虚拟现实技术在建筑室内交互设计中的应用

刘 鹏

（深圳市建侨建工集团有限公司，广东 深圳 518000）

室内空间作为生活、工作、休闲、娱乐等场景，传统的二维交互设计已经无法满足人们真实、逼真的交互环境需求。当代人需要一种便于交互的三维虚拟仿真环境，完全实现听觉、视觉和感知的交互设计[1]。虚拟现实技术是一种计算机模拟系统，扩展了人机器交互的能力，将人们带入沉浸式的空间，体验者可以使用虚拟现实技术全方位感受虚拟建筑模型的空间[2]。随着5G技术的加速发展，填补了VR技术传输慢、速度慢、加载慢的不足，设备的云端化促进了虚拟现实技术在建筑室内交互设计的普及[3]。

1 虚拟现实技术与交互设计的关系

1.1 虚拟现实技术及其作用

虚拟现实技术（VR）是一种集合了现代社会许多高新技术的三维动态视景和实体行为的模拟系统[4]。虚拟现实技术与人体工程学相结合，使体验者沉浸到一个具有听觉、视觉、嗅觉、味觉和触觉的虚拟世界。虚拟现实技术具有交互性、沉浸性和想象性三大特征，与人的感知性共融，突出人的主导作用。

1.2 建筑室内交互设计

交互设计可应用于各类型建筑的室内设计，是一种认知与即时反馈的关系[5]。建筑室内交互设计能够将体验者通过对室内环境的认知处理进行量化，在交互过程中，体验者需求的即时反馈对空间提出了要求，需要优化室内空间设计以顺应体验者心理需求，形成循环往复的良性互动关系。建筑室内交互设计与传统的交互式建筑有本质区别。交互式建筑指智能建筑、智能家居及多媒体互动装置[6]，交互性仅体现在可调节的实体建筑空间，适用于可动空间的操作，属于被动接受。建筑室内交互设计是在体验者对建筑室内空间的感知反馈与建筑空间之间形成循环迭代的交互关系。传统交互式建筑与建筑室内交互设计的区别如表1所示。

表1 传统交互式建筑与建筑室内交互设计的区别

1.3 虚拟现实技术与建筑室内交互设计的一致性

交互设计流程如图1所示。

建筑室内交互设计将认知心理学和相互渗透论作为研究的基础，体验者对环境信息进行反应，并转化为影响设计的思维表达。在虚拟现实技术中，体验者的参与环节必不可少，通过自身的交互、沉浸和想象三大特征与人的感知性融合，让体验者产生身临其境的投入感[7]。将虚拟现实技术与建筑室内交互设计结合后，完全可以激发体验者在室内设计交互体验后的主动参与性和思维创新性，并影响最终设计方案。两者结合对体验者和设计师都具有实用性，通过计算机、环绕屏幕、数据手套、鼠标以及交互性的虚拟现实软件等创造虚拟空间，体验者可以根据需求进行运动、移动，摆脱了电脑操作的显示器桌面限定。

在项目的设计阶段，虚拟现实技术让体验者参与设计过程，实时对设计方案提出修改意见，设计师按照要求进行修改，经过双方反复商讨、修改，得到更优的设计方案。体验者可以通过交互体验从各个不同的角度游览建筑物内部空间。虚拟现实技术在视觉感知模型建构方面表现出色，建筑室内空间基本可以接近真实效果[8]。

2 虚拟现实技术在建筑室内交互设计中的应用

虚拟现实技术的出现，构建了良好的人机交互体验的虚拟环境，包括视角切换、场景漫游、输入响应等各种操作，能够给体验者带来丰富、全方位的体验。虚拟现实技术在建筑室内交互设计中的应用，除了要展示室内空间的布局、大小和风格，还需要漫游展示主体制作。虚拟现实技术应用的全流程主要包括建模、材质贴图与模型优化、虚拟场景设计、设置碰撞与交互。

2.1 建模

在建筑室内交互设计前，要明确建筑属于哪种类型的风格，根据建筑风格用三维建模软件制作三维数据模型，三维数据模型是实现虚拟场景的基础，通常使用3Dsmax软件制作模型。3Dsmax是真实展现三维空间的有效手段，模型的质量对虚拟交互设计效果有重要影响。因此，3Dsmax建模过程中要做到三维模型精准，对每个物体的点、线、面进行检查，使点、线、面相互对齐，避免尺寸错误，模型中不能出现漏光、模型反面、面畸形等问题，制作高质量的三维模型。三维模型作为虚拟仿真构建场景的基础，将真实场景中的实物呈现在虚拟现实技术的视觉中。因此，模型一定要按照实物的真实比例去构建，否则会造成一种失真的效果。

