基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)體驗(yàn)研究
——以UE4引擎為例

莫 畏 趙文斌

（吉林建筑大學(xué)）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)，也稱靈境技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、體感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)作捕捉和龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算產(chǎn)生精確的模擬回饋，使得用戶可以同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)交互體驗(yàn)系統(tǒng)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大應(yīng)用類型

隨著計(jì)算機(jī)硬件的升級(jí)和軟件系統(tǒng)的不斷研發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近年來(lái)得到飛速發(fā)展，2016年更是被業(yè)界定義為虛擬現(xiàn)實(shí)元年，其主要具有以下三大類型的運(yùn)用：

（1）現(xiàn)場(chǎng)表演，我們知道我們?cè)谟^看需要買(mǎi)票的現(xiàn)場(chǎng)表演時(shí)總是為票價(jià)所困擾，不同的票價(jià)代表著不同的觀看位置和觀看角度，虛擬現(xiàn)實(shí)則打破這一境況。著名的太陽(yáng)馬戲團(tuán)曾做過(guò)幾次虛擬現(xiàn)實(shí)演出，在舞臺(tái)的正中央樹(shù)立一個(gè)360°周天攝像機(jī)，所有的演員都對(duì)著攝像機(jī)演出，而觀眾們則都帶著虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式演示儀，盡管他們坐在不同的位置，但通過(guò)頭戴式演示儀，他們的視野直接與攝像機(jī)相連，所有的觀眾都可以隨意選擇自己想要看到的視角而不再是以往由票所決定的固定視角。

（2）社交體驗(yàn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將不同地理位置的用戶聯(lián)系起來(lái)，共享一個(gè)虛擬環(huán)境，用戶可以為自己選擇一個(gè)虛擬身份進(jìn)入該環(huán)境。比如《SecondLife》這一網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，曾吸引了路透社、BBC等多家機(jī)構(gòu)在社區(qū)中設(shè)立宣傳平臺(tái)，出現(xiàn)過(guò)線上判例和線下判例的混合，甚至幾十個(gè)國(guó)家在虛擬社區(qū)中設(shè)立真正可以發(fā)簽證的大使館。

（3）主題交互體驗(yàn)，通過(guò)設(shè)立主題館，根據(jù)實(shí)體1：1建立虛擬場(chǎng)景模型，在主題館中穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行交互體驗(yàn)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用

自從計(jì)算機(jī)代替了傳統(tǒng)的手繪圖紙，CAD軟件得到了廣泛的應(yīng)用，它具有手繪無(wú)可比擬的方便性和準(zhǔn)確性，同時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)果也更加容易隨時(shí)保存和修改。然而，從設(shè)計(jì)者的角度來(lái)看，傳統(tǒng)評(píng)估項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案是通過(guò)分析抽象的平面設(shè)計(jì)圖，決策者基本憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。即使已經(jīng)有了先進(jìn)的三維模型建立系統(tǒng)（犀牛、3dsMax、SU等），使得設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠隨時(shí)看到與實(shí)物相近的三維模型，但是，他們依然需要通過(guò)二維的平、立、剖圖來(lái)進(jìn)行推敲和改進(jìn)設(shè)計(jì)。這樣一個(gè)圖的細(xì)微改動(dòng)就會(huì)使得其他圖紙和設(shè)計(jì)結(jié)果的改動(dòng)，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是目前最佳的解決方案，該系統(tǒng)完全根據(jù)設(shè)計(jì)圖或設(shè)計(jì)師的構(gòu)想1：1制作而成的三維立體場(chǎng)景，通過(guò)佩戴專業(yè)的頭戴式顯示儀讓人身臨其境在虛擬場(chǎng)景中仔細(xì)觀察設(shè)計(jì)的每一處細(xì)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)、材料、顏色和位置都可以進(jìn)行非常全面直觀的了解和分析。當(dāng)我們穿戴上頭戴式顯示儀后，我們就站立在所做的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，我們可以對(duì)某一地面鋪裝、景觀節(jié)點(diǎn)、甚至對(duì)每顆樹(shù)都可以進(jìn)行多角度的仔細(xì)觀察，它引導(dǎo)你進(jìn)行深入分析，這樣的分析就非常直觀和透徹，看看效果是否理想，用材是否經(jīng)濟(jì)，同時(shí)，通過(guò)比較生成多種設(shè)計(jì)方案，比如路面材料想換一換看看效果，那就可以直接更改模型數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行分析和比較，無(wú)需通過(guò)二維圖面與三維模型的反復(fù)轉(zhuǎn)換，將設(shè)計(jì)師的精力集中在設(shè)計(jì)構(gòu)思上，充分發(fā)揮其設(shè)計(jì)靈感。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)幫助設(shè)計(jì)師和決策者提供最有效的參考和借鑒作用，這是以往的平面圖等表現(xiàn)手法無(wú)法做到的，它可以幫助開(kāi)發(fā)商盡可能的在施工前減少在設(shè)計(jì)上考慮不到的細(xì)節(jié)問(wèn)題，避免出現(xiàn)決策失誤，這對(duì)于設(shè)計(jì)階段來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑表現(xiàn)的應(yīng)用

