漫游動畫及VR 沉浸式三維交互技術(shù)在工業(yè)項目上的應(yīng)用研究

肖驍，常躍鐔

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

科技推動建筑業(yè)各個方面的發(fā)展。人們可以看到建筑設(shè)計越來越精細，施工質(zhì)量越來越好，同時，建筑表現(xiàn)也趨于多樣化，傳統(tǒng)的二維效果圖等表現(xiàn)形式已經(jīng)不能滿足市場需求，畢竟再逼真的效果圖或者模型，也比不上虛擬環(huán)境提供的真實的尺度感。因此，為了提高建筑設(shè)計能力，滿足市場日益提高的審美及加強建筑方案表現(xiàn)力，必須應(yīng)用動畫和VR 技術(shù)這些建筑表現(xiàn)的新工具。

2 漫游動畫和VR 的技術(shù)特點

VR 即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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【1】。虛擬現(xiàn)實是多媒體技術(shù)的終極應(yīng)用形式，它是計算機軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能及行為心理學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展的結(jié)晶。通過特定的方式（戴上立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、特制的傳感設(shè)備等），能夠在虛擬環(huán)境中完成觀察、行走、探索等操作，就好像在真實世界里一樣。其特點如下2.1～2.4 所述。

2.1 真實性

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠很真實地模擬外部世界，體現(xiàn)現(xiàn)實因素，使人猶如置身3D 電影的感覺，以此使得非建筑專業(yè)人員也能對建筑工程有直觀的理解。

2.2 參與性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)比看3D 電影更進步的方式在于：作為項目的觀察者，同時又是虛擬環(huán)境的參與者，可以“真實”地體驗周圍環(huán)境，或者說體現(xiàn)了以人為核心的自由：無論你是想觀察哪里、觀察哪個樓層或者觀察多長時間，完全由個人決定。

2.3 交互性

在虛擬世界中，所見即所得。立體眼鏡所看到的物體，理論上也可以通過數(shù)據(jù)手套抓取、移動等操作，能夠得到觸碰物體的反饋。在虛擬世界中直接調(diào)整建筑模型、材質(zhì)，效果直觀，方便快捷【2】。

2.4 引領(lǐng)性

對于非專業(yè)人士而言，如何引導(dǎo)他們按照建筑師設(shè)計的順序觀察建筑，往往會影響對建筑的評價，如何把自己的想法明明白白地展示給甲方，是一個很大的挑戰(zhàn)。漫游動畫就是VR 技術(shù)的實際應(yīng)用之一，動畫是VR 衍生出的生動的表達方式。建筑師可以提前設(shè)定好路線，在整個游覽路徑中，逐步展示整個項目的“起承轉(zhuǎn)合”，同時輔助錄制的語音講解，在短時間內(nèi)讓甲方接收到最優(yōu)質(zhì)、最有邏輯的信息。

3 漫游動畫和VR 的技術(shù)意義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)生動直觀地展現(xiàn)有關(guān)建筑的各種具有實在感的場景信息，全方位地展示建筑物內(nèi)外部空間及功能，在項目前期投標(biāo)、申報、審批、交流中，使目標(biāo)受眾產(chǎn)生強烈的興趣，帶來逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗。它的意義有以下5 個方面。

3.1 提高建筑設(shè)計的品質(zhì)

在建筑設(shè)計階段，能夠直觀反映建筑師的設(shè)想；和傳統(tǒng)建模相比，看見的不是平面化的圖形，而是自己站在已經(jīng)建造完成的建筑環(huán)境中漫游。同時進行多方案比較，將不同的方案建模完畢，在虛擬世界中進行觀察，利于建筑師對比各個方案的優(yōu)劣，幫助設(shè)計師快速進行方案的決策。因為VR 是用體驗的判斷代替經(jīng)驗的判斷，因此，VR 技術(shù)是建筑方案設(shè)計論證的有效途徑。

