基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式建筑動(dòng)畫應(yīng)用研究

摘 要：人們習(xí)慣將利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行視覺設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的領(lǐng)域統(tǒng)稱為CG。從CG技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行劃分，主要分為CG藝術(shù)設(shè)計(jì)、游戲與動(dòng)漫設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)等，涵蓋了二維或三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、游戲設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了在圖形用戶界面、可視化、多媒體、數(shù)字娛樂等方面的快速發(fā)展。本文以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交互式建筑動(dòng)畫中的應(yīng)用路徑為研究重點(diǎn)，旨在探索該技術(shù)在建筑可視化領(lǐng)域的更多可能。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);CG技術(shù);建筑動(dòng)畫

建筑可視化作為建筑設(shè)計(jì)重要的表現(xiàn)形式，依托高質(zhì)量的建筑效果圖和建筑漫游動(dòng)畫，能夠讓用戶了解建筑設(shè)計(jì)的效果以及空間結(jié)構(gòu)。但傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式由于受到技術(shù)和展示載體的限制，無法實(shí)現(xiàn)更深層次的交互體驗(yàn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，依托其在教育、軍事、娛樂、醫(yī)療、仿真、計(jì)算機(jī)可視化等諸多領(lǐng)域的深化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在建筑可視化領(lǐng)域的拓展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，下簡(jiǎn)稱“VR”），是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)逼真的三維空間虛擬世界，體驗(yàn)者能夠通過輸入或輸出設(shè)備和虛擬世界中產(chǎn)生交互或完成即時(shí)的觀察與體驗(yàn)，從而獲取身臨其境的感受。該技術(shù)可以依托可穿戴的傳感設(shè)備，使用戶在虛擬空間中獲得某些感官反饋，甚至可以實(shí)現(xiàn)裸感沉浸體驗(yàn)。VR技術(shù)囊括了感知、環(huán)境、操作等諸多領(lǐng)域，通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)了視覺、聽覺、觸覺等多種感官的立體化表現(xiàn)，在當(dāng)代社會(huì)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。[1]

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征

VR技術(shù)的基本特征，主要是指沉浸性、交互性、共享性，即Immersion、Interaction和Imagination，也被稱為“3I”。

（1）沉浸性。沉浸性是VR技術(shù)為體驗(yàn)者帶來的最為逼真的臨境體驗(yàn)。體驗(yàn)者可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如頭盔或手套，使自己置身于三維虛擬空間中，進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察、控制或體驗(yàn)，這是人作為人際環(huán)境的主導(dǎo)者，通過操作獲取準(zhǔn)確的反饋。Greg Morgenstein就曾說道：“VR將人們的想象力帶到從前只有夢(mèng)想才能到達(dá)的地方，HEAR360所提供的八面球體的全方位立體聲麥克風(fēng)能夠捕捉360°音頻，我們要讓聲音和看到的一樣美妙?！边@種技術(shù)和設(shè)備的創(chuàng)新和升級(jí)能夠給VR技術(shù)提供更強(qiáng)的支撐。

（2）交互性。交互性是VR技術(shù)為體驗(yàn)者帶來的最真實(shí)的感官體驗(yàn)，體驗(yàn)者可以獲得同真實(shí)世界相同的感受或反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)除了搭建視覺感知之外，還具有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、力覺感知等多種感知功能。假設(shè)用戶在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)自然樂趣，那么在這里，體驗(yàn)者可以感受到雨滴落在手心，風(fēng)吹拂在臉頰，這也就是用戶在虛擬系統(tǒng)中可以完成同真實(shí)環(huán)境近乎相同的交互，交互性是人機(jī)和諧互動(dòng)的關(guān)鍵性因素。

