本文摘要：摘 要: 借助目前對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與應(yīng)用，以具體案例作為載體，用 AutoCAD，Skechup，UE4 引擎作為實施工具，探索建筑 結(jié)構(gòu)在表達(dá)方面更多的可能性，完成一套可以發(fā)布在多平臺的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互的操作程序，以期進(jìn)一步降低建筑設(shè)計師在 建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)
摘 要: 借助目前對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與應(yīng)用，以具體案例作為載體，用 AutoCAD，Skechup，UE4 引擎作為實施工具，探索建筑 結(jié)構(gòu)在表達(dá)方面更多的可能性，完成一套可以發(fā)布在多平臺的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互的操作程序，以期進(jìn)一步降低建筑設(shè)計師在 建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成本。
關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)可視化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)，UE4
1 UE4 的概述及特點
Unreal Engine 4 是 EPIC 公司旗下一款強大的游戲引擎， 主要供游戲開發(fā)人員使用，但因其強大的建模和渲染功能， 也被用作建筑可視化的技術(shù)手段，進(jìn)而成為設(shè)計師在進(jìn)行建 筑設(shè)計時不可或缺的輔助工具。在建筑可視化方面，UE4 較 其他建筑設(shè)計軟件具有以下幾點優(yōu)勢: 1) 實時渲染和 PBR 材 質(zhì)系統(tǒng): 能夠使體驗者與設(shè)計者在真實的建筑場景中進(jìn)行創(chuàng) 作。2) C + + 模式和藍(lán)圖模式: 其獨具的藍(lán)圖模式能夠讓設(shè) 計者在沒有 C 語言的基礎(chǔ)下快速的掌握引擎運作性能并進(jìn) 行高仿真度的模型交互模擬。3) 多平臺兼容: 傳統(tǒng)建筑漫游 軟件用戶需憑借固定的引擎打開文件，而 UE4 能夠發(fā)布 HTML5，Android 和 Windows 等多種格式供給用戶使用。
2 建筑結(jié)構(gòu)可視化交互的意義
結(jié)構(gòu)作為保持建筑物的外部形態(tài)與形成內(nèi)部空間的骨 架，其設(shè)計表達(dá)卻還處于半自動化狀態(tài)。從概念到方案設(shè) 計師要不斷地將三維模型向二維圖紙轉(zhuǎn)換，供客戶或者其 他專業(yè)的設(shè)計師進(jìn)行分析與優(yōu)化。整個設(shè)計過程給設(shè)計師 帶來了不小的難度和不必要的重復(fù)性勞動。
近幾年，因城 市空間的極具縮減，對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求更高，設(shè)計也更 加的復(fù)雜。僅憑二維的圖紙表現(xiàn)，不足以在建筑的大環(huán)境 中對多個結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)劣的對比。 為使建筑結(jié)構(gòu)的分析環(huán)境更加逼真，將虛擬引擎系統(tǒng) 應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的設(shè)計表達(dá)中，從而增加結(jié)構(gòu)表達(dá)直觀性與真 實性。通過 Skechup 建立三維模型，利用藍(lán)圖程序，使用紋 理，相機，UI 等節(jié)點，使建筑結(jié)構(gòu)以三維虛擬模式在場景中 顯現(xiàn)出來，并實現(xiàn)模型的交互設(shè)計。最終實現(xiàn)一個，能看， 能聽，能互動的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互環(huán)境。
3 UE4 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可視化交互的方法
對于小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互系統(tǒng)的建立主要 分為兩個部分，漫游部分和交互部分，漫游部分主要是通過 建筑設(shè)計師常用的 Skechup 軟件建立三維模型，并導(dǎo)入到 UE4 中利用引擎中的材質(zhì)和紋理對模型進(jìn)行處理，使建筑 結(jié)構(gòu)能夠以三維虛擬模式在場景中顯現(xiàn)出來; 交互部分則 是將導(dǎo)入 UE4 的模型進(jìn)行藍(lán)圖編程處理，利用紋理、相機、UI 等節(jié)點實現(xiàn)模型的交互設(shè)計。最終實現(xiàn)一個，能看，能 聽，能操作的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互環(huán)境。其具體實現(xiàn)的方 法和環(huán)節(jié)主要分為三大部分: 三維建模環(huán)節(jié)、UE4 優(yōu)化模型 環(huán)節(jié)和藍(lán)圖編程環(huán)節(jié)。筆者以蘇州滄 浪亭為例，對 UE4 實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)交互功能的方法進(jìn)行闡述。
3. 1 建立三維模型環(huán)節(jié)
在結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng)的建立中，總體分兩個部分———建 筑部分和場景部分; 小滄浪亭的建筑部分自上而下主要分 為坡屋面、椽、斗栱和梁柱，其他還有家具與鋪地，在此由使 用最 頻 繁 操 作 最 簡 單 的 二 維 軟 件 AutoCAD 和 三 維 軟 件 Skechup 對其進(jìn)行圖紙的繪制和模型的建立。建筑外部的場景部分則是由 UE4 本身具有的 場地繪制系統(tǒng)進(jìn)行建立，可以有效減少模型的面數(shù)，避免因 模型文件內(nèi)存過大而導(dǎo)致運行效果不佳。
