基于虚拟现实技术的建筑设计体验研究——以UE4引擎为例

莫 畏 赵文斌

（吉林建筑大学）

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术概述

虚拟现实，也称灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互、体感技术、人工智能等领域。它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备运动的同时，计算机进行复杂的动作捕捉和庞大的数据运算产生精确的模拟回馈，使得用户可以同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机交互体验系统。

1.2 虚拟现实技术的三大应用类型

随着计算机硬件的升级和软件系统的不断研发，虚拟现实技术在近年来得到飞速发展，2016年更是被业界定义为虚拟现实元年，其主要具有以下三大类型的运用：

（1）现场表演，我们知道我们在观看需要买票的现场表演时总是为票价所困扰，不同的票价代表着不同的观看位置和观看角度，虚拟现实则打破这一境况。著名的太阳马戏团曾做过几次虚拟现实演出，在舞台的正中央树立一个360°周天摄像机，所有的演员都对着摄像机演出，而观众们则都带着虚拟现实头戴式演示仪，尽管他们坐在不同的位置，但通过头戴式演示仪，他们的视野直接与摄像机相连，所有的观众都可以随意选择自己想要看到的视角而不再是以往由票所决定的固定视角。

（2）社交体验，通过网络将不同地理位置的用户联系起来，共享一个虚拟环境，用户可以为自己选择一个虚拟身份进入该环境。比如《SecondLife》这一网络社区，曾吸引了路透社、BBC等多家机构在社区中设立宣传平台，出现过线上判例和线下判例的混合，甚至几十个国家在虚拟社区中设立真正可以发签证的大使馆。

（3）主题交互体验，通过设立主题馆，根据实体1：1建立虚拟场景模型，在主题馆中穿戴虚拟现实设备进行交互体验。

2 虚拟现实技术在建筑领域的应用

2.1 虚拟现实技术在建筑设计的应用

自从计算机代替了传统的手绘图纸，CAD软件得到了广泛的应用，它具有手绘无可比拟的方便性和准确性，同时，设计结果也更加容易随时保存和修改。然而，从设计者的角度来看，传统评估项目的设计方案是通过分析抽象的平面设计图，决策者基本凭经验进行判断。即使已经有了先进的三维模型建立系统（犀牛、3dsMax、SU等），使得设计者在设计过程中能够随时看到与实物相近的三维模型，但是，他们依然需要通过二维的平、立、剖图来进行推敲和改进设计。这样一个图的细微改动就会使得其他图纸和设计结果的改动，容易出现错误。

虚拟现实系统就是目前最佳的解决方案，该系统完全根据设计图或设计师的构想1：1制作而成的三维立体场景，通过佩戴专业的头戴式显示仪让人身临其境在虚拟场景中仔细观察设计的每一处细节，对结构、材料、颜色和位置都可以进行非常全面直观的了解和分析。当我们穿戴上头戴式显示仪后，我们就站立在所做的设计项目中，我们可以对某一地面铺装、景观节点、甚至对每颗树都可以进行多角度的仔细观察，它引导你进行深入分析，这样的分析就非常直观和透彻，看看效果是否理想，用材是否经济，同时，通过比较生成多种设计方案，比如路面材料想换一换看看效果，那就可以直接更改模型数据，再次进行分析和比较，无需通过二维图面与三维模型的反复转换，将设计师的精力集中在设计构思上，充分发挥其设计灵感。虚拟现实系统帮助设计师和决策者提供最有效的参考和借鉴作用，这是以往的平面图等表现手法无法做到的，它可以帮助开发商尽可能的在施工前减少在设计上考虑不到的细节问题，避免出现决策失误，这对于设计阶段来说是非常有价值的。

2.2 虚拟现实技术在建筑表现的应用

（1）漫游体验系统，不同于以往的建筑漫游动画被动地通过摄像机既定视角进行动画渲染，让人看到的是动画渲染师想让人看到的视角。而利用虚拟现实技术，将方案中的建筑、景观、室内等1：1的模拟成极逼真的虚拟场景，通过佩戴虚拟现实头戴式显示仪和摇杆设备，在建筑场景中随意行走，通过肢体运动带来空间与时间变换，通过头部移动进行视角移动，以任意视角进行观看，就如身临其境一般的体验未来的建筑环境。给体验者带来强烈的现场沉浸感。