3.2 降低風(fēng)險，保護投資

建筑設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，它的內(nèi)涵包括：美學(xué)、人文、安全、功能等要素。建筑本身具有不可逆性，在前期設(shè)計時，只有不斷分析方案的可行性、比較多個方案的特點并反復(fù)修改，才能避免在施工過程中出現(xiàn)問題，否則很可能導(dǎo)致資源浪費。運用VR 的前瞻性，就能降低能源消耗率，有效避免決策錯誤，有利于促進工業(yè)建筑健康穩(wěn)定發(fā)展，為社會的綠色環(huán)保事業(yè)做出貢獻；完備前期設(shè)計，也體現(xiàn)了綠色建筑設(shè)計理念。

3.3 變革工作方式

目前的設(shè)計工具有CAD、sketchup、犀牛等，VR 技術(shù)的快速發(fā)展，很可能會引起工作方式的變革，未來的設(shè)計師在完全虛擬的環(huán)境中建造，對建筑的觀察不再是平面畫的顯示屏，而是“身臨其境”。

3.4 幫助公司向研發(fā)型企業(yè)過渡

在信息時代，如果公司想要更好地生存和發(fā)展，向研發(fā)型企業(yè)過渡是一個重要途徑。VR 技術(shù)的直觀性可以讓設(shè)計師把精力更多地投入到設(shè)計之中，而非亦步亦趨地修改設(shè)計圖；同時虛擬建造的應(yīng)用，可以提前預(yù)判各專業(yè)的配合度，減少碰撞。

3.5 有利于展示和宣傳

鑒于目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)的臨場體驗；這是建筑展示、宣傳方式的一大革命。

4 漫游動畫和VR 在工業(yè)項目上的應(yīng)用

工業(yè)項目具有基地面積大、工藝要求復(fù)雜、廠區(qū)內(nèi)包括民用和工業(yè)建筑的特點；這些特點決定了工業(yè)項目的設(shè)計具有修改次數(shù)多、工作量大的特性。應(yīng)用漫游動畫和VR 技術(shù)將有效提升和客戶的溝通效率，達到降低設(shè)計修改次數(shù)，縮短項目周期的目的。在設(shè)計階段，通過VR 技術(shù)進行展示設(shè)計，可以模擬真實的廠區(qū)環(huán)境、周邊景觀、內(nèi)部場景等，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)和個性化的服務(wù)。

工業(yè)項目一般分為廠前區(qū)和主廠區(qū)2 個部分。廠前區(qū)為配套民用建筑，包括辦公樓、研發(fā)樓、職工宿舍和食堂等，同時作為企業(yè)的形象展示，兼顧美觀；主廠區(qū)基本為工業(yè)廠房，為生產(chǎn)服務(wù)。

工業(yè)建筑的特點有：（1）需要滿足生產(chǎn)工藝的要求。廠房建造的目的是為了生產(chǎn)，需要按照工藝要求和流程調(diào)解體量大小構(gòu)造做法和比例，而且生產(chǎn)工藝不同的廠房具有不同的特征。例如，醫(yī)藥廠房、電子廠房、物流廠房等，對開窗形式、潔凈度、結(jié)構(gòu)荷載、廠房類別等的要求是不一樣的。（2）構(gòu)造處理較復(fù)雜。主要體現(xiàn)在采光、通風(fēng)、屋面排水等節(jié)點構(gòu)造處理較復(fù)雜。大多數(shù)廠房主要以鋼結(jié)構(gòu)為主，這就決定了節(jié)點構(gòu)造的復(fù)雜性，比如，屋面采光帶、屋頂天窗、高低跨伸縮縫等，都需要滿足采光、保溫、節(jié)能、美觀等功能。（3）對美觀的要求越來越高。工業(yè)建筑對美觀的要求，在未來是和民用相差無幾的；工業(yè)建筑設(shè)計不能像以前那樣僅僅滿足工藝要求就行了，現(xiàn)在越來越流行的工業(yè)旅游和技術(shù)的發(fā)展，使得廠房的外觀發(fā)生了很大變化。（4）單體建筑體量大。工業(yè)建筑體量巨大、層高較高、占地面積廣是一個很直觀的特點。這個特點有助于建筑師對空間的改造和劃分，充分發(fā)揮自己的主觀能動性。以上這些內(nèi)容和細節(jié)的展示，都可以用動畫演示來實現(xiàn)。