其主要操作事項 有以下幾點: 1) 建模簡化: 使用 Skechup 軟件中簡單的幾何 體對小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)、建筑圍護(hù)和室內(nèi)家具等物體進(jìn) 行建模; 2) 法線檢查: 建模過程中注意開啟單色顯示模式， 保證模型的正面朝外; 3) 分類分組: 根據(jù)制作需求在建模軟 件中將建筑構(gòu)件進(jìn)行分類與打組，并以英文進(jìn)行組的命名; 4) 模型導(dǎo)出: 以 FBX 格式導(dǎo)出模型文件。
3. 2 模型優(yōu)化環(huán)節(jié)
將導(dǎo)出的 FBX 文件導(dǎo)入 UE4 后在出現(xiàn)的選項卡中取 消自動生成碰撞選項，并對世界大綱界面里的 Mesh 進(jìn)行分類 Group 管理。針對模型的材質(zhì)部分，通過登錄專業(yè)的網(wǎng) 站搜尋下載需要的材質(zhì)貼圖。將貼圖導(dǎo)入 CrazyBump 軟件 中，對材質(zhì)進(jìn)行法線紋理編輯和一定的高光處理，再將導(dǎo)出 的紋理貼圖結(jié)合 UE4 中藍(lán)圖模式的材質(zhì)節(jié)點編輯功能，便 足以在虛擬引擎中重現(xiàn)實景中的材質(zhì)屬性的表現(xiàn)效果，包 括表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、折射率和發(fā)光度等 等。例如小滄浪亭的主體材質(zhì)主要為木材和石材，其材質(zhì) 表現(xiàn)的是自身的紋理及色彩，對外部周圍環(huán)境的反射能力 較弱甚至是沒有。對于場景內(nèi)部 的燈光布置，應(yīng)盡量選擇靜態(tài)的 Point Light，避免構(gòu)建場景 光照時運算量過大而導(dǎo)致操作的卡頓，在場景的局部添加 反射捕獲進(jìn)行適當(dāng)補光，用來增強場景的真實性。
3. 3 藍(lán)圖編程環(huán)節(jié)
建筑結(jié)構(gòu)可視化交互系統(tǒng)分為兩個互動關(guān)卡進(jìn)行制 作，兩者之間通過 Character 和 Pawn 的碰撞事件進(jìn)行相互 聯(lián)系，并都是依靠 UE4 的藍(lán)圖模式進(jìn)行后臺控制。第一關(guān) 卡是自由場景漫游模式，在軟件中搭建完場景后引入用戶 能夠憑借鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行簡單操作的 Character，在 Charater 的編輯藍(lán)圖中添加慢走、快走、跳躍和視角轉(zhuǎn)換等適當(dāng)?shù)牟?作節(jié)點，并且將人物的動作幅度調(diào)控成實際人類的行為尺 度，用以增強用戶在虛擬世界中漫游的真實體驗。當(dāng)用戶操作的 Character 觸發(fā)場景中的 Pawn 碰撞后，用戶便可進(jìn) 入第二關(guān)卡———結(jié)構(gòu)互動。
此關(guān)卡主要是對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行 細(xì)致的再現(xiàn)與表達(dá)。小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)主要是梁柱體系 和起承擔(dān)屋架重量的宋式斗栱。通過藍(lán)圖將結(jié)構(gòu)部件與 Actor 進(jìn)行聯(lián)系，再用節(jié)點進(jìn)行事件的編輯，讓用戶可以利 用鼠標(biāo)的滑動與點擊對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮放、更換與分解等 互動操作。兩個關(guān)卡中都配有一 定的 UI 設(shè)計，主要是操作說明界面和文字描述界面，用來 補充三維模型表達(dá)的不足之處。最后待兩個關(guān)卡設(shè)計好 后，啟動制作的藍(lán)圖程序，對 UE4 文件進(jìn)行整體場景的運 行編譯，并對模型的表現(xiàn)和互動效果進(jìn)行校驗優(yōu)化，確定無 誤后便可將文件導(dǎo)出為自己想要的文件格式。
建筑結(jié)構(gòu)論文投稿期刊：《自動化與儀器儀表》雜志創(chuàng)刊于1981年，是由重慶市自動化與儀器儀表學(xué)會和重慶工業(yè)自動化儀表研究所主辦,其特點是學(xué)術(shù)水平高、實用性強、覆蓋面寬、發(fā)行量大、廣告效果好。
4 結(jié)論與展望
目前全國計算機行業(yè)在不斷的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運 用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域是必然的趨勢，在總結(jié) UE4 輔助建筑 可視化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了 UE4 應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)可視化 交互應(yīng)用設(shè)計的一些具體流程和操作方法。本文研究的結(jié) 構(gòu)形式較為基礎(chǔ)，對于實踐性較強的工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其課題 研究內(nèi)容較多，對結(jié)構(gòu)的受力特性與分析要求也較高，所以 在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還需更加積極的研究與探索。 其他領(lǐng)域方面，UE4 虛幻引擎還可作為制作授教課件的 輔助工具，打破高實踐性課堂的文字與圖片的單一教學(xué)模 式，健全教學(xué)體系，加強理論和實踐的聯(lián)系，并在一定程度上 提升發(fā)展學(xué)生的計算機能力，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。
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作者：馬紹江
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