（2）室内交互系统，虚拟现实技术不仅仅是一个演示系统，也是一个重要的设计工具，传统房屋装修，我们通常是根据自己的喜好，提供给设计师所想要得到的风格意向，然后经过不同的效果图比较选择更为满意的方案。而这种设计往往会带有设计师本身明显的痕迹而忽略用户的实际体验。虚拟现实技术所制作的室内交互系统，可以在构建模型以后让用户直接漫游于室内空间，根据自己的喜好选择不同的装修材料、家具等，最后设计师根据用户选择的模型信息再进行最终设计，这种退让型设计，更加体现了设计为用户服务的理念。

图1 虚拟现实室内交互

（3）传统建筑修复，首先将传统建筑通过影像数据采集建立三维模型数据库，保存传统建筑原有的各项数据和空间关系等，实现传统建筑高精度和永久的保存；然后利用这项技术提高传统建筑修复的精度和预先判断、选取将要采用的保护手段，缩短修复工期等。也可以通过虚拟现实技术来进行已经一些传统建筑的复原，更加全面、逼真的展示已经无法看到的传统建筑。实现传统建筑保护和修复的现代化、信息化。

（4）销售展示，传统的房地产售房部，沙盘、效果图甚至漫游动画都会受到技术本身的特点限制，使得卖点无法直观的展示给顾客，从未使得销售效果不佳。而虚拟现实技术则可以通过逼真的虚拟场景使得顾客可以提前感受未来的生活环境，身临其境的漫游在景观大道上，感受鸟语花香的优美居住环境，再抬头参观华丽的建筑外观；甚至可以“走入”室内户型，察看室内的布局结构，或站在自家阳台上观赏周围的环境绿化。在期房销售期间，虚拟现实技术为开发商提供了一种新颖、独特的营销平台，极大改善了传统展示手法的不足，充分突出项目卖点，使楼盘的品质得到更好的体现。观众在游玩中吸收楼盘策划的卖点，从而增强购买热情，坚定购房信心，促进项目的销售。开发商也可以根据客户的体验反馈，来进行未来楼盘的配套改进。

3 Unreal Engine4引擎制作的建筑漫游

Unreal Engine 4引擎是Epic Games公司最新的业内顶级游戏引擎，目前在游戏、建筑、电影等行业已经得到了广泛应用。UE4具有非常棒的图形处理能力，包括高级动态光照、全新粒子系统等。利用游戏引擎制作建筑模型，可以将建筑漫游游戏化，使越来越多的青年一代更容易接触建筑行业。游戏引擎是实时渲染，它具有速度快和能产生交互的优点。简单的说游戏引擎就是用一些奇奇怪怪的方法骗过你的眼睛，比如做镜面反射需要用Cubemap，但这不是一个物理模型，只是一个trick真实的镜面反射需要老老实实的做ray tracing。而传统建筑渲染讲究的是物理模型，这种材质是什么物理模型，反射率多少，透光率多少。只要真实的数据一输入，就能达到所要的物理渲染效果。所谓的数据输入与渲染结果的一致性。

游戏引擎不仅具有比现存三维模型更加绚丽、逼真的材质贴图、渲染效果（图2～3），还具有三维软件不具备的脚本程序功能。通过UE4制作的建筑模型，能够通过程序语言实现一些基础的人机交互功能，实现开门、开关灯、上下电梯等现实中的动作、功能（图4）。通过UE4引擎来制作的建筑漫游模型也可以直接对接Oculos公司的虚拟现实头戴式显示仪，就可以进行虚拟现实建筑漫游，再结合最新的Virtuix Omni360°跑步机给体验者带来全新的逼真体验和自由自在的建筑场景漫游。

图2 UE4建筑场景

图3 UE4建筑场景

图4 UE4程序实现

4 结语

虚拟现实技术的不断发展，虚拟现实输出设备的不断推出和普及使得未来一段时间内虚拟现实技术必将普及，而建筑领域的虚拟现实化发展也必将成为一种趋势。从某种意义上讲，虚拟现实改变了人们的思维方式，要加强对虚拟现实技术在建筑领域的应用，就要从虚拟现实技术的多个方面，从建筑设计的多个角度进行综合分析研究，从而使虚拟现实技术更好更有效的作用于建筑领域。

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