本文摘要：摘 要: 借助目前對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(tái)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(jì)師在 建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)
摘 要: 借助目前對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(tái)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(jì)師在 建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成本。
關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，UE4
1 UE4 的概述及特點(diǎn)
Unreal Engine 4 是 EPIC 公司旗下一款強(qiáng)大的游戲引擎， 主要供游戲開發(fā)人員使用，但因其強(qiáng)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(jì)師在進(jìn)行建 筑設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)軟件具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì): 1) 實(shí)時(shí)渲染和 PBR 材 質(zhì)系統(tǒng): 能夠使體驗(yàn)者與設(shè)計(jì)者在真實(shí)的建筑場(chǎng)景中進(jìn)行創(chuàng) 作。2) C + + 模式和藍(lán)圖模式: 其獨(dú)具的藍(lán)圖模式能夠讓設(shè) 計(jì)者在沒有 C 語(yǔ)言的基礎(chǔ)下快速的掌握引擎運(yùn)作性能并進(jìn) 行高仿真度的模型交互模擬。3) 多平臺(tái)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(jì)表達(dá)卻還處于半自動(dòng)化狀態(tài)。從概念到方案設(shè) 計(jì)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(jì)師進(jìn)行分析與優(yōu)化。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程給設(shè)計(jì)師 帶來(lái)了不小的難度和不必要的重復(fù)性勞動(dòng)。
近幾年，因城 市空間的極具縮減，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求更高，設(shè)計(jì)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(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)劣的對(duì)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(jì)表達(dá)中，從而增加結(jié)構(gòu)表達(dá)直觀性與真 實(shí)性。通過(guò) Skechup 建立三維模型，利用藍(lán)圖程序，使用紋 理，相機(jī)，UI 等節(jié)點(diǎn)，使建筑結(jié)構(gòu)以三維虛擬模式在場(chǎng)景中 顯現(xiàn)出來(lái)，并實(shí)現(xiàn)模型的交互設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)，能看， 能聽，能互動(dòng)的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互環(huán)境。
3 UE4 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可視化交互的方法
對(duì)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(gè)部分，漫游部分和交互部分，漫游部分主要是通過(guò) 建筑設(shè)計(jì)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(duì)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(chǎng)景中顯現(xiàn)出來(lái); 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(jī)、UI 等節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模型的交互設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)，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(shí)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(duì) UE4 實(shí)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(gè)部分———建 筑部分和場(chǎng)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(jiǎn) 單 的 二 維 軟 件 AutoCAD 和 三 維 軟 件 Skechup 對(duì)其進(jìn)行圖紙的繪制和模型的建立。建筑外部的場(chǎng)景部分則是由 UE4 本身具有的 場(chǎng)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(guò)大而導(dǎo)致運(yùn)行效果不佳。
其主要操作事項(xiàng) 有以下幾點(diǎn): 1) 建模簡(jiǎn)化: 使用 Skechup 軟件中簡(jiǎn)單的幾何 體對(duì)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(guò)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(xiàng)卡中取 消自動(dòng)生成碰撞選項(xiàng)，并對(duì)世界大綱界面里的 Mesh 進(jìn)行分類 Group 管理。針對(duì)模型的材質(zhì)部分，通過(guò)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(duì)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(diǎn)編輯功能，便 足以在虛擬引擎中重現(xiàn)實(shí)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(duì)外部周圍環(huán)境的反射能力 較弱甚至是沒有。對(duì)于場(chǎng)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(chǎng)景 光照時(shí)運(yùn)算量過(guò)大而導(dǎo)致操作的卡頓，在場(chǎng)景的局部添加 反射捕獲進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)光，用來(lái)增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)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(gè)互動(dòng)關(guān)卡進(jìn)行制 作，兩者之間通過(guò) 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(tái)控制。第一關(guān) 卡是自由場(chǎng)景漫游模式，在軟件中搭建完場(chǎng)景后引入用戶 能夠憑借鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)，并且將人物的動(dòng)作幅度調(diào)控成實(shí)際人類的行為尺 度，用以增強(qiáng)用戶在虛擬世界中漫游的真實(shí)體驗(yàn)。當(dāng)用戶操作的 Character 觸發(fā)場(chǎng)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(dòng)。
此關(guān)卡主要是對(duì)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(guò)藍(lán)圖將結(jié)構(gòu)部件與 Actor 進(jìn)行聯(lián)系，再用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行事件的編輯，讓用戶可以利 用鼠標(biāo)的滑動(dòng)與點(diǎn)擊對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮放、更換與分解等 互動(dòng)操作。兩個(gè)關(guān)卡中都配有一 定的 UI 設(shè)計(jì)，主要是操作說(shuō)明界面和文字描述界面，用來(lái) 補(bǔ)充三維模型表達(dá)的不足之處。最后待兩個(gè)關(guān)卡設(shè)計(jì)好 后，啟動(dòng)制作的藍(lán)圖程序，對(duì) UE4 文件進(jìn)行整體場(chǎng)景的運(yùn) 行編譯，并對(duì)模型的表現(xiàn)和互動(dòng)效果進(jìn)行校驗(yàn)優(yōu)化，確定無(wú) 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(dòng)化與儀器儀表》雜志創(chuàng)刊于1981年，是由重慶市自動(dòng)化與儀器儀表學(xué)會(huì)和重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所主辦,其特點(diǎn)是學(xué)術(shù)水平高、實(shí)用性強(qiáng)、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(guó)計(jì)算機(jī)行業(yè)在不斷的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn) 用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是必然的趨勢(shì)，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(jì)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(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其課題 研究?jī)?nèi)容較多，對(duì)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(shí)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(shí)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(qiáng)理論和實(shí)踐的聯(lián)系，并在一定程度上 提升發(fā)展學(xué)生的計(jì)算機(jī)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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