基于實時渲染技術(shù)的室內(nèi)家居設計研究

蔣敘 吳智慧

摘要：目前住房需求節(jié)節(jié)攀升，行業(yè)競爭越來越激烈，信息化、智能化技術(shù)應用廣泛，家居設計行業(yè)正進入大眾消費、娛樂消費和品質(zhì)消費共存的消費時代，亟須融合新技術(shù)向前邁進。隨著渲染技術(shù)的進一步發(fā)展，實時渲染技術(shù)的運用更加廣泛，在室內(nèi)家居設計領(lǐng)域，實時渲染技術(shù)可以幫助設計師和客戶快速預覽家居設計方案，并且可以在設計過程中進行修改。將實時渲染技術(shù)應用于家居設計，能更新現(xiàn)代家居設計行業(yè)的發(fā)展模式，結(jié)合消費者的真實體驗，及時溝通家居場景的修改。目前室內(nèi)設計大多還是運用3Ds Max、Blender、SketchUp這類主流建模、渲染軟件，這類軟件在與實時渲染技術(shù)相結(jié)合的過程中，為追求畫面的流暢度，不得不通過優(yōu)化模型的方式來彌補電腦配置、網(wǎng)絡流送的缺陷。傳統(tǒng)的優(yōu)化方式是創(chuàng)建不同的LOD模型，這種方式過于煩瑣且展示效果不理想。文章對實時渲染技術(shù)及實時渲染引擎進行概述，提出用UE5 Nanite技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LOD技術(shù)，并結(jié)合具體室內(nèi)家居設計案例分析Nanite技術(shù)的優(yōu)勢，旨在為實時渲染技術(shù)在室內(nèi)家居行業(yè)的運用提供可靠的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：實時渲染；UE5；Nanite；室內(nèi)家居設計

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）20-00-04

0 引言

我國室內(nèi)家居行業(yè)經(jīng)過近40年的發(fā)展，取得了一定的成就，在世界上具有廣泛的影響［1］。定制家居企業(yè)為滿足大規(guī)模、柔性化生產(chǎn)需求，需要借助大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)4.0先進軟硬件技術(shù)支撐企業(yè)發(fā)展。無論是民用家具還是辦公用家具，皆由傳統(tǒng)的企業(yè)引導發(fā)展變?yōu)楝F(xiàn)在的消費者引導，采用個性化定制模式［2-3］。隨著5G技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能家電、智能家具等硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)形成生態(tài)圈，住宅中智能化應用場景快速增加，因此不同場景下的家居設計需求更加多樣化，為家居行業(yè)尤其是定制行業(yè)帶來了更大的發(fā)展空間。體驗智能家居的模式將逐漸進入大眾視野［4］。

1 實時渲染技術(shù)概述

渲染主要有離線渲染和實時渲染這兩種類型，兩種方式有各自不同的特點。

1.1 計算機圖形學角度分析

從計算機圖形學角度來看，兩種渲染方式都是將已經(jīng)計算好的數(shù)據(jù)圖像化。離線渲染處理實現(xiàn)方式為中央處理器CPU將需要渲染的文件先從硬盤讀取到內(nèi)存，再讀取到CPU，從而完成對數(shù)據(jù)的計算，計算后的數(shù)據(jù)為圖像數(shù)據(jù)，通過視頻編碼格式壓縮，最終成為在電腦上播放的影片。而實時渲染的實現(xiàn)方式為CPU將需要渲染的文件先從硬盤讀取到內(nèi)存，再讀取到CPU，從而完成對數(shù)據(jù)的計算，通過PCIE接口傳輸?shù)斤@卡，顯卡將這類數(shù)據(jù)圖形化，通過圖形處理器GPU強大的運算能力，直接輸出畫面到顯示設備。比較兩種技術(shù)，離線渲染得到的是更精細的畫面效果，代價是要花費更長的時間，而實時渲染為了達到隨時調(diào)整、隨時看到畫面的目的，則會犧牲畫面的精細度。因此優(yōu)化圖形計算能力及圖形渲染方式是發(fā)展的重要環(huán)節(jié)［5］。