（1）漫游體驗(yàn)系統(tǒng)，不同于以往的建筑漫游動(dòng)畫(huà)被動(dòng)地通過(guò)攝像機(jī)既定視角進(jìn)行動(dòng)畫(huà)渲染，讓人看到的是動(dòng)畫(huà)渲染師想讓人看到的視角。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將方案中的建筑、景觀、室內(nèi)等1：1的模擬成極逼真的虛擬場(chǎng)景，通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示儀和搖桿設(shè)備，在建筑場(chǎng)景中隨意行走，通過(guò)肢體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)空間與時(shí)間變換，通過(guò)頭部移動(dòng)進(jìn)行視角移動(dòng)，以任意視角進(jìn)行觀看，就如身臨其境一般的體驗(yàn)未來(lái)的建筑環(huán)境。給體驗(yàn)者帶來(lái)強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)沉浸感。

（2）室內(nèi)交互系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅是一個(gè)演示系統(tǒng)，也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)工具，傳統(tǒng)房屋裝修，我們通常是根據(jù)自己的喜好，提供給設(shè)計(jì)師所想要得到的風(fēng)格意向，然后經(jīng)過(guò)不同的效果圖比較選擇更為滿意的方案。而這種設(shè)計(jì)往往會(huì)帶有設(shè)計(jì)師本身明顯的痕跡而忽略用戶的實(shí)際體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所制作的室內(nèi)交互系統(tǒng)，可以在構(gòu)建模型以后讓用戶直接漫游于室內(nèi)空間，根據(jù)自己的喜好選擇不同的裝修材料、家具等，最后設(shè)計(jì)師根據(jù)用戶選擇的模型信息再進(jìn)行最終設(shè)計(jì)，這種退讓型設(shè)計(jì)，更加體現(xiàn)了設(shè)計(jì)為用戶服務(wù)的理念。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)室內(nèi)交互

（3）傳統(tǒng)建筑修復(fù)，首先將傳統(tǒng)建筑通過(guò)影像數(shù)據(jù)采集建立三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，保存?zhèn)鹘y(tǒng)建筑原有的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和空間關(guān)系等，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑高精度和永久的保存；然后利用這項(xiàng)技術(shù)提高傳統(tǒng)建筑修復(fù)的精度和預(yù)先判斷、選取將要采用的保護(hù)手段，縮短修復(fù)工期等。也可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)進(jìn)行已經(jīng)一些傳統(tǒng)建筑的復(fù)原，更加全面、逼真的展示已經(jīng)無(wú)法看到的傳統(tǒng)建筑。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑保護(hù)和修復(fù)的現(xiàn)代化、信息化。