将CAD施工图的“.dwg”文件导入3Dsmax软件中，从CAD平面图获取空间数据，进行三维几何建模。首先，墙体模型。用直线工具勾勒出墙体部分，预留门框、门、窗框、门洞、窗户的位置。通过“挤出”命令设置数据，完成主体墙体的立体效果。主体墙体制作完成后，对踢脚线、地板、天花吊顶等墙体装饰部分进行制作。其次，构建空间整体模型。在墙体框架基本制作完成后，对门窗造型、大灯关系样式等相关结构进行制作。最后，软装搭配设计。室内设计风格要根据居住人群的制作，包括采光、通风、色条、家具位置摆放、背景墙装饰和小装饰等。

2.2 材质贴图与模型优化

贴图可以描述对象表面的物质状态，对空间物体进行材质赋予，使模型的视觉效果更真实。在贴图前，需要对模型平面合理布局，渲染出一张平面参考图，通过二维软件绘制贴图。使用3Dsmax材质编辑器，设置模型的图片和贴图参数，利用“UVW贴图”调整贴图坐标。制作三维模型时，面数和点数重复较多，为了后期虚拟场景运行节省时间，在导出模型之前需要进行模型优化，提高场景显示效果。三维模型优化通常使用减少模型的面、运用“纹理贴图”代替大尺寸模型和减少三维场景中的节点数等方法，降低场景制作的复杂度。

2.3 虚拟场景设计

Unity3D是三维动画、三维视频制作的专业游戏引擎，由UnityTechnologies公司开发，交互设计由Unity3D软件实现。

虚拟场景制作流程如图2所示。

图2 虚拟场景制作流程

完成材质贴图后，导出FBX通用文件格式，导入Unity3D虚拟引擎，文件保存路径为“Assets”，通过“Assets”文件夹管理C#脚本、图片素材、模型、动画。利用Unity3D对3Dsmax初步的材质贴图再次进行调整，逐个赋予材质高光、反光、折射、反射、凹凸纹理等参数，完成空间中的材质设置，以高效体现仿真感，达到最接近现实物体的外观效果。如果想再现客观事物真实视觉，还需要对场景进行灯光的设置。虚拟引擎中的灯光系统可以调整灯光方向、强度和颜色，还可以设置静态光源与动态光源，渲染出令人印象深刻的视觉效果，使场景环境里的物体更鲜活、富有生命感。

2.4 设置碰撞与交互

在模拟真实建筑环境中，需要在Unity3D引擎中设置碰撞物体，避免发生掉落楼层和穿墙而过的感知发生。为了让碰撞范围更精准，可以在3DsMax建模时创建自定义的碰撞几何体。在模型导出到引擎后，配合Unity3D虚拟引擎的碰撞几何体，进行碰撞物处理，实现体验者在虚拟场景中按照规定的区域和路径中移动。设置交互需要通过蓝图-可视化脚本系统实现。和其他脚本语言一样，蓝图系统通过定义在引擎中的面向对象应用。该系统强大并且灵活，为设计师提供了程序员使用的所有工具。在Unity3D引擎中，创建适用虚拟现实技术的模式蓝图，图像输入选取摄像机链接到VIVE头显，添加HTC手柄控制组件，运用手柄实现虚拟空间中的交互操作，利用控制视点的移动、跳转到任意角落观看场景，实现建筑室内交互设计的功能。

3 结语

在建筑室内交互设计过程中，通过建模、材质贴图与模型优化、虚拟场景设计、设置碰撞与交互等一系列操作，完成交互设计与可视化表达，让体验者最终从多维度观看虚拟场景，与设计师交流沟通，促进了设计师和室内空间的“意识”对话，实现对室内设计效果的整体化把控，最终完成体验者自己想要的方案设计效果。随着虚拟现实技术的深化应用，建筑室内交互设计应对情境创设、内容演示和交互支持方面进行深入研究，打造更人性化、沉浸式的建筑室内场景。