浅谈UE4对线路工程展示的作用

摘要：随着三维技术日新月异的发展，凭借其展示出的细腻的质感、真实的光效、绚丽的色彩得到越来越多行业的认可，在工程行业中也有着不可替代的作用。为了有效地提升建筑施工质量和进度，方案展示需求。三维仿真技术发挥了巨大的作用与功效。三维仿真技术利用系统的信息汇总、场景模拟基于计算机三维软体制作的基础上，将未知的工程体量、地形环境数据生动、真实的营造出来。方便客户和设计人员对工程模型做出有效的分析，从而形成完整的设计方案。虚拟现实技术的完善，逐步展现它对模型可视化把控的强大功能。有逐步取代传统三维展示的趋势。虚拟现实是基于三维技术的基础上进一步完善的新技术，它与三维技术是不同的却又是密不可分的。本文主要阐述的是虚拟现实技术未来对轨道交通工程展示的必要性与发展趋势。

关键词：轨道交通;虚拟现实;UE4

一、超长线路工程模型对三维展示的需求

传统的平面图纸作为工程设计项目中的主要表现形式，难以直观的向客户展示未来施工完成后的建筑体量，而三维技术能够让人直观的，多角度的了解设计者的意图与理念。就算不了解工程制图的客户与施工方也可以通过三维展示的逼真模型体量，真实感受到未来建成后的效果，更能协助施工方对平面图纸的理解，辅助施工。

而今工程动画已经越来越成熟，客户对动画展示的需求也越来越高，地铁、大铁、高铁类工程在动画展示的诉求也越发明显。

地铁、大铁、高铁类工程设计，短的线路几十公里，长的线路甚至上千公里。对于想了解全线概况的客户来说，只是通过平面图纸不能直观的理解设计方案，而全程沿着设计线路实地考察一遍也不切实际，于是三维展示成了最恰当的选择。而对于施工方来说，线路里面涉及的桥隧、挖填方、明挖、暗挖工程多不胜数。三维模型能大大节约对图纸的理解，有效提升施工效率，协助施工项目按时间节点有条不紊的进行，减少施工成本和降低施工风险。

二、现在线路模型常用的展示方式

线路设计单位为了方便客户对自己设计方案的理解和线路展示通常运用以下几种方案：

（1）基于传统CAD制图的展板方式，此类展示方法就是完全将设计单位的设计路线原汁原味的在CAD高程图上表示出来。而后为了更加真实的展示线路在实际地形中的位置，而采用了地形位图替换高程图的展示手段。

展板制图的优点是能准确的将设计单位的设计线路在地图上表示出来。通过添加文字与图片信息，辅助客戶理解线路走向及线路上的桥隧的起始位置。缺点是无法让客户感受到线路中的建筑体量及与现实地形的结合形式。

（2）通过将线路镶嵌入谷歌地球的展示方式，此方式对比展板制图更加优化。它拥有展板制图的全部优点，并且可以方便客户局部放大，细致到线路在街道上的具体位置都能清楚表达。它还可以通过录屏的方式，生成一个线路展示的动画。缺点也和展板制图一样，展示的只是一条平面的线路，无法理解设计出来后的三维体量。

（3）传统三维动画展示，此类展示方法光效逼真、材质细腻。它能真实有效地展示设计完工后的三维模型在现实地形中的效果，其中线路地面走线与下穿、与地形产生的挖方、填方等都能完美地呈现出来。它还可以展现施工过程中的运输、安装、拆除、挖方、填方等施工流程，直观、科学地展示施工方法和施工工艺的效果，生成施工流程预演作为施工示范，可以有效地提高施工效率，以及警示施工中可能存在的问题，便于施工人员进行观摩和修整。

传统动画是通过固定的相机渲染出的影片，不能人机交互体验应该算是它的一大弊端。

（4）通过将线路匹配到固有的航飞影片的展示方式，此类方式更能直观地展示线路在现实世界的真实体量。前面几种展示手段，都是通过虚拟的线路载入虚拟的场景，模拟现实中的效果。而相机匹配则是把虚拟的线路与真实的场景完美的融合在一起，让观看者更有认同感。与传统三维动画一样，不能人机交互、不能在场景中自由地观看每个细节也是它的不足点。

三、UE4展示方式的优点

综上所述，超长线路的展示方式各有利弊。有没有一种方式即准确又真实的能表达出设计方案呢？

得益于虚拟现实技术的完善，在设计方案展示上又多出来了一个更加完善的解决办法。

虚拟现实技术又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。

现在的三维引擎主要有Unity3D，cocos2dx，UE4，CityEngine等。说到VR引擎，就必然离不开UnrealEngine，作为虚拟现实主流游戏引擎，UE4被许多行业领域推广应用，并备受赞誉。它的实时渲染效果真实，物理属性逼真，且代码开发难度相对低，为游戏的开发和虚拟交互漫游的呈现提供了更为便捷的手段。它在同类软体中优势明显，得益于它强大的材质编辑器，完全可以达到“眼见为虚”的显示效果。

UE4平台专门为美术类设计师等非编程类人员提供了可以用蓝图编写程序的节点。如果说其他虚拟现实引擎是美术设计师手中的素描笔，那UE4就当之无愧的是可以绘制出绚丽色彩的油画笔了。UE4编程蓝图对美术设计师是友好的，它模板化的节点连接，图形化的理解。美术设计师只需要拖拽节点编译一套蓝图就可以开发自己想要的交互内容。总之UE4是开发VR的主流引擎，它不仅适合大型游戏项目，更适合虚拟场景空间的漫游。

