基于交互式三维动态视景的虚拟现实模型技术

摘 要 以虚幻引擎4为工具，对虚拟现实建筑模型进行加工处理，生成具有物理光照阴影效果以及物理重力效果的虚拟现实模型集合。并且具有现实与虚拟之间的交互性，实现三维动态效果的物理模型。

【关键词】物理光学 三维动态效果 虚拟现实建筑模型 虚幻引擎

1 背景介绍

根据《中国VR用户行为研究报告》（以下简称《报告》）显示，国内15-39岁人群中，VR潜在用户数量为2.86亿，购买过各种VR设备的用户已达96万人，83.2%的用户对VR内容软件方面有需求。正如电视和电子游戏的出现带给人们生活和工作方式的巨大变化，虚拟现实的出现，无疑为建筑师提供了新的思路。打破了以往建筑设计中“平面，立面，剖面和三维模型”的模式。建筑师可以在任意时间和设计的任意阶段“走进”设计中去，从任意角度观察和检讨自己的设计，身临其境地感受空间、尺度、环境、光线甚至声音的变化，从而使设计更趋向完美。

2 产品特点及意义

现如今，互联网家装已经成为传统行业在互联网横行的历史新时期开拓疆土寻求更大发展的巨大战斗力。互联网家装是电子科技技术和传统行业的结合，也是传统建筑行业在未来的发展大趋势。很多大型公司已经开始开拓市场，这些大型公司已经进行了初步的尝试与开发，并且收到了很好的回馈。

（1）从用户端的角度来看，在没有VR技术之前，用户去感受和观看自己装修后的效果图，一般是通过设计图纸和电脑绘制的3D效果图，对装修后的家居环境的沉浸感较弱。但是一旦拥有VR的技术体验，用户就会发现自己完全沉浸到设计场景的家居环境中，更为重要的是，这种设计风格可以自由切换，甚至对细节到局部乃至全部，都做出DIY的设计。

（2）从设计师和家装公司的角度来看，有了VR的技术，设计师可以大大的提高自己生产搭配装修方案的效率，降低和用户就装修设计方案的沟通成本和不可控的风险。对于家装公司而言，可以降低其門店管理运营成本，将传统样板间全部替换为虚拟的云端样板间。

3 产品主要功能

此产品是将存在于建筑学图纸上的建筑物或是建筑群在虚拟现实系统中进行搭建，而虚幻4引擎的引入，带来了实时渲染功能并且伴随着动态的光影效果的运用，使得用户的视觉体验达到最佳。用户在佩戴虚拟现实设备自由走动时，可以进行360度全景“观察”、“体验”等，模拟在虚拟世界建筑群中的行走。同时，用户还可以通过控制器，在虚拟的楼盘中进行与建筑物外观有关的产品种类的选择与效果展示。

目前，可实现的主要功能为：

（1）虚拟建筑群。根据开发商提供的建筑物或建筑群图纸，构造出其虚拟现实影像。

（2）虚拟现实设备。将虚拟现实眼镜作为显示设备，可以将我们自己搭建的虚拟建筑群进行输出。将手柄作为操纵设备，可以让用户在虚拟建筑群内随意走动时，进行与建筑物外观有关的产品种类的选择。并且在场景中进行家具的摆放以及装修风格的改变。

4 具体实现

由于VR软件对视觉上效果的要求极高，因此，我们用虚幻4引擎来处理图像，制作软件，以满足VR产品在视觉上需要达到的要求，从而进行虚拟世界的生成。虚幻4引擎的图形化的材质编辑工具采用的是和Maya，Darktree一样的“材质节点编辑”方式，可以对材质中的色彩，alpha通道进行自由的调节，可以使得我们可以通过利用多个简单的材质类型融合出一个复杂漂亮的高级材质类型，并可以实时地参照场景中的灯光变化。并加入物理光影效果和物理重力引擎。基于以上特点，我们的产品会趋近真实，具有实地效果。并且也通过3dsMAX软件进行软件的建模。

基本技术路线

（1）信息的采集与收集。数据的采集要具体到建筑图纸。包括建筑立面图，建筑剖面图，建筑平面图，同时，根据建筑图纸的各项数据确定在虚拟现实系统中的成像比例以及成像大小。同时，我们将搜索各个品牌的可用的素材的数据，比如小区中的树木，健身器材等。

（2）现实模型的制作。根据现有的数据先将建筑物沙盘制作完成，方便将建筑搬入虚拟世界后进行对比，同时将沙盘作为构建虚拟现实世界中建筑物的实体参照物，能更真实地将图纸上的原貌呈现在虚拟现实世界中。

（3）通过CAD图纸，用3dsMax或AutoCAD进行3D模型制作和图纸制作，根据在第一阶段收集到的各项数据进行三维模型的构建，利用3dsMax等软件，画出可以在虚幻引擎中用的素材。

（4）根据各素材在虚幻引擎中的呈现效果，同时根据收集到的参数，再次在3dsMax中进行模型和素材的参数修改，使得虚拟世界中的建筑物符合图纸中各个建筑的参数比例。

（5）对呈现出的三维效果图进行VR处理。在虚幻四引擎中进行图形的VR处理，使得图形在VR设备中可以呈现出全景效果。

（6）VR互动的实现。在虚幻四引擎中进行互动功能的实现，由于考虑到成像清晰度和适配性的问题，我们的软件适配的硬件是HTC VIVE，因此，在这个过程中，我们将使用HTC VIVE的SDK，添加手柄以及激光发射器的工具包以及代码，实现操作器可用的互动功能，满足用户在虚拟世界中的互动。

（7）软件的调试。将软件在VR设备中呈现，体验并修复程序中还残存的问题。

5 结论

该实验目的为以建筑为内容，基于交互式三维动态视景的光学体验，通过交互式三维动态视景的光学体验，来实现建筑内容的呈现，建筑模型以及场景的重构。

参考文献

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑，2009（001）.

[2]赵蔚，段红.虚拟现实软件研究[J].计算机技术与发展，2012（002）.

[3]瞿沛新.虚拟现实技术在建筑设计中的应用[J].城市建设理论研究，2015（017）.

[4]曹娟，赵旭阳，米文鹏，洪成华.浅析虚拟现实技术[J].计算机与网络，2011（010）.

作者简介

姜寿晖（1995-），男，辽宁省本溪市人。东北大学国防教育学院机械工程专业2014级本科生。

作者单位

东北大学国防教育学院 辽宁省沈阳市 110819