虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑場(chǎng)景制作教學(xué)中的應(yīng)用

基金項(xiàng)目：本論文為湖南省教育廳科研項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維虛擬教學(xué)環(huán)境研究”，編號(hào)：13C652摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。本文主要介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑場(chǎng)景制作中的應(yīng)用，主要包括繪制故事板、建筑建模、材質(zhì)和貼圖制作、燈光和攝像機(jī)、動(dòng)畫渲染等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；建筑場(chǎng)景；3DSMAX

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的起源與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)的概念由美國(guó)RPL研究公司的創(chuàng)始人杰倫?拉尼爾于20世紀(jì)60年代提出。早在1992年，在美國(guó)的東卡羅琳那大學(xué)成立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育實(shí)驗(yàn)室。英國(guó)在紐卡斯?fàn)栔袑W(xué)建立了以國(guó)際維度技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件包，探索用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行外語(yǔ)和工業(yè)安全培訓(xùn)的方法。目前國(guó)內(nèi)的很多高校和企業(yè)也都開展了有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)的課題研究，如北京航空航天大學(xué)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于分布式飛機(jī)模擬等方面；浙江大學(xué)將其應(yīng)用于在建筑虛擬規(guī)劃和虛擬設(shè)計(jì)等方面。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑場(chǎng)景制作教學(xué)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)過程中，建筑設(shè)計(jì)過程往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，付出很大的代價(jià)。在建筑設(shè)計(jì)的過程中，我們往往只能通過建筑圖紙來了解建筑效果和建筑設(shè)計(jì)方案，這些方法使受眾很難全面、直觀、準(zhǔn)確地了解建筑的設(shè)計(jì)意圖。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)制作出三維建筑模型，再應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)、人工智能等手段使觀者能從各個(gè)角度全方位的感受建筑空間，這樣也更能方便地對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。接下來我們以某商品房小區(qū)為例研究虛擬現(xiàn)實(shí)在建筑場(chǎng)景制作中的應(yīng)用以及生成虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的方法。

(1)繪制故事板。故事板最初起源于動(dòng)畫行業(yè)，在短片還沒有正式制作前，導(dǎo)演應(yīng)用故事板來記錄一些重要的鏡頭。故事版通常是以黑白草圖的形式來簡(jiǎn)要說明場(chǎng)景中的主要鏡頭，它反映了導(dǎo)演在動(dòng)畫開始制作前的基本構(gòu)思和想法。因此，故事板策劃的好壞將直接影響到整個(gè)故事的成敗。用于建筑場(chǎng)景制作的故事板通常包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：攝像機(jī)的起始位置；關(guān)鍵鏡頭的畫面構(gòu)圖；鏡頭語(yǔ)言及鏡頭過渡、主光及輔光的擺放位置及材質(zhì)貼圖方式等。

(2)建模。制作建筑場(chǎng)景，首先要做的就是三維場(chǎng)景建模。三維建模是場(chǎng)景和虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。建筑場(chǎng)景通常都比較龐大，模型的面數(shù)也比較多。為了使建筑場(chǎng)景能流暢的播放和運(yùn)行，我們?cè)诮５倪^程中不僅要使模型盡量的逼真，而且要想辦法盡量減少模型的面段數(shù)。1)建筑場(chǎng)景的特點(diǎn)。建筑場(chǎng)景是人們將居住空間和自然環(huán)境有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它是人類文明發(fā)展的產(chǎn)物，反映了人們對(duì)美的認(rèn)知和追求，是人與自然和諧相處的體現(xiàn)。在建筑場(chǎng)景中，模型的形式有多種多樣，如樓房、地形、路燈、庭院、店鋪、水景等。由于模型的類型多種多樣，所以建模的手法也會(huì)有所不同。尤其是庭院、路燈、水景等，它們?cè)煨惋L(fēng)格各異且大多為曲線造型，再加上它們往往和自然景觀融合在一起，因此更增加了建模的難度。2)建筑場(chǎng)景模型制作。在3dsmax中，常用的建模方法有多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。我們?cè)谥谱鹘ㄖ?chǎng)景模型的時(shí)候通常采用多邊形建模的方法，因?yàn)槎噙呅谓Ｊ腔谌切蚊婧退倪呅蚊娴钠唇?，且操作較為簡(jiǎn)便容易掌握，比較適合于建筑建模。由于建筑場(chǎng)景往往比較龐大，所以我們?cè)谶M(jìn)行多邊形建模的時(shí)候要盡量減少面段數(shù)，那些看不見的或不會(huì)被渲染到的面最好刪掉。還可以通過透明貼圖等方法來制作樹木、鏤空物體等模型，這種方法雖然可以減少模型的面段數(shù)，由于是通過貼圖方式來制作模型，座椅容易產(chǎn)生立體感不強(qiáng)，模型不夠精細(xì)等缺點(diǎn)。此外還可以通過speed tree、tree storme等插件或利用代理模型來制作樹木模型?？傊跐M足渲染效果及品質(zhì)不受影響的前提下，文件越小越好，這更有利于后期的制作和渲染。