UE4虚拟漫游所需的场景是源于通用的三维软件制作，所以能确保线路的准确性。它主要的功能是把三维场景进一步的进行优化，通过自身强大的材质与编程功能，赋予三维场景一个真实而且可以互动的虚拟世界。

大铁、高铁等超长线路工程，数十上百公里的长度，奠定了它涉及的地形的范围与数据量超大的基础，如此大的地形通过传统的三维手段，靠贴位图的方法自然就丢失大量的细节。如此生成的三维漫游场景，远观尚可，但近处的贴图有强烈的拉伸与模糊，很难让人有沉浸感。

UE4自带的地形生成工具类比其他同类三维软件能展示更多的细节，能更加真实的反映线路经过的地理环境。通过UE4强大的材质编辑器，pbr材质的应用，能精细的展示到脚下的每根草、每粒石子。它所生成出来的三维漫游场景自然能让人身临其境。UE4自带的关卡功能可以把大地形分裂成若干块，即保证大地形的完整性，又保证了漫游的流畅性。这个功能确保了长线路工程地形精细模型化的可行性。

四、UE4项目实例

在川藏铁路折多山大桥展示项目中，UE4的优秀就孑然展现出来。拿到这个项目时，客户提出了务必要反映出当地的地理环境细节的要求。平时此类项目中，寻常的做法是通过下载谷歌三维地形及位图的方式来表达当地的地理环境。首先桥梁模型制作、地形搭建。其次场景细化，贴位图于地形上，植被铺设。最后渲染出样帧图片。结果这类方式展现的效果却差强人意。3DMAX展示手段的弊端表露无遗。

平时项目中动辄以几十上百公里的长大线路，展示也基本为线路的位置与走向。此类情况下，由于相机离目标偏远的位置关系，导致从谷歌上下载的地形及位图精度要求都大大降低了。而眼前的项目只是截取线路中一座桥的展示，它涉及的相机就是多变的，有远有近。相机离得远问题不大，但随着相机推进对桥的局部做特写。地形模型的细节丢失，贴图的模糊不清就统统毫不留情地展现出来。

面对3DMAX的这种弊端，UE4很好的避开了，或者说是UE4是基于传统三维软件的进阶产品。首先是地形灰度图的细节问题，MAX中生成的模型只有大的起伏关系，里面的细节丢失严重。而UE4自带的地形生成工具，能有效地保留灰度图上的众多细节。其次贴图方面UE4更是强项，通过顶点绘制可以给山体刷上不同的材质。使用alpha笔刷，可以把不同材质间进行过渡或者渗透，方便制作者科學直观的模拟真实地形细节。而且它不是单单的刷出材质纹理贴图，可以把pbr里面的所有贴图通道都能一起刷上模型，这样就算相机靠得非常近也会有材质细节展现。最后就是光影效果，UE4能完全模拟真实世界的光照信息，这是3DMAX不能比拟的。

当然，如此大体量的场景全靠手动绘制贴图，工作量也是异常的巨大。于是UE4里面提供了自动地貌生成工具。通过蓝图的制作，可以把之前手绘制作的几种贴图，依据模型的法线方向和高度自动依附上去。UE4对大多的三维软件有着出色、友好的衔接，它甚至可以完美继承Substance Painter的材质属性。使用了ZBrush和Substance Painter软件进行辅助，这已经是这个行业常用的手段。在ZBrush中对地形中存在的特有裸露岩石进行雕刻绘制，再进入Substance Painter里面生成贴图通道，最后进入UE4里面制作。这样达到的效果，贴图细节丰富，而且操作比手动绘制要少许多工作量。它展示出来的细节，可以细腻到山石夹缝中的灰层堆积物都能区分出来。通过UE4的加工制作，完美的符合了客户提出的要求。

UE4虚拟环境中还可以加入众多的数据信息，观看者可以漫游到隧道口，查看隧道的长度、施工方法、水泥标号等客户需要了解的信息。

在指导施工方面，UE4可以制作一个生命周期的生长动画。施工方完全可以按照生长周期施工，具体的到每根钢结构的尺寸，样式、材质都可以真实的展示给施工人员。

五、结语

综上所述利用UE4平台展示线路工程是可行的。UE4区别其他平台的主要进步是，它把美术与计算机编码融合在一起，更好地辅助与美术设计师的创作，可以淋漓尽致地展现设计师头脑中的构思，所以它才能展示出那么多的三维作品。对现在的地铁、大铁、高铁等大型工程来说，不仅仅只是向甲方展示线路A点到B点的一条红线。它需要多方位、多角度地向甲方阐述线路的设计理念。设计理念的灌输，只靠冗繁的平面图纸与文字阐述是远远不够的。它需要生动、形象的方式让客户沉浸在影院般的视听效果中去接受与理解，于是UE4就成了未来超长线路展示手段中最优秀的选择。

参考文献：

[1]任可欣，张琪.UE4与虚拟校园交互设计.智库时代，2019（000）040：266.

[2]陈勇进.虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用研究.福建建材，2016.

作者简介：王文龙（1980—），男，汉族，重庆人，大专，助理工程师，研究方向：工程项目的展示及表现手段。