（4）銷售展示，傳統(tǒng)的房地產(chǎn)售房部，沙盤(pán)、效果圖甚至漫游動(dòng)畫(huà)都會(huì)受到技術(shù)本身的特點(diǎn)限制，使得賣(mài)點(diǎn)無(wú)法直觀的展示給顧客，從未使得銷售效果不佳。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過(guò)逼真的虛擬場(chǎng)景使得顧客可以提前感受未來(lái)的生活環(huán)境，身臨其境的漫游在景觀大道上，感受鳥(niǎo)語(yǔ)花香的優(yōu)美居住環(huán)境，再抬頭參觀華麗的建筑外觀；甚至可以“走入”室內(nèi)戶型，察看室內(nèi)的布局結(jié)構(gòu)，或站在自家陽(yáng)臺(tái)上觀賞周圍的環(huán)境綠化。在期房銷售期間，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為開(kāi)發(fā)商提供了一種新穎、獨(dú)特的營(yíng)銷平臺(tái)，極大改善了傳統(tǒng)展示手法的不足，充分突出項(xiàng)目賣(mài)點(diǎn)，使樓盤(pán)的品質(zhì)得到更好的體現(xiàn)。觀眾在游玩中吸收樓盤(pán)策劃的賣(mài)點(diǎn)，從而增強(qiáng)購(gòu)買(mǎi)熱情，堅(jiān)定購(gòu)房信心，促進(jìn)項(xiàng)目的銷售。開(kāi)發(fā)商也可以根據(jù)客戶的體驗(yàn)反饋，來(lái)進(jìn)行未來(lái)樓盤(pán)的配套改進(jìn)。

3 Unreal Engine4引擎制作的建筑漫游

Unreal Engine 4引擎是Epic Games公司最新的業(yè)內(nèi)頂級(jí)游戲引擎，目前在游戲、建筑、電影等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。UE4具有非常棒的圖形處理能力，包括高級(jí)動(dòng)態(tài)光照、全新粒子系統(tǒng)等。利用游戲引擎制作建筑模型，可以將建筑漫游游戲化，使越來(lái)越多的青年一代更容易接觸建筑行業(yè)。游戲引擎是實(shí)時(shí)渲染，它具有速度快和能產(chǎn)生交互的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)游戲引擎就是用一些奇奇怪怪的方法騙過(guò)你的眼睛，比如做鏡面反射需要用Cubemap，但這不是一個(gè)物理模型，只是一個(gè)trick真實(shí)的鏡面反射需要老老實(shí)實(shí)的做ray tracing。而傳統(tǒng)建筑渲染講究的是物理模型，這種材質(zhì)是什么物理模型，反射率多少，透光率多少。只要真實(shí)的數(shù)據(jù)一輸入，就能達(dá)到所要的物理渲染效果。所謂的數(shù)據(jù)輸入與渲染結(jié)果的一致性。

游戲引擎不僅具有比現(xiàn)存三維模型更加絢麗、逼真的材質(zhì)貼圖、渲染效果（圖2～3），還具有三維軟件不具備的腳本程序功能。通過(guò)UE4制作的建筑模型，能夠通過(guò)程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一些基礎(chǔ)的人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)、開(kāi)關(guān)燈、上下電梯等現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作、功能（圖4）。通過(guò)UE4引擎來(lái)制作的建筑漫游模型也可以直接對(duì)接Oculos公司的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示儀，就可以進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)建筑漫游，再結(jié)合最新的Virtuix Omni360°跑步機(jī)給體驗(yàn)者帶來(lái)全新的逼真體驗(yàn)和自由自在的建筑場(chǎng)景漫游。

圖2 UE4建筑場(chǎng)景

圖3 UE4建筑場(chǎng)景

圖4 UE4程序?qū)崿F(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備的不斷推出和普及使得未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將普及，而建筑領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)化發(fā)展也必將成為一種趨勢(shì)。從某種意義上講，虛擬現(xiàn)實(shí)改變了人們的思維方式，要加強(qiáng)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，就要從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多個(gè)方面，從建筑設(shè)計(jì)的多個(gè)角度進(jìn)行綜合分析研究，從而使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好更有效的作用于建筑領(lǐng)域。

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