1.2 應用層面角度分析

從應用層面角度來看，實時渲染的應用大多集中在游戲產(chǎn)業(yè)，如國外的Epic和EA公司，國內(nèi)的網(wǎng)易、騰訊、米哈游等公司［6］?，F(xiàn)階段大部分的游戲畫面都是實時渲染的，因為游戲往往不需要過度復雜的光線反射畫面及材質(zhì)紋理細節(jié)。大部分CG動畫最終是通過離線渲染呈現(xiàn)的，因為動畫往往要求畫面精細，光影效果接近真實，尤其對光線反射的要求較高。但是隨著硬件技術(shù)的進步，游戲引擎的推陳出新，實時渲染與離線渲染所生成的畫面內(nèi)容之間的界限也漸漸模糊，現(xiàn)在通過實時渲染也能制作出相對精細的畫面。

1.3 渲染時間角度分析

從時間角度來看，兩種渲染方式有一定的差異。實時渲染需要實時觀看畫面，計算機從計算繪制一幅圖像到輸出畫面于顯示器上，僅需要1/30秒左右。反觀離線渲染，由于其需要較高的畫面效果及粒子特效，因此可能需要幾分鐘甚至幾天時間才能得到一幅圖像、一幀畫面。

1.4 實時渲染技術(shù)與室內(nèi)家居設計相結(jié)合的優(yōu)勢

在與室內(nèi)家居設計行業(yè)結(jié)合的過程中，實時渲染技術(shù)可以建立具有交互性的2D視頻圖像。隨著軟硬件的不斷升級，實時渲染能夠快速完成一幀幀繪畫2D圖像，實時渲染出家居場景，滿足對展示效果、修改時間等方面要求較高的家居設計的需求。實時渲染能夠助力創(chuàng)作者建設奇妙的幻想空間，其成本較低、效率極高，因而獲得廣泛應用［7］。目前市面上的家居設計軟件，在室內(nèi)家居展示功能上并不能完全做到實時展示，還需要通過渲染出圖的方式展示家居場景效果，渲染所需的時間也存在變動性，渲染效果不盡如人意。室內(nèi)家居設計行業(yè)與實時渲染技術(shù)的深度結(jié)合，定會給家居設計帶來全方位、多層次的提升［8］。

2 實時渲染引擎類型與對比分析

2.1 實時渲染引擎類型

（1）Unity

Unity是一款跨平臺的游戲開發(fā)引擎，支持實時渲染、物理模擬、AI、網(wǎng)絡等多種功能。

（2）Unreal Engine

Unreal Engine，簡稱“UE”，是一款由Epic Games公司開發(fā)的游戲引擎，支持實時渲染、物理模擬、虛擬現(xiàn)實等多種功能。

（3）Cry Engine

Cry Engine是一款由Crytek開發(fā)的游戲引擎，支持實時渲染、物理模擬、虛擬現(xiàn)實等多種功能。

（4）Lumberyard

Lumberyard是一款由亞馬遜開發(fā)的游戲引擎，支持實時渲染、物理模擬、虛擬現(xiàn)實等多種功能。

2.2 常用實時渲染引擎對比

目前常用的實時渲染引擎為Unity和Unreal Engine。Unity的視覺效果相對UE略遜，是手機3D應用、3D游戲輕量級首選，支持跨平臺，設備兼容性更好。Unity的

應用更加多元化，各平臺都有代表作，如《王者榮耀》《爐石傳說》《紀念碑谷》。Unreal Engine虛幻引擎開源、渲染逼真相對Unity更好，但設備兼容性略差于Unity。虛幻引擎以追求寫實效果的主機游戲為主，如《絕地求生》《堡壘之夜》《黎明殺機》。

Unity和UE引擎是目前市面上最常用的游戲引擎，因為側(cè)重方向有所不同，所以各有優(yōu)劣。如表1為兩款引擎對比，總體來說，Unity適合開發(fā)手游，UE更適合游戲大作、影視、動畫、廣告、美術(shù)。Unity側(cè)重輕量級的開發(fā)，偏向于移動端，現(xiàn)在市面上很多手游都是基于Unity開發(fā)的。