4.1 建模

模型是進行渲染和VR 觀察的物質(zhì)基礎(chǔ)，在進行導(dǎo)出動畫或者VR 觀察之前，需要使用建模軟件把模型建立起來。而所使用的建模軟件為sketchup。

sketchup 建立模型流程如下：（1）首先整理CAD 文件，刪除不必要的線條，僅保留建筑要素；最后在sketchup 中導(dǎo)入CAD 文件。（2）把CAD 線條推拉成立體模型，再進行修改細化，使素?；緷M足設(shè)計預(yù)期。（3）在sketchup 中賦予模型特定材質(zhì)，完成從素模到具有顏色和質(zhì)感的模型的轉(zhuǎn)換。（4）地形制作：主要有2 種方法，一種是和建筑建模一樣，導(dǎo)入地形CAD，把線條轉(zhuǎn)換成立體模型，再進行修改和完善；另一種是在地圖工具中，抓取對應(yīng)基地的實景航拍圖片，在sketchup 中導(dǎo)入圖片。第二種方法簡便快捷，效果也較好。為了解決導(dǎo)入圖片模糊問題，需要用到PS 的切片工具；把提取出的高清大圖在PS 中切成若干份，然后再把這組圖片導(dǎo)入sketchup 中，這就解決了基地圖片失真的問題。（5）將建筑移動到地形中的正確位置，然后插入樹木、灌木、人物、車輛等配景模型，增加環(huán)境的豐富度和尺度感；最后調(diào)整光影，完善環(huán)境氣氛。

4.2 渲染和 VR 觀察

模型完工以后，已經(jīng)具備了進行渲染的條件，選用的實時渲染軟件是enscape。相比較傳統(tǒng)渲染軟件，在滿足效果的同時，極大節(jié)省渲染時間。

enscape 可以看作是sketchup 兼容的一款插件，所謂實時渲染，就是所見即所得，在打開的enscape 窗口中，可以直接看見渲染效果，在sketchup 中調(diào)整模型，就會以渲染完成的結(jié)果出現(xiàn)在enscape 窗口中，這種效果可以直接反映在VR 觀察上。無論是模型角度、形態(tài)，還是材質(zhì)顏色的調(diào)整，都能即時反映。VR 技術(shù)可以通過文字、圖片、聲音和動畫多種媒體形式展示項目，突破平面的局限性，使受眾更加深入和全面地了解項目信息，在項目和體驗者之間建立良好的互動，有效解決項目展示中真實感不足的問題。

打開enscape 以后，可以導(dǎo)出圖片，就成了傳統(tǒng)意義上的“效果圖”。這種靜態(tài)效果圖有助于加深觀察者的印象，所以也是有價值的。如果對渲染效果不太滿意，可以在sketchup 中調(diào)整模型，在enscape 中實時反饋調(diào)整結(jié)果，直到符合要求。

VR 技術(shù)的衍生，可以很方便地生成動畫和效果圖。導(dǎo)出的效果圖可以在photoshop 中進行完善，最終完成匯報文本的制作。運用VR 技術(shù)可以提升設(shè)計展示的豐富度，無論是經(jīng)典的二維靜態(tài)效果圖，還是方案介紹動畫，或者客戶自己親身體驗設(shè)計成果，都能夠“一條龍”服務(wù)。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)實際應(yīng)用效果較好，在建筑設(shè)計和溝通展示方面都有獨特的優(yōu)勢，但目前還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫。此外，頭戴VR 頭盔的使用者如果運用不當(dāng)，可能會給用戶帶來頭暈惡心的感覺。在虛擬世界中的交互和行走應(yīng)該更加人性化，可以把客戶想象成玩家，項目就是一個體驗的游戲；如何讓用戶使用起來舒服，是VR 技術(shù)需要克服的挑戰(zhàn)。但隨著技術(shù)的進步和市場的成熟，虛擬現(xiàn)實在建筑領(lǐng)域必將普及開來，充分發(fā)揮其特有的功能。