基于虛擬現實技術的建筑室內沉浸式漫游展示與交互設計

吳文豪 周婕

【摘 要】借助虛擬現實技術，本研究將虛

【關鍵詞】虛擬現實（VR）；建筑漫游；三維建模；虛擬引擎

中圖分類號： TU242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.009

0 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality），簡稱VR，也譯作靈境技術或人工環(huán)境，它是利用計算機仿真技術模擬創(chuàng)建一個三維的虛擬空間，是一種多源技術融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)。利用仿真技術、計算機圖形（CG）技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等等多種技術融合，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)。讓觀者能夠沉浸到一個擁有視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動感知，甚至嗅覺與味覺的虛擬世界中。

建筑漫游，是將設計師對建筑空間的構想、對建筑功能的規(guī)劃、對建筑造型的設計，利用三維仿真技術模擬出來，并且運用攝像機鏡頭動畫，為人們展示建筑的空間、格局、地勢、外觀、材質、內飾等等。讓人們可以在建筑尚未完工之前，就能預先看到它未來的完成樣式。介于此特性，建筑漫游被大量運用在地產工程投標、房產銷售、樓盤宣傳等環(huán)節(jié)。

但是，傳統(tǒng)的建筑漫游局限于視頻動畫，雖然也能夠看到建筑完工時的樣貌，但是卻只能循著設計師原本設定好的攝像機路徑去觀看，無法實現自主性、交互性地觀看，也無法真實地體驗空間感、光照度、時間性。利用虛擬現實技術搭配穿戴式外接頭顯設備，可以很好地解決這一問題。虛擬現實在建筑設計中的應用一直是人們關注的熱點。實時漫游系統(tǒng)與傳統(tǒng)建筑漫游的表現手段相比，能夠多維度地、自主性地、交互式地從各個不同的角度游覽建筑物，具有很大的實用價值[1]。從八十年代末以來，一直有學者對這方面進行研究。而在近年，隨著計算機技術與虛擬技術的發(fā)展，特別是幾款虛擬引擎的改進，虛擬外接設備的開發(fā)投用，使得開發(fā)門檻變低，也從一方面促進虛擬現實在各個行業(yè)中的普及和發(fā)展。

本文開展基于虛擬現實技術的建筑室內展示設計與交互設計研究，利用3D建模軟件構建模型、設計室內裝潢，進而進行紋理映射、實例化、布光等處理；設置交互體驗；并結合實景提取，實現建筑空間與周圍真實地理環(huán)境的結合；利用虛擬引擎實時光照照明系統(tǒng)，實現可觀看建筑物任意時間段光照效果，達到身臨其境、主動交互的展示效果。

1 基于虛擬現實的室內建筑漫游系統(tǒng)設計思路

鑒于目前虛擬現實技術的三維立體、虛擬仿真、實時渲染、視聽觸多維體感、自主交互等特點，正好符合建筑漫游的目的，便于觀者多維度體驗，填補傳統(tǒng)漫游所無法實現的臨場體驗。虛擬漫游是建筑展示、廣告方式的一大革命，具有很好的研究價值。

本項目設計訴求來自于溫州云天樓洲際廣場的VR樓盤漫游展示系統(tǒng)，內容為酒店公寓，兩室一廳，簡歐風格。項目將該戶型通過三維建模、賦予材質貼圖，成立虛擬立體形象。再運用虛擬引擎，實現實時渲染，設置空間碰撞范圍、人機交互模式、外接設備鏈接。配合HTC VIVE虛擬現實頭戴式設備，觀者戴上VR頭顯后，能夠沉浸到在現場看房的視覺體驗中，使用VIVE操控手柄，可實現在建筑戶型里自由移動，直觀觀察到每個角落，每個物體的細節(jié)。觀者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像實時更新，無縫更新到頭顯設備，從而產生臨場感。

2 基于虛擬現實技術的建筑漫游展示與交互設計制作過程

VR建筑漫游展示制作過程包括：首先確定需要展示建筑的布局、大小和風格；進而開展基于虛擬現實技術的建筑漫游展示主體制作，建模、分UV、設置材質、繪制貼圖；而后導入虛擬引擎，布置燈光、環(huán)境球，設置外接設備SDK、碰撞范圍，編寫交互模式，最后導出PC端應用包。

（1）3D建模

項目設計的第一步，首先明確建筑風格，并根據風格要求制作出室內裝潢展示的模型，即是用三維制作軟件構建出具有三維數據的模型。3D建模行業(yè)通用軟件有3DSmax、Maya、Sketchup等，本項目使用的建模工具是3DSmax。

構建三維模型是虛擬仿真的基本元素，在VR視覺中觀看到的任何物品、任何模型都是再現真實場景中的實物，這也是虛擬現實能給人一種身臨其境的關鍵因素。建模是構建場景的基礎，在建模過程中最重要的一點是控制模型比例，必須按照真實比例制作，否者就會發(fā)生沙發(fā)高于人、餐桌矮得像茶幾一樣令人發(fā)笑的錯誤。同樣重要的還有模型的優(yōu)化，一個好的虛擬現實項目不僅要逼真，還要求運行流暢，保證程序包不會占用太大的內存，讓觀者得到良好的體驗。基本的優(yōu)化原則有：控制模型面數，部分次要的細節(jié)和紋理用貼圖、法線貼圖彌補，刪除不被顯示的面，盡量減少模型的點已達到優(yōu)化目的。

