淺談UE4對線路工程展示的作用

摘要：隨著三維技術(shù)日新月異的發(fā)展，憑借其展示出的細膩的質(zhì)感、真實的光效、絢麗的色彩得到越來越多行業(yè)的認可，在工程行業(yè)中也有著不可替代的作用。為了有效地提升建筑施工質(zhì)量和進度，方案展示需求。三維仿真技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用與功效。三維仿真技術(shù)利用系統(tǒng)的信息匯總、場景模擬基于計算機三維軟體制作的基礎(chǔ)上，將未知的工程體量、地形環(huán)境數(shù)據(jù)生動、真實的營造出來。方便客戶和設(shè)計人員對工程模型做出有效的分析，從而形成完整的設(shè)計方案。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的完善，逐步展現(xiàn)它對模型可視化把控的強大功能。有逐步取代傳統(tǒng)三維展示的趨勢。虛擬現(xiàn)實是基于三維技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步完善的新技術(shù)，它與三維技術(shù)是不同的卻又是密不可分的。本文主要闡述的是虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來對軌道交通工程展示的必要性與發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：軌道交通;虛擬現(xiàn)實;UE4

一、超長線路工程模型對三維展示的需求

傳統(tǒng)的平面圖紙作為工程設(shè)計項目中的主要表現(xiàn)形式，難以直觀的向客戶展示未來施工完成后的建筑體量，而三維技術(shù)能夠讓人直觀的，多角度的了解設(shè)計者的意圖與理念。就算不了解工程制圖的客戶與施工方也可以通過三維展示的逼真模型體量，真實感受到未來建成后的效果，更能協(xié)助施工方對平面圖紙的理解，輔助施工。

而今工程動畫已經(jīng)越來越成熟，客戶對動畫展示的需求也越來越高，地鐵、大鐵、高鐵類工程在動畫展示的訴求也越發(fā)明顯。

地鐵、大鐵、高鐵類工程設(shè)計，短的線路幾十公里，長的線路甚至上千公里。對于想了解全線概況的客戶來說，只是通過平面圖紙不能直觀的理解設(shè)計方案，而全程沿著設(shè)計線路實地考察一遍也不切實際，于是三維展示成了最恰當?shù)倪x擇。而對于施工方來說，線路里面涉及的橋隧、挖填方、明挖、暗挖工程多不勝數(shù)。三維模型能大大節(jié)約對圖紙的理解，有效提升施工效率，協(xié)助施工項目按時間節(jié)點有條不紊的進行，減少施工成本和降低施工風險。

二、現(xiàn)在線路模型常用的展示方式

線路設(shè)計單位為了方便客戶對自己設(shè)計方案的理解和線路展示通常運用以下幾種方案：

（1）基于傳統(tǒng)CAD制圖的展板方式，此類展示方法就是完全將設(shè)計單位的設(shè)計路線原汁原味的在CAD高程圖上表示出來。而后為了更加真實的展示線路在實際地形中的位置，而采用了地形位圖替換高程圖的展示手段。

展板制圖的優(yōu)點是能準確的將設(shè)計單位的設(shè)計線路在地圖上表示出來。通過添加文字與圖片信息，輔助客戶理解線路走向及線路上的橋隧的起始位置。缺點是無法讓客戶感受到線路中的建筑體量及與現(xiàn)實地形的結(jié)合形式。

（2）通過將線路鑲嵌入谷歌地球的展示方式，此方式對比展板制圖更加優(yōu)化。它擁有展板制圖的全部優(yōu)點，并且可以方便客戶局部放大，細致到線路在街道上的具體位置都能清楚表達。它還可以通過錄屏的方式，生成一個線路展示的動畫。缺點也和展板制圖一樣，展示的只是一條平面的線路，無法理解設(shè)計出來后的三維體量。

（3）傳統(tǒng)三維動畫展示，此類展示方法光效逼真、材質(zhì)細膩。它能真實有效地展示設(shè)計完工后的三維模型在現(xiàn)實地形中的效果，其中線路地面走線與下穿、與地形產(chǎn)生的挖方、填方等都能完美地呈現(xiàn)出來。它還可以展現(xiàn)施工過程中的運輸、安裝、拆除、挖方、填方等施工流程，直觀、科學地展示施工方法和施工工藝的效果，生成施工流程預(yù)演作為施工示范，可以有效地提高施工效率，以及警示施工中可能存在的問題，便于施工人員進行觀摩和修整。

