虚拟现实技术在生态水利工程设计中的应用研究

孟 明，李 然，杨玉涵，娄健康

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

生态水利工程通常需要因地制宜、随地就势。河道的上下游、左右岸都会因地形地貌的不同而采用不同的设计方案。这对“一步一景”的设计要求极高，无形中也增加了设计人员的压力。尤其对于设计周期短，涉及涉水建筑物、岸坡整治、景观节点布置、交通园路等多功能治理要求的项目，协同工作难度大，重复劳动量多。

随着信息化建设的不断进步和发展，计算机智能技术已经深入到日常生活的每一个角落，人们不断地寻求人性化的技术手段来解决众多领域的问题，虚拟现实的概念随之产生，采用的技术经过不断发展，应用深度和广度不断扩大，为解决多领域的实际问题提供了独特的新技术、新工具，并发挥着越来越重要的作用[1]。考虑到生态水利工程目前所面临的难点，结合虚拟现实技术特点，将两者进行结合碰撞，通过新技术解决传统设计中无法解决的难题。

1 虚拟现实技术概述

虚拟现实(Virtual Reality，以下简称VR)是随着计算机技术等多门技术相互融合而成并飞速发展而兴起的新技术，VR技术集成多维信息空间，所涉及的关键技术较多，它是由多个关键技术有机融合而成。VR技术具有通过计算机产生一种人为的虚拟环境的特点，可以使人在视觉、听觉以至于触觉上产生沉浸感，从而达到身临其境的效果[2]。

随着技术的升级，移动智能设备的普及和移动互联网的进一步发展，VR技术将逐步走向成熟，硬件生产将逐渐实现产业化、规模化，且其数量和质量不断提升。可视性和逼真性是VR最重要的两个性质，3个“I”特性是其基本特征，即Immersion(沉浸)、Interaction(交互)和Imagination(想象)。典型的VR系统主要由虚拟世界、计算机软、硬件系统(包括VR软件和VR环境数据库)，和VR输入、输出设备等组成。VR系统分为四类：桌面式VR系统(Desktop VR)、沉浸式VR系统(Immersive VR)、增强式VR系统(Augmentde VR)、分布式VR系统(Distributed VR)[3-5]。

图1 典型VR系统组成图

随着虚拟现实技术的发展，未来工程领域VR技术的发展动向主要是城市规划和大型工程漫游。城市规划系统用于展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象，根据城市的当前状况和对城市的未来规划，将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前。大型工程漫游系统展示各种拟建设的工程项目，为国际和国内工程设计投标建立多种层次、细节丰富的虚拟模型，真实再现工程竣工后的情况[6-8]。

2 虚拟现实软件选择

国外在虚拟现实技术方面起步比较早，在软件和平台方面，大量的可视化产品和丰富的资源源源不断，其中较为显著的软件或平台有：Quest3D、Vega Prime、WTK、Virtools、Unity3D等。

与西方发达国家相比，国内的虚拟现实技术的发展还很落后，但是，近年来，国内也越来越重视虚拟现实方面的发展，加大投资，带动计算机技术，三维图形图像技术的飞速发展，很多大学、研究院以及软件所等机构，通过增加研究力度，从而使国内在虚拟现实系统的开发与研究也提升到了新的阶段，国内几款专业的三维可视化仿真系统软件或平台如下：VRP、Converse3D等软件，另外还有一种以720云为代表的，利用全景图片来达到虚拟现实场景效果，此软件可方便快捷的制作出项目需要的虚拟现实场景[9-10]。

根据各大虚拟现实软件的功能，结合项目采用的欧特克平台进行BIM技术研究的情况，对比利用各虚拟现实软件制作虚拟现实系统所花费的时间和精力，在认真研究BIM软件与虚拟现实软件之间数据格式交换、市场应用以及项目前期和后期时间等要求的情况下，选择在项目前期采用720云软件进行快速制作虚拟现实场景，以满足方案汇报等应用，在项目后期选择目前比较流行，且功能强大的Unity3D软件，用来将虚拟现实技术在工程设计中应用[11-12]。

3 技术整体解决方案

本文从虚拟现实的概念出发，并与其在国内外研究和发展现状相结合，对现有工程设计中虚拟现实技术的基本理论和方法进行研究，利用三维建模技术、虚拟现实技术，研究工程项目的虚拟现实系统设计与开发。在对工程虚拟现实系统的研究中，有机的结合了计算机仿真技术和可视化技术，有效的将虚拟现实技术应用到实际工程中，能够增强系统的交互和维护能力。

在工程的全生命周期过程中将虚拟现实技术与BIM技术相结合，实现基于BIM+VR技术的工程全过程可视化设计，使设计成果所见即所得，让设计者更直观的进行方案推敲，更高效的与业主沟通交流；该技术所带来的更好的沉浸感和交互性能够使每一位参与者更直观的融入项目、体验项目，同时获得同等的工程信息，让业主更真实的感受方案效果，更快速的对方案进行决策；利用此技术进行方案比选、碰撞检查、视线分析等内容，解决了在传统的设计过程中，因为二维图纸不直观、传递信息有限以及信息接收者的理解不同等原因，导致的后期方案变更、图纸修改量大等难题。同时，方案确定后，利用BIM+VR技术可实现自动批量出图、工程量统计，提高工作效率，节约设计成本。

