dòng)。

（7）軟件的調(diào)試。將軟件在VR設(shè)備中呈現(xiàn)，體驗(yàn)并修復(fù)程序中還殘存的問(wèn)題。

5 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑橐越ㄖ閮?nèi)容，基于交互式三維動(dòng)態(tài)視景的光學(xué)體驗(yàn)，通過(guò)交互式三維動(dòng)態(tài)視景的光學(xué)體驗(yàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)容的呈現(xiàn)，建筑模型以及場(chǎng)景的重構(gòu)。

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作者簡(jiǎn)介

姜壽暉（1995-），男，遼寧省本溪市人。東北大學(xué)國(guó)防教育學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)2014級(jí)本科生。

作者單位

東北大學(xué)國(guó)防教育學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110819