(3)材質(zhì)和貼圖。模型制作完成后，接下來要做的是模型的材質(zhì)和貼圖，材質(zhì)可以制作出物體的顏色、光澤、透明等效果。貼圖有多種多樣，如漫反射貼圖、不透明度貼圖、反射貼圖、凹凸貼圖等。通常我們需要給物體指定UVW貼圖修改器，通過選擇貼圖的類型，調(diào)整貼圖的長(zhǎng)寬比，使貼圖到理想效果。通過給物體指定材質(zhì)和貼圖，再搭配燈光和渲染器，我們就能夠制作出真實(shí)的模型效果。

(4)燈光和攝像機(jī)。通過應(yīng)用MAX的虛擬攝像機(jī)和燈光系統(tǒng)能更好地模擬出場(chǎng)景的真實(shí)效果。1)燈光的設(shè)置。如果場(chǎng)景中應(yīng)用了VRAY渲染器進(jìn)行渲染，通常只需要放置簡(jiǎn)單的主光和輔光，漫反射的燈光效果可以通過VRAY渲染器中的間接照明功能進(jìn)行計(jì)算。如果場(chǎng)景中沒有使用VRAY渲染器，通常需要用燈光矩陣的辦法來設(shè)置燈光。在渲染建筑的時(shí)候使用燈光矩陣，其主要原因還是渲染速度，大多數(shù)情況下而言，燈光矩陣的渲染效率非常高。雖然現(xiàn)在VRAY、全局光渲染器也很快，但是并不意味著燈光矩陣就過時(shí)了，掌握燈光矩陣的原理，在建筑這種大場(chǎng)景渲染中，仍然是必需的。在本建筑場(chǎng)景中，我們選擇了目標(biāo)平行光作為主光源，陰影類型為VRAY陰影。在攝像機(jī)不可視的地方，我們?cè)O(shè)置了燈光排除，在光線不足的地方，我們?cè)黾恿搜a(bǔ)光。2)攝像機(jī)。攝像機(jī)作為用于最終的動(dòng)畫效果表現(xiàn)，是必不可少的，它包括焦距、位置、角度等幾個(gè)調(diào)節(jié)項(xiàng)目。在本建筑場(chǎng)景動(dòng)畫中，攝像機(jī)大多是通過路徑約束動(dòng)畫的方式來制作，也可以按照關(guān)鍵幀動(dòng)畫的制作方式手動(dòng)的調(diào)整攝像機(jī)的位置、角度等，還可以手動(dòng)的調(diào)節(jié)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，使有些鏡頭產(chǎn)生緩入緩出的特殊效果。

(5)渲染。當(dāng)模型、材質(zhì)、燈光等工序完成后，在正式輸出動(dòng)畫之前，還需要對(duì)渲染輸出做很多設(shè)置。渲染輸出設(shè)置至關(guān)重要，在每次輸出前都要確認(rèn)一下，主要有制式、格式、文件命名以及與電視相關(guān)等內(nèi)容。如果應(yīng)用了VRAY渲染器進(jìn)行渲染，還需要對(duì)抗鋸齒參數(shù)、間接照明中首次反彈、二次反彈參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。渲染建筑漫游動(dòng)畫的時(shí)候，通常需要先渲染動(dòng)畫光子，再渲染最終動(dòng)畫。渲染完成后輸出的序列文件可以通過Premiere、AE、Vegas 等軟件進(jìn)行剪輯、合成及配樂等，如果要實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫的交互功能則需要通過虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具才能實(shí)現(xiàn)。在這篇文章里，我們只研究了虛擬現(xiàn)實(shí)園林建筑的前期建模的優(yōu)化，至于虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性，是它的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，也是它最吸引人眼球的地方，有待于我們?cè)诮窈笞龈钊氲难芯俊?/p>

本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)建筑場(chǎng)景的制作過程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，主要包括：模型的制作方法及要求、材質(zhì)貼圖的制作方法、燈光選擇及布置、后期渲染及合成處理等。總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑場(chǎng)景制作中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來發(fā)展方向，它能讓人們產(chǎn)生身臨其境的感覺，給人們?nèi)碌挠^察視野。

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作者簡(jiǎn)介：周增輝(1982—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，講師，2010年畢業(yè)于湖南師范大學(xué)美術(shù)學(xué)院，湖南信息學(xué)院人文藝術(shù)系藝術(shù)創(chuàng)意教研室主任。endprint