4 虚拟现实技术在工程设计中的应用

4.1 工程概况

沁河生态综合治理工程位于河南省沁阳市境内，为黄河一级支流。本次工程开发任务为：结合城市总体规划和流域规划综合要求，在保证河道防洪安全的前提下，通过工程措施形成河道主槽、湖泊、湿地等多种形态的水面，将河流构建成一条生态景观廊道，保护与修复水生态系统，维持沁河的健康生命，建设水生态文明，提高城市品位，实现美丽、生态、宜居的沁阳梦。

工程位于河南省沁阳市境内，设计范围为孔村闸至沁河桥之间7.6km的河道。设计内容为：两岸自然河道整治，主河槽蓄水建筑物一座，4个生态公园。项目总占地面积共计约708.19hm2，其中水域面积约301.85hm2，绿化等面积约406.34hm2。

4.2 虚拟现实场景制作

根据项目进度及实际需求，本虚拟现实场景在场景模型的基础上，采用720云平台进行制作，最终达到工程虚拟场景展示，方案比选和属性查询等功能，其中，场景模型可以采用Revit、SketchUp等软件进行建模，制作流程如图2所示。

图2 虚拟现实场景制作流程

为使场景更加真实，采用目前比较流行的3DSMax进行贴图、渲染等工作，也可采用SketchUp软件进行贴图、渲染等工作，其中在SketchUp软件中进行贴图工作比较简单，本次主要介绍在3DSMax进行贴图的工作，然后再利用SketchUp软件进行全景图片的制作，最后导入到720云中，制作成虚拟现实场景。

(1)材质贴图制作

为模型赋予材质或者纹理的过程称为贴图，通过贴图能够在不增加模型复杂程度的前提下创建出反射、折射以及凹凸显现等效果，这与基本材质相比可以使模型显得更加细腻而又真实。贴图过程就是将制作好的材质赋予模型，模型经过贴图以后，不仅能够给模型增添质感，而且能够使模型的造型等更加完美，从而能够使整个模型场景显得与真实更接近。

材质制作就是人工创造出材质文件，比如用Photoshop、DarkTree等软件制作贴图或程序贴图，用数码相机拍物体表面纹理等。模型材质贴图是在3DSMax的材质编辑器中完成的，3DSMax提供了多种类型的材质可供选择，使用相应的材质可使设置的场景更加逼真、漂亮。其中，多种不同的材质可以运用到相同的场景之中，不同的材质有不同的类型和用途。其中材质有标准材质、光线跟踪材质、卡通材质、无光线投影材质、多维∕子对象材质、混合材质等几种类型。

所有的贴图都能够在3DSMax软件的“材质/贴图浏览器”中被找到并调用，不同目录下包含有不同的贴图。下面是几种常用材质类型进行介绍：

标准材质：它是3DSMax材质编辑器中默认的材质类型，它提供了相对较直观的设定模型表面的方法，在自然界中物体表面的性质决定其反射效果，3DSMax中，标准材质类型模拟对象表面反射的性质，如果不使用贴图，该材质的表面是一个单一、均匀的颜色。

多维∕子对象材质：它是复合材质的一种，这种材质包含多种同级的子材质，对于比较复杂的多面几何体，其各个次对象(对象的不同部分、对象上有特殊材质的块面)都可以被赋予多维∕子对象材质中材质ID号相应的子材质。

3DSMax中有多种贴图类型，每一种贴图类型拥有不同的特点，在三维制作中经常运用它们以达到最好的材质效果。贴图能够模拟纹理、应用图案、反射折射效果，但这只会增加材质的细节而不会增加对象结果的复杂度(置换贴图除外)，也可以使用贴图为灯光生成一个环境或者投影。在材质/贴图浏览器中，使用show(显示)选项组中的选项可以按照类型过滤贴图，它把贴图分为2D Maps二维贴图、3D Maps三维贴图、合成器贴图、颜色修改器贴图和其他贴图等类型。

以上几种贴图类型都会被应用到材质贴图当中，其步骤为：首先，打开材质编辑器，在Map卷展栏中选择贴图，其中，展栏中的色彩和材质的基本参数有关。然后，单击“None”按钮打开贴图浏览器，在浏览器中选择所需类型的贴图作为材质贴图。当赋予物体的材质中包含二维贴图时，则需利用UVW Map修改器调整物体二维贴图坐标。不同的贴图投影方式对应于不同的对象，在UVW Map修改器的参数卷栏中可以选择平面、柱面、球面、收紧包裹、立方体、面等几种坐标方式。