（3）構(gòu)想性。構(gòu)想性是人類智慧和創(chuàng)造性的最好詮釋。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造的環(huán)境，既是現(xiàn)實(shí)世界的展現(xiàn)，又是補(bǔ)充與深化，人們可以在這樣的空間中獲得新的知識(shí)，同樣可以獲得更深層次的理性和感性認(rèn)知，從而產(chǎn)生新的創(chuàng)造性活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用就是為了使人類的認(rèn)知得到更廣泛、更深入的拓展，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與科技的完美融合，其對(duì)提升人類認(rèn)知世界、改造世界的能力有著極大的促進(jìn)作用。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建筑動(dòng)畫中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)建筑動(dòng)畫與基于VR技術(shù)的交互性建筑動(dòng)畫最本質(zhì)的區(qū)別在于：在傳統(tǒng)動(dòng)畫中，我們可以利用三維軟件（3dmax等）制作出建筑及周圍環(huán)境模型，通過鏡頭語言及特效處理，呈現(xiàn)出完整的商業(yè)性動(dòng)畫作品，或者通過模型的搭建，演示動(dòng)態(tài)施工過程。這些都是為了使建筑動(dòng)畫具有更強(qiáng)的真實(shí)感，能搭建設(shè)計(jì)師與用戶的橋梁，使用戶對(duì)在項(xiàng)目建設(shè)之初就能了解項(xiàng)目完成效果。而基于VR技術(shù)的交互式建筑動(dòng)畫，通過穿戴設(shè)備可以使用戶在虛擬建筑環(huán)境中將視覺、觸覺等感官封閉起來，得到最真實(shí)的空間感受。

在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上，運(yùn)用鏡頭語言、色彩語言、聲音與音效設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，使圖像畫面細(xì)節(jié)更加逼真，考慮真實(shí)環(huán)境中的雙目視差、運(yùn)動(dòng)視差等客觀規(guī)律，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建符合參與者的真實(shí)視角，對(duì)動(dòng)畫內(nèi)容本身進(jìn)行更進(jìn)一步的藝術(shù)處理，讓觀者在體驗(yàn)的過程中，實(shí)現(xiàn)作品藝術(shù)性的更高追求。[2]

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交互式建筑動(dòng)畫中的技術(shù)基礎(chǔ)

基于VR技術(shù)的建筑可視化表現(xiàn)并不是一蹴而就的，建筑及環(huán)境測(cè)量、設(shè)計(jì)、繪圖到后期的模型創(chuàng)建及效果表現(xiàn)，需要不同軟件的配合?；赩R技術(shù)的交互式建筑動(dòng)畫，除了借助三維模型制作虛擬環(huán)境外，還涉及實(shí)時(shí)渲染、碰撞檢測(cè)、物理屬性設(shè)置等關(guān)鍵步驟，而這些都需要通過引擎完成。[3]筆者以近些年使用較為廣泛的兩個(gè)游戲引擎為例，簡(jiǎn)單介紹其優(yōu)勢(shì)和不足。

第一，Unity 3D。Unity 3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一款可以實(shí)現(xiàn)建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、三維游戲的多平臺(tái)綜合性游戲開發(fā)工具。準(zhǔn)確地說，它并不是為建筑而生的，而是一個(gè)專業(yè)的游戲引擎。我們?cè)谥疤岬降腣R技術(shù)是在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的、具有沉浸感的技術(shù)，但它只是一種結(jié)果，它需要借助Unity 3D等開發(fā)引擎工具才能實(shí)現(xiàn)，這也就是Unity 3D的重要性。

而在建筑可視化方面，無論是游戲或是其他動(dòng)畫形式，系統(tǒng)都提供較為完善的組件，可以完成較為簡(jiǎn)單的VR項(xiàng)目。但該軟件內(nèi)置工具不夠完善，很難構(gòu)建高質(zhì)量的燈光環(huán)境和畫面效果。

第二，Unreal Engine4。Unreal Engine4（下簡(jiǎn)稱“UE4”）是全球頂級(jí)游戲公司Epic Game研發(fā)的一款游戲引擎，具備三維建模、動(dòng)畫制作、實(shí)時(shí)渲染、粒子系統(tǒng)、音效處理、AI處理、碰撞測(cè)試等多個(gè)功能。[4]

隨著該引擎邁向非游戲領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略，其對(duì)交互式建筑動(dòng)畫開發(fā)者無疑是大有裨益的。該引擎可以使開發(fā)者無須擁有高深的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和代碼編寫能力，只需利用其強(qiáng)大的燈光、材質(zhì)系統(tǒng)，就可以完成逼真的三維環(huán)境創(chuàng)建。同時(shí)，針對(duì)交互式動(dòng)畫的特點(diǎn)，該系統(tǒng)也支持操作手柄、頭顯等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的調(diào)試與檢測(cè)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交互式建筑動(dòng)畫中的具體應(yīng)用