3 UE5 Nanite技術(shù)底層算法分析及在室內(nèi)家居設計中的運用

UE引擎經(jīng)歷了UE、UE2、UE2.5、UE3、UE4、UE4.27、UE5等多個版本［9］，它的迭代速度極快，現(xiàn)在已經(jīng)到了UE5版本。Unreal Engine 5，是Unreal Engine 4的后續(xù)版本，旨在提供更強大、更高效的開發(fā)工具和實時渲染技術(shù)。Nanite是UE5全新推出的虛擬幾何體系統(tǒng)。Nanite采用全新的內(nèi)部網(wǎng)格體格式和渲染技術(shù)，用以渲染像素級別的細節(jié)及海量的物體對象，且足夠智能，可以僅處理能夠觀察到的細節(jié)。

3.1 Nanite建模底層算法分析

Nanite建模底層算法分析采用的是三維模型實體幾何體的構(gòu)造方式（CSG）。構(gòu)造實體幾何是實體造型中一項常用的手法，CSG是三維立體建模中經(jīng)常使用的一個程序化幾何構(gòu)造方式，在藝術(shù)、雕塑及三維電腦繪圖中都有廣泛的運用。構(gòu)造實體幾何在家居設計中也起到了至關(guān)重要的作用。通過這種方法，可以用非常簡單的基礎物體構(gòu)造出看起來復雜多變的3D幾何及曲面，從而設計創(chuàng)造出更加有趣的體量和內(nèi)部空間。

CSG中最重要也是最常用的手法就是布爾運算。布爾運算是一個三維的集合概念，包括并集、交集和補集。并集是兩個物體的結(jié)合體；交集是兩個物體共有的部分；而補集是一個相對的概念，從A物體中減去B物體，通過指定不同的A和B能得到不同的幾何體。這三個概念在推進家居戶型設計形狀及三維建模時發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在家居設計中，較為常用的就是布爾并集和布爾補集這兩個概念。

如圖1是布爾運算在實體建模軟件中的運用。

3.2 結(jié)合具體室內(nèi)家居設計案例分析Nanite的優(yōu)勢

在家居場景中，細節(jié)表現(xiàn)較好的家具模型，其三角面數(shù)動輒數(shù)十萬面，而常見的渲染軟件無法處理數(shù)十萬面數(shù)的模型，如圖2的沙發(fā)模型，其三角面數(shù)為48萬。傳統(tǒng)的優(yōu)化方式為創(chuàng)建不同的LOD模型。LOD是Level Of Details的縮寫，即多層次細節(jié)。簡單來說，在同一幅畫面中，人眼所能觀察到不同物體的細節(jié)程度是不一樣的。

因此，可以不同程度地分配算力資源，讓距離越近、運動速度越慢、越靠近人眼視域中心的物體，呈現(xiàn)出更多細節(jié)；反之，則呈現(xiàn)更少細節(jié)。這種合理的算法，就是LOD技術(shù)。根據(jù)物體和相機之間的距離，引擎將顯示不同等級的LOD模型，因此建模師需要分別做出不同等級的LOD模型，在視角、鏡頭切換的過程中使用不同的LOD模型。由于可視化系統(tǒng)必然是通過某種屏幕顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的，因此人眼觀察細節(jié)的能力可以通過FPS數(shù)值表現(xiàn)出來。這種技術(shù)可以減輕軟硬件負擔，但是在畫面顯示質(zhì)量上會存在明顯的瑕疵。

Nanite的做法不同，不再基于LOD模型，而是將模型碎片化，將物體分成幾個簇，其大小會根據(jù)距離而發(fā)生變化，這種變化是實時的，不會降低畫面質(zhì)量，當物體發(fā)生位移時，F(xiàn)PS正常。圖3為沙發(fā)模型碎片化的顯示效果。

這項技術(shù)不斷更新，可以導入非常多面數(shù)的模型，利用Nanite系統(tǒng)縮小模型的大小，不再需要煩瑣地建立不同的LOD模型，且不會有損畫面質(zhì)量。