混凝土材质不同于金属等其他材料，混凝土表面质地粗糙，色泽暗淡，建筑物混凝土等有分缝，为了使混凝土材质表现真实，采用实地采样的方法，将采集得到的样本，通过漫反射贴图通道添加贴图。其中，材质设置和混凝土材质参数的设置如图3所示。建筑物混凝土贴图设置完成后，打上灯光进行渲染，其他模型材质贴图设置方法与混凝土材质设置方法类似，不再一一描述。

图3 建筑物混凝土材质参数设置

(2)全景图片制作

通过SketchUp打开景观三维模型，根据项目所表达的内容分别进行总体把控和局部特写，首先，将需要表现的内容调整到大概的视口当中，并调出V-Ray渲染面板，如图4所示，将相机参数调整成如图5所示，打开输出面板，为了节省时间，先选择一个较小尺寸的图片进行试探性输出(这一步主要是确定一下所调整的视口是否合适)，若所调视口合适，根据像素实际需求，选择所渲染图片的大小并调整相应参数，如图6所示。

图4 景观模型视觉窗口

图5 V-Ray相机参数

图6 V-Ray输出参数

设置好输出参数后，在V-Ray渲染面板顶部“预设”值部分，可根据场景为室内或室外，选择“典型相机拍照场景”、“室内场景”或者“室外场景”按钮。为了后期渲染更加方便快捷，可以将设置好的参数，通过V-Ray渲染面板的“保存设置”按钮将设置好的参数保存成*.vropt格式，等后续或其他项目模型渲染时可以通过“载入设置”进行调用。

调整好视口及参数后，为了后续能找到此渲染视口，这一步可以在SketchUp工具条下方的添加场景处添加此渲染场景，为此场景命名，然后点击“开始渲染”按钮开始渲染，如图7所示，最终渲染完成的全景照片效果如图8所示。

图7 V-Ray全景照片输出

图8 最终全景照片

(3)制作VR场景

全景图片制作完成后，接下来是将全景图导入720云软件，制作虚拟现实场景。通过注册并打开720云软件平台，设置好文件保存位置后，点击“创建全景”按钮，添加“作品名称”、“作品简介”，点击“添加全景”按钮，将需要表达的场景根据表达顺序依次添加，添加完成后点击“确认创建”按钮，第一部分场景创建完毕。

第二部分是在创建好的场景中添加交互式热点，鼠标右击场景，选择“编辑”进入交互式热点设置和添加背景音乐、特效等操作界面。点击左侧工具条中“视角”按钮，首先，将视角调整至比较舒服的位置，然后，调整“视角范围(FOV)设置”和“垂直视角限制”，使视角的显示范围得到一定控制，最后，点击“把当前视角设为初设视角”。

调整好视角后，进入热点设置部分，点击“热点”按钮，调出“添加热点”并点击此按钮后，会弹出热点的图标样式以及热点类型。首先，根据需要表达的内容、方向等选择热点样式，也可自定义热点样式的图标；然后，根据热点样式选择热点类型，其中热点类型包括：切换、相册、文本、图文、链接、音频、视频、环物等；完成添加热点后，点击“音乐”按钮进入背景音乐设置面板，音乐文件采用mp3格式，可将不同的音乐应用到不同的场景中。“特效”设置面板可以“设置太阳光”、“下雨”、“下雪”，并且可以选择雨和雪的大小，也可以载入自定义的PNG格式的雨或雪等其他图片。

一般在大场景中都会通过一个沙盘图来进行导航，沙盘制作时，首先要添加事先做好的能代表整个场景的平面图，且平面图尺寸建议为480mm*480mm，点击“选择图片”，选择平面图；最后，点击“保存”、“返回”，单击“上传”按钮将作品上传至云端，此时在“上传”面板会生成作品二维码以及作品网址，可通过以上两种方式进行体验制作好的虚拟现实场景。还可通过手机扫描上面二维码进入“沁河沁阳市城区段治理工程闸桥结合方案虚拟现实场景”，部分界面如图9所示。点击不同热点调出闸桥结合方案的模型不同信息，包括水闸不同的属性、图纸等，如图10所示。

图9 虚拟现实场景

图10 场景切换

5 结语

虚拟现实技术在生态水利工程中的应用克服了传统工作中设计者利用景观彩平图表达设计意图的呆板、片面，也克服了制作工程视频时渲染、烘焙等费工、费时和费力的特点，大大提升了展示效果和工作效率。同时，虚拟现实技术应用于工程项目后能够以更加直观、完善和便捷的方式展示工程的全貌，带来了更好的沉浸式体验，能够与工程BIM模型有机结合，制作成工程虚拟现实系统，极大提升了工程BIM模型的利用价值。虚拟现实可将二维码技术应用于移动端查阅图纸、进入虚拟现实场景以及将二维码与真实物体结合来获取物体位置、属性以及模型等相关信息，可为工程后期运营管理和将来智慧公园的建立打下良好基础。

随着市场竞争压力的增大以及业主对产品要求的提高，虚拟现实技术水平也必须跟着提高，目前所做的虚拟现实场景的沉浸感、交互性和想象性还能进一步提高，接下来还需要寻找更优的虚拟现实软件来制作出更高质量的虚拟现实系统，以满足市场和业主的更高要求。