依托上述技術(shù)基礎(chǔ)，我們需要在多個(gè)軟件中完成基于VR技術(shù)的交互式建筑動(dòng)畫方案制作，具體流程如下：

圖1

4.1 方案策劃

在項(xiàng)目開始之初，開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行詳細(xì)的資料收集并完成人員分工的設(shè)置與安排，完成交互動(dòng)畫主題構(gòu)思和腳本編寫，這些都是項(xiàng)目順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4.2 基礎(chǔ)方案制作

Autodesk公司開發(fā)的CAD制圖軟件對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)具有里程碑的意義。在做到建筑可視化表現(xiàn)之前，我們需要進(jìn)行環(huán)境勘探、建筑設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)等一系列的工作，所有精確的數(shù)字都需要匯總到CAD繪制的圖紙中，它可以讓我們對(duì)平面布置、空間尺度、表現(xiàn)效果有最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)識(shí)。所以，在基礎(chǔ)方案制作之初，我們需要對(duì)虛擬場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，利用CAD繪制1﹕1的場(chǎng)景圖紙。

在建筑可視化表現(xiàn)方面，3Dmax可以根據(jù)CAD圖紙，創(chuàng)建1﹕1的建筑及環(huán)境模型，通過燈光設(shè)置、材質(zhì)表現(xiàn)等參數(shù)調(diào)節(jié)，最大程度上展現(xiàn)建筑的本來形態(tài)。但無論是自帶渲染器還是第三方渲染器，該軟件很難做到實(shí)時(shí)渲染，尤其是高質(zhì)量的場(chǎng)景效果，需要消耗大量的渲染時(shí)間，不利于場(chǎng)景的實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。所以，我們需要將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)出，利用引擎進(jìn)行下一步制作。

4.3 VR項(xiàng)目開發(fā)

（1）前期模型整理與優(yōu)化。很多VR項(xiàng)目開發(fā)者都有豐富的CG制作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)效果圖和動(dòng)畫的制作駕輕就熟，習(xí)慣于在3Dmax完成三維模型后直接進(jìn)行場(chǎng)景渲染。但在實(shí)際的制作過程中，VR項(xiàng)目對(duì)三維模型和貼圖提出了更高的要求。因?yàn)椴缓线m的模型和貼圖可能造成引擎的巨大負(fù)擔(dān)，在制作過程中可以利用Normal Map降低模型面數(shù)以獲得更快的渲染速度。[5]

引擎較大的優(yōu)勢(shì)就是依托物理系統(tǒng)完成物體物理屬性的設(shè)置，即避免物體違背自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律，例如動(dòng)畫中的人物行走、跳躍動(dòng)作;可以利用該物理系統(tǒng)設(shè)置決定具體參數(shù)，包括車輛運(yùn)動(dòng)的合理顛簸、小鳥飛行的方式等，都依靠這個(gè)系統(tǒng)決定。[6]同時(shí)，該系統(tǒng)還有一個(gè)重要的組成部分就是碰撞檢測(cè)，它可以檢測(cè)到場(chǎng)景中各個(gè)模型的物理邊緣，避免場(chǎng)景中的人物、車輛等在運(yùn)動(dòng)的過程中發(fā)生碰撞而出現(xiàn)的相互穿過。這也就確保了人物在環(huán)境中行走不會(huì)“穿墻而入”，更不會(huì)將墻推倒，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算兩者的作用力。

除了物理系統(tǒng)，渲染引擎也是游戲引擎一個(gè)重要的組成部分。所有制作好的三維模型都需要渲染引擎才能將模型、動(dòng)畫、材質(zhì)、燈光等效果實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示出來，優(yōu)質(zhì)的渲染引擎能夠帶來高質(zhì)量的輸出效果。

（2）VR項(xiàng)目測(cè)試與分析。無論是VR實(shí)時(shí)渲染效率，還是用戶在使用過程中會(huì)出現(xiàn)的眩暈和疲勞，都證明了項(xiàng)目?jī)?yōu)化和測(cè)試的重要性，具體分為如下內(nèi)容：