傳統(tǒng)動畫是通過固定的相機渲染出的影片，不能人機交互體驗應(yīng)該算是它的一大弊端。

（4）通過將線路匹配到固有的航飛影片的展示方式，此類方式更能直觀地展示線路在現(xiàn)實世界的真實體量。前面幾種展示手段，都是通過虛擬的線路載入虛擬的場景，模擬現(xiàn)實中的效果。而相機匹配則是把虛擬的線路與真實的場景完美的融合在一起，讓觀看者更有認同感。與傳統(tǒng)三維動畫一樣，不能人機交互、不能在場景中自由地觀看每個細節(jié)也是它的不足點。

三、UE4展示方式的優(yōu)點

綜上所述，超長線路的展示方式各有利弊。有沒有一種方式即準確又真實的能表達出設(shè)計方案呢？

得益于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的完善，在設(shè)計方案展示上又多出來了一個更加完善的解決辦法。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱靈境技術(shù)，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)囊括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。

現(xiàn)在的三維引擎主要有Unity3D，cocos2dx，UE4，CityEngine等。說到VR引擎，就必然離不開UnrealEngine，作為虛擬現(xiàn)實主流游戲引擎，UE4被許多行業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，并備受贊譽。它的實時渲染效果真實，物理屬性逼真，且代碼開發(fā)難度相對低，為游戲的開發(fā)和虛擬交互漫游的呈現(xiàn)提供了更為便捷的手段。它在同類軟體中優(yōu)勢明顯，得益于它強大的材質(zhì)編輯器，完全可以達到“眼見為虛”的顯示效果。

UE4平臺專門為美術(shù)類設(shè)計師等非編程類人員提供了可以用藍圖編寫程序的節(jié)點。如果說其他虛擬現(xiàn)實引擎是美術(shù)設(shè)計師手中的素描筆，那UE4就當之無愧的是可以繪制出絢麗色彩的油畫筆了。UE4編程藍圖對美術(shù)設(shè)計師是友好的，它模板化的節(jié)點連接，圖形化的理解。美術(shù)設(shè)計師只需要拖拽節(jié)點編譯一套藍圖就可以開發(fā)自己想要的交互內(nèi)容?？傊甎E4是開發(fā)VR的主流引擎，它不僅適合大型游戲項目，更適合虛擬場景空間的漫游。

UE4虛擬漫游所需的場景是源于通用的三維軟件制作，所以能確保線路的準確性。它主要的功能是把三維場景進一步的進行優(yōu)化，通過自身強大的材質(zhì)與編程功能，賦予三維場景一個真實而且可以互動的虛擬世界。

大鐵、高鐵等超長線路工程，數(shù)十上百公里的長度，奠定了它涉及的地形的范圍與數(shù)據(jù)量超大的基礎(chǔ)，如此大的地形通過傳統(tǒng)的三維手段，靠貼位圖的方法自然就丟失大量的細節(jié)。如此生成的三維漫游場景，遠觀尚可，但近處的貼圖有強烈的拉伸與模糊，很難讓人有沉浸感。

UE4自帶的地形生成工具類比其他同類三維軟件能展示更多的細節(jié)，能更加真實的反映線路經(jīng)過的地理環(huán)境。通過UE4強大的材質(zhì)編輯器，pbr材質(zhì)的應(yīng)用，能精細的展示到腳下的每根草、每粒石子。它所生成出來的三維漫游場景自然能讓人身臨其境。UE4自帶的關(guān)卡功能可以把大地形分裂成若干塊，即保證大地形的完整性，又保證了漫游的流暢性。這個功能確保了長線路工程地形精細模型化的可行性。

四、UE4項目實例

在川藏鐵路折多山大橋展示項目中，UE4的優(yōu)秀就孑然展現(xiàn)出來。拿到這個項目時，客戶提出了務(wù)必要反映出當?shù)氐牡乩憝h(huán)境細節(jié)的要求。平時此類項目中，尋常的做法是通過下載谷歌三維地形及位圖的方式來表達當?shù)氐牡乩憝h(huán)境。首先橋梁模型制作、地形搭建。其次場景細化，貼位圖于地形上，植被鋪設(shè)。最后渲染出樣幀圖片。結(jié)果這類方式展現(xiàn)的效果卻差強人意。3DMAX展示手段的弊端表露無遺。