（2）分UV與貼圖

當3D建模完成后，進行模型展UV，確保UV展開平整，避免出現貼圖拉伸、模糊等問題，同時通過合理編排UV布局，節(jié)省貼圖量。在對模型進行展UV的時候，除了3DSmax、Maya等軟件中自帶的UV編輯工具外，也能結合其他第三方UV軟件，如Unfold3D，UVlayout等，提高工作效率。

展完UV，將UV布局圖渲染出一張平面參考圖，利用此參考圖的標記，通過二維軟件技巧性地繪制貼圖，通過貼圖描述對象表面的物質狀態(tài)，構造真實世界中自然物質表面的視覺表象[2]。好的貼圖能使模型產生神奇的效果。

（3）導入引擎設置材質、燈光

在對比Unity3 D 和Unreal Engine 4（虛幻4）兩款主流虛擬引擎后，由于虛幻4的實時渲染效果較佳，材質系統(tǒng)簡便，本項目選用虛幻4引擎制作。

由于虛擬引擎無法讀取三維軟件中的材質燈光信息，所以這一環(huán)節(jié)在虛擬引擎中實現。當3D建模、UV、貼圖完成后，導出成FBX格式（一種支持所有主要的三維數據元素以及二維、音頻和視頻媒體元素的通用文件格式），導入引擎。

虛幻4的材質系統(tǒng)是由材質表達式（可視腳本節(jié)點）、網格、顏色、紋理貼圖、材質屬性以及材質輸入五個部分組成的可視化編輯器。材質無需通過代碼實現，而是通過可視腳本節(jié)點所組成的網絡來構建。每一個節(jié)點都包含HLSL代碼片段，并用于執(zhí)行對應的命令。以實現美術人員所需表達的視覺效果。

將模型導入引擎后，逐個賦予材質，調整材質參數：高光、反光、折射、反射、凹凸紋理等，以達到最接近現實的物體外觀效果。到此，才算完成模型的制作。材質搭配紋理貼圖，是再現客觀事物真實視覺的最有效手段，也是體現仿真感的另一重要環(huán)節(jié)。

而后，借助引擎中的燈光系統(tǒng)，給場景賦予燈光，使整個建筑環(huán)境更加鮮活。如果說模型是建筑的五官，而燈光就是建筑的靈魂。調試良好的燈光能提高畫面的質感與真實感，使得畫面里的物體顯的更加真實富有生命[3]。

虛幻4提供了四種光源類型，調整燈光的顏色、強度、位置、大小、方向等，模擬建筑場景中的光源及效果。并且結合場景物體設置靜態(tài)光源與動態(tài)光源，讓每種類型的陰影利用其優(yōu)勢來彌補另一種類型陰影的劣勢，從而可以快速地渲染出令人印象深刻的栩栩如生的視覺效果。

（4）設置碰撞

為了模擬真實建筑環(huán)境中的格局，避免穿墻而過，掉落樓層之類的錯誤，需要在引擎中設置碰撞物體。讓觀者在規(guī)定的區(qū)域和路徑中移動。虛幻4在"靜態(tài)網格物體編輯器"中提供了創(chuàng)建碰撞幾何體的基本工具。但是，該工具不夠靈活。因此，本項目是在3D建模時，在三維軟件中同時創(chuàng)建自定義的碰撞幾何體，再將其隨同模型導出到引擎中，進行碰撞物處理。此方法會讓碰撞范圍更精準。

（5）設置交互

本項目的交互設置，是用藍圖（可視化腳本系統(tǒng)）來實現，它是使用基于節(jié)點鏈接的方式來定義面向對象。

在引擎中創(chuàng)建適用VR的模式藍圖，將VR攝像機鏈接到VIVE頭顯作為圖像輸入，添加HTC手柄控制組件，獲取手柄的位置信息與旋轉信息，實時控制左右手模型。實現通過手柄控制視點的移動、跳轉。

（6）測試

在項目導出之前，務必進行測試。首先是構建光影，也即渲染，引擎會將光影關系計算出來。再是，運行項目，檢查是否存在某些物體沒有碰撞、模型之間是否存在交叉或是裂縫、燈光是否過曝或不足、手柄交互是否有誤等。確認無誤后，打包導出成一個應用程序包。此時，便可運行程序包，戴上VR頭顯沉浸到虛擬環(huán)境中，并通過手柄移動到任意角落觀看場景。

3 結束語

虛擬現實技術的沉浸感、臨場感、交互性、主觀性，為建筑漫游的展示形式帶來變革。而目前VR技術的應用只是初露端倪，雖然VR技術近年發(fā)展迅速，被廣泛采用，但其在內容演示、情境創(chuàng)設、互動支持等方面還需進行深入的研究。相信通過更多的研究與實踐，虛擬現實技術能夠發(fā)揮更大的作用，在各行各業(yè)都具有很好的應用前景。

【參考文獻】

[1]傅晟，彭群生，一個桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)的設計與實現[J]，計算機學報，2016，（16）：13.

[2]張竹悅.優(yōu)秀的貼圖對游戲模型的重要性[J].文化藝術，2016，（4）：328.

[3]張琬茂，蔣春林，干靜.產品真實感表現中布光技術的研究[J]，工程圖學學報，2009，（2）：48-53.