第一，VR環(huán)境測(cè)試。VR環(huán)境中的建筑或其他模型比例與現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)為1﹕1，不合適的比例會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間使用者的眩暈或其他不適癥狀。同時(shí)，我們應(yīng)密切關(guān)注Draw Call（在Unity中，每次引擎準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并通知GPU的過程稱為一次Draw Call）數(shù)量，因?yàn)槊繋腄raw Call次數(shù)是一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)，要盡量減少場(chǎng)景中材質(zhì)的使用數(shù)量，最大限度地進(jìn)行材質(zhì)共享，對(duì)于僅紋理不同的材質(zhì)可以把紋理組合到一張更大的紋理中（即Texture Atlasing）。我們可以通過將靜止物體標(biāo)記為Static等多種方式，配合限制貼圖尺寸，提高模型、材質(zhì)、貼圖的復(fù)用率，控制物件、特效數(shù)量及UI相關(guān)資源數(shù)量等手段，結(jié)合場(chǎng)景設(shè)計(jì)特點(diǎn)，制定相應(yīng)方案達(dá)到控制內(nèi)存、優(yōu)化場(chǎng)景的目的。在完成以上步驟后需進(jìn)行多次的環(huán)境測(cè)試。

第二，VR設(shè)備調(diào)試。 VR、AR以及將其融合起來的“混合現(xiàn)實(shí)”（Mixed Reality），是繼PC轉(zhuǎn)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域即將迎來的新模式。以虛擬現(xiàn)實(shí)巨頭Oculus為例，該公司所提供的頭顯設(shè)備新頭顯擁有強(qiáng)大的三維繪圖和追蹤能力，能夠在毫秒級(jí)精確追蹤用戶在無限定的三維空間內(nèi)所處位置。這些設(shè)備技術(shù)的不斷創(chuàng)新對(duì)VR項(xiàng)目的視覺呈現(xiàn)起到了極大的推動(dòng)作用，根據(jù)場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置、場(chǎng)景空間構(gòu)造等，也就有了更多設(shè)備參與的可能性。

第三，GPU渲染線程分析。利用GPU分析工具，可以快速檢測(cè)VR項(xiàng)目多個(gè)通道中的GPU性能消耗程度，通過生成的Profile數(shù)據(jù)進(jìn)行GPU分析。通過著色器復(fù)雜度模式，可以利用紅色、綠色和半透明效果表現(xiàn)出性能消耗高低和性能消耗增加的情況;通過光照復(fù)雜度模式利用黑色（沒有動(dòng)態(tài)光源）和其他顏色表示場(chǎng)景動(dòng)態(tài)光源情況;通過光照貼圖密度模式可以了解場(chǎng)景中光源的分布情況。一般在遇到GPU瓶頸時(shí)，可以考慮更改分辨率的手段，降低的分辨率會(huì)大大提高幀數(shù)，同時(shí)也需要考慮到的是模型的面數(shù)太多或像素著色器等問題。

第四，CPU邏輯線程分析。在CPU邏輯線程分析的過程中，如果出現(xiàn)Draw Call過多的現(xiàn)象，可以適當(dāng)減少Actor數(shù)量，盡量做到材質(zhì)合并和場(chǎng)景燈光整理，避免過多動(dòng)態(tài)燈光數(shù)量。

第五，項(xiàng)目測(cè)試。在完成以上測(cè)試環(huán)節(jié)后進(jìn)行項(xiàng)目整體測(cè)試。

5 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新興的科學(xué)技術(shù)，涵蓋廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和多學(xué)科的技術(shù)知識(shí)，具有廣闊的發(fā)展前景。為實(shí)現(xiàn)更大的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其開發(fā)者需求數(shù)量也會(huì)不斷增加，找到VR技術(shù)與建筑動(dòng)畫領(lǐng)域的結(jié)合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“技術(shù)”與“藝術(shù)”的融合。通過剖析現(xiàn)有的建筑動(dòng)畫專業(yè)課程模塊和實(shí)踐教學(xué)體系，推進(jìn)軟件教學(xué)模式改革，形成以培養(yǎng)“應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型”人才為目標(biāo)的培養(yǎng)模式，才能促進(jìn)該行業(yè)的更快發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：袁夢(mèng)琦（1991—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院建筑動(dòng)畫與模型制作專業(yè)教師，研究方向：建筑動(dòng)畫與模型制作。