圖4是分別采用LOD方式和Nanite方式，遠距離觀看2500個與48萬個三角面模型組成的畫面質(zhì)量的示意圖。

圖5是分別采用LOD方式和Nanite方式，近距離觀看2500個與48萬個三角面模型組成的畫面質(zhì)量的示意圖。

FPS是指畫面每秒傳輸幀數(shù)，通俗來講就是指動畫或視頻的畫面數(shù)，每秒鐘的幀數(shù)越多，所顯示的動作就會越流暢，所以通常用FPS數(shù)值的高低來辨別畫面的流暢度。以上兩種方式FPS顯示結(jié)果如下：遠距離下，采用LOD方式，畫面FPS為26.48，采用Nanite方式，畫面FPS為75.28；近距離下，采用LOD方式，畫面FPS為25.09，采用Nanite方式，畫面FPS為74.09。雖然從遠距離到近距離，兩種方式的畫面質(zhì)量都有所降低，但是總體來說，采用Nanite方式顯示的畫面質(zhì)量更高。

為細化Nanite和LOD這兩種方式的畫面顯示效果，將沙發(fā)模型分別用Nanite和LOD這兩種方式，在近距離、中距離、遠距離進行觀察，具體如圖6所示。

Nanite碎片化模型網(wǎng)格后，可以在視野距離不損失效果的前提下，簡化模型；LOD只能根據(jù)自定義的LOD層次模型和視野距離進行簡化，簡化的方式是替換不同層次的模型，這個層次的模型數(shù)量取決于美術(shù)制作的層次。Nanite允許開發(fā)人員在不影響性能的情況下呈現(xiàn)高細節(jié)的復雜場景。

4 結(jié)語

Nanite的主要優(yōu)勢在于可以處理大量的三角形數(shù)據(jù)，且不會對渲染性能造成負面影響。這意味著開發(fā)人員可以創(chuàng)建極其詳細的場景，而不必擔心性能問題。此外，Nanite還可以根據(jù)相機距離自動調(diào)整細節(jié)級別，以確保在遠距離觀看時也能保持良好的性能。除了高細節(jié)的場景呈現(xiàn)外，Nanite還可以與虛幻引擎的其他功能相結(jié)合，如虛幻引擎5中的全局光照技術(shù)Lumen。Lumen使用光線追蹤技術(shù)來呈現(xiàn)動態(tài)全局光照，而Nanite則可確保Lumen的光照能夠應用于高分辨率的虛擬幾何體上，從而產(chǎn)生更逼真的效果。

參考文獻：

［1］ 熊先青，吳智慧.家居產(chǎn)業(yè)智能制造的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.林業(yè)工程學報，2018，3（6）：11-18.

［2］ 朱兆龍，熊先青，吳智慧，等.面向智能制造的定制家居數(shù)字化設計虛擬現(xiàn)實展示技術(shù)［J］.木材科學與技術(shù)，2021，35（5）：1-6.

［3］ 熊先青，吳智慧.大規(guī)模定制家具的發(fā)展現(xiàn)狀及應用技術(shù)［J］.南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2013，37（4）：156-162.

［4］ 朱方，陸平，李繼龍，等.家居智能的超現(xiàn)實體驗：邊緣側(cè)分布式實時渲染［J］.人工智能，2020（5）：40-47.

［5］ 楊茹元，袁權(quán)，孫友富.全息虛擬技術(shù)在現(xiàn)代展示設計中的應用［J］.家具與室內(nèi)裝飾，2018（11）：52-54.

［6］ 王樹軍.三維游戲引擎中物理引擎關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.天津：天津大學，2007：5-7.

［7］ 王成.實時渲染技術(shù)在三維動畫設計中的應用［J］.鞋類工藝與設計，2022，2（18）：118-120.

［8］ 陳浩，鐘世祿.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在室內(nèi)設計行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.家具與室內(nèi)裝飾，2021（1）：127-129.

［9］ 楊豫婷. UE4引擎技術(shù)在建筑可視化設計中的應用研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學，2018.

作者簡介：蔣敘（1996—），男，江蘇揚州人，碩士在讀，研究方向：家具設計與工程。

吳智慧（1963—），男，江蘇揚中人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：家具設計與工程。

基金項目：本論文為2018年度“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“木質(zhì)家居產(chǎn)品柔性制造技術(shù)”成果，項目編號：2018YFD0600304；2021年度教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“智能制造背景下家具設計與工程專業(yè)轉(zhuǎn)型升級思路探索與實踐”成果，項目編號：202101148002