平時項目中動輒以幾十上百公里的長大線路，展示也基本為線路的位置與走向。此類情況下，由于相機離目標偏遠的位置關(guān)系，導致從谷歌上下載的地形及位圖精度要求都大大降低了。而眼前的項目只是截取線路中一座橋的展示，它涉及的相機就是多變的，有遠有近。相機離得遠問題不大，但隨著相機推進對橋的局部做特寫。地形模型的細節(jié)丟失，貼圖的模糊不清就統(tǒng)統(tǒng)毫不留情地展現(xiàn)出來。

面對3DMAX的這種弊端，UE4很好的避開了，或者說是UE4是基于傳統(tǒng)三維軟件的進階產(chǎn)品。首先是地形灰度圖的細節(jié)問題，MAX中生成的模型只有大的起伏關(guān)系，里面的細節(jié)丟失嚴重。而UE4自帶的地形生成工具，能有效地保留灰度圖上的眾多細節(jié)。其次貼圖方面UE4更是強項，通過頂點繪制可以給山體刷上不同的材質(zhì)。使用alpha筆刷，可以把不同材質(zhì)間進行過渡或者滲透，方便制作者科學直觀的模擬真實地形細節(jié)。而且它不是單單的刷出材質(zhì)紋理貼圖，可以把pbr里面的所有貼圖通道都能一起刷上模型，這樣就算相機靠得非常近也會有材質(zhì)細節(jié)展現(xiàn)。最后就是光影效果，UE4能完全模擬真實世界的光照信息，這是3DMAX不能比擬的。

當然，如此大體量的場景全靠手動繪制貼圖，工作量也是異常的巨大。于是UE4里面提供了自動地貌生成工具。通過藍圖的制作，可以把之前手繪制作的幾種貼圖，依據(jù)模型的法線方向和高度自動依附上去。UE4對大多的三維軟件有著出色、友好的銜接，它甚至可以完美繼承Substance Painter的材質(zhì)屬性。使用了ZBrush和Substance Painter軟件進行輔助，這已經(jīng)是這個行業(yè)常用的手段。在ZBrush中對地形中存在的特有裸露巖石進行雕刻繪制，再進入Substance Painter里面生成貼圖通道，最后進入UE4里面制作。這樣達到的效果，貼圖細節(jié)豐富，而且操作比手動繪制要少許多工作量。它展示出來的細節(jié)，可以細膩到山石夾縫中的灰層堆積物都能區(qū)分出來。通過UE4的加工制作，完美的符合了客戶提出的要求。

UE4虛擬環(huán)境中還可以加入眾多的數(shù)據(jù)信息，觀看者可以漫游到隧道口，查看隧道的長度、施工方法、水泥標號等客戶需要了解的信息。

在指導施工方面，UE4可以制作一個生命周期的生長動畫。施工方完全可以按照生長周期施工，具體的到每根鋼結(jié)構(gòu)的尺寸，樣式、材質(zhì)都可以真實的展示給施工人員。

五、結(jié)語

綜上所述利用UE4平臺展示線路工程是可行的。UE4區(qū)別其他平臺的主要進步是，它把美術(shù)與計算機編碼融合在一起，更好地輔助與美術(shù)設(shè)計師的創(chuàng)作，可以淋漓盡致地展現(xiàn)設(shè)計師頭腦中的構(gòu)思，所以它才能展示出那么多的三維作品。對現(xiàn)在的地鐵、大鐵、高鐵等大型工程來說，不僅僅只是向甲方展示線路A點到B點的一條紅線。它需要多方位、多角度地向甲方闡述線路的設(shè)計理念。設(shè)計理念的灌輸，只靠冗繁的平面圖紙與文字闡述是遠遠不夠的。它需要生動、形象的方式讓客戶沉浸在影院般的視聽效果中去接受與理解，于是UE4就成了未來超長線路展示手段中最優(yōu)秀的選擇。

參考文獻：

[1]任可欣，張琪.UE4與虛擬校園交互設(shè)計.智庫時代，2019（000）040：266.

[2]陳勇進.虛擬仿真技術(shù)在建筑工程施工中的應(yīng)用研究.福建建材，2016.

作者簡介：王文龍（1980—），男，漢族，重慶人，大專，助理工程師，研究方向：工程項目的展示及表現(xiàn)手段。