基于实时渲染技术的室内家居设计研究

蒋叙 吴智慧

摘要：目前住房需求节节攀升，行业竞争越来越激烈，信息化、智能化技术应用广泛，家居设计行业正进入大众消费、娱乐消费和品质消费共存的消费时代，亟须融合新技术向前迈进。随着渲染技术的进一步发展，实时渲染技术的运用更加广泛，在室内家居设计领域，实时渲染技术可以帮助设计师和客户快速预览家居设计方案，并且可以在设计过程中进行修改。将实时渲染技术应用于家居设计，能更新现代家居设计行业的发展模式，结合消费者的真实体验，及时沟通家居场景的修改。目前室内设计大多还是运用3Ds Max、Blender、SketchUp这类主流建模、渲染软件，这类软件在与实时渲染技术相结合的过程中，为追求画面的流畅度，不得不通过优化模型的方式来弥补电脑配置、网络流送的缺陷。传统的优化方式是创建不同的LOD模型，这种方式过于烦琐且展示效果不理想。文章对实时渲染技术及实时渲染引擎进行概述，提出用UE5 Nanite技术代替传统的LOD技术，并结合具体室内家居设计案例分析Nanite技术的优势，旨在为实时渲染技术在室内家居行业的运用提供可靠的技术支持。

关键词：实时渲染；UE5；Nanite；室内家居设计

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）20-00-04

0 引言

我国室内家居行业经过近40年的发展，取得了一定的成就，在世界上具有广泛的影响［1］。定制家居企业为满足大规模、柔性化生产需求，需要借助大数据、云计算、互联网等工业4.0先进软硬件技术支撑企业发展。无论是民用家具还是办公用家具，皆由传统的企业引导发展变为现在的消费者引导，采用个性化定制模式［2-3］。随着5G技术、人工智能技术的快速发展，智能家电、智能家具等硬件系统和软件系统形成生态圈，住宅中智能化应用场景快速增加，因此不同场景下的家居设计需求更加多样化，为家居行业尤其是定制行业带来了更大的发展空间。体验智能家居的模式将逐渐进入大众视野［4］。

1 实时渲染技术概述

渲染主要有离线渲染和实时渲染这两种类型，两种方式有各自不同的特点。

1.1 计算机图形学角度分析

从计算机图形学角度来看，两种渲染方式都是将已经计算好的数据图像化。离线渲染处理实现方式为中央处理器CPU将需要渲染的文件先从硬盘读取到内存，再读取到CPU，从而完成对数据的计算，计算后的数据为图像数据，通过视频编码格式压缩，最终成为在电脑上播放的影片。而实时渲染的实现方式为CPU将需要渲染的文件先从硬盘读取到内存，再读取到CPU，从而完成对数据的计算，通过PCIE接口传输到显卡，显卡將这类数据图形化，通过图形处理器GPU强大的运算能力，直接输出画面到显示设备。比较两种技术，离线渲染得到的是更精细的画面效果，代价是要花费更长的时间，而实时渲染为了达到随时调整、随时看到画面的目的，则会牺牲画面的精细度。因此优化图形计算能力及图形渲染方式是发展的重要环节［5］。

1.2 应用层面角度分析

从应用层面角度来看，实时渲染的应用大多集中在游戏产业，如国外的Epic和EA公司，国内的网易、腾讯、米哈游等公司［6］。现阶段大部分的游戏画面都是实时渲染的，因为游戏往往不需要过度复杂的光线反射画面及材质纹理细节。大部分CG动画最终是通过离线渲染呈现的，因为动画往往要求画面精细，光影效果接近真实，尤其对光线反射的要求较高。但是随着硬件技术的进步，游戏引擎的推陈出新，实时渲染与离线渲染所生成的画面内容之间的界限也渐渐模糊，现在通过实时渲染也能制作出相对精细的画面。

1.3 渲染时间角度分析

从时间角度来看，两种渲染方式有一定的差异。实时渲染需要实时观看画面，计算机从计算绘制一幅图像到输出画面于显示器上，仅需要1/30秒左右。反观离线渲染，由于其需要较高的画面效果及粒子特效，因此可能需要几分钟甚至几天时间才能得到一幅图像、一帧画面。

1.4 实时渲染技术与室内家居设计相结合的优势

在与室内家居设计行业结合的过程中，实时渲染技术可以建立具有交互性的2D视频图像。随着软硬件的不断升级，实时渲染能够快速完成一帧帧绘画2D图像，实时渲染出家居场景，满足对展示效果、修改时间等方面要求较高的家居设计的需求。实时渲染能够助力创作者建设奇妙的幻想空间，其成本较低、效率极高，因而获得广泛应用［7］。目前市面上的家居设计软件，在室内家居展示功能上并不能完全做到实时展示，还需要通过渲染出图的方式展示家居场景效果，渲染所需的时间也存在变动性，渲染效果不尽如人意。室内家居设计行业与实时渲染技术的深度结合，定会给家居设计带来全方位、多层次的提升［8］。

2 实时渲染引擎类型与对比分析

2.1 实时渲染引擎类型

（1）Unity

Unity是一款跨平台的游戏开发引擎，支持实时渲染、物理模拟、AI、网络等多种功能。

（2）Unreal Engine

Unreal Engine，简称“UE”，是一款由Epic Games公司开发的游戏引擎，支持实时渲染、物理模拟、虚拟现实等多种功能。

（3）Cry Engine

Cry Engine是一款由Crytek开发的游戏引擎，支持实时渲染、物理模拟、虚拟现实等多种功能。

（4）Lumberyard

Lumberyard是一款由亚马逊开发的游戏引擎，支持实时渲染、物理模拟、虚拟现实等多种功能。

2.2 常用实时渲染引擎对比

目前常用的实时渲染引擎为Unity和Unreal Engine。Unity的视觉效果相对UE略逊，是手机3D应用、3D游戏轻量级首选，支持跨平台，设备兼容性更好。Unity的

应用更加多元化，各平台都有代表作，如《王者荣耀》《炉石传说》《纪念碑谷》。Unreal Engine虚幻引擎开源、渲染逼真相对Unity更好，但设备兼容性略差于Unity。虚幻引擎以追求写实效果的主机游戏为主，如《绝地求生》《堡垒之夜》《黎明杀机》。

Unity和UE引擎是目前市面上最常用的游戏引擎，因为侧重方向有所不同，所以各有优劣。如表1为两款引擎对比，总体来说，Unity适合开发手游，UE更适合游戏大作、影视、动画、广告、美术。Unity侧重轻量级的开发，偏向于移动端，现在市面上很多手游都是基于Unity开发的。

3 UE5 Nanite技术底层算法分析及在室内家居设计中的运用

UE引擎经历了UE、UE2、UE2.5、UE3、UE4、UE4.27、UE5等多个版本［9］，它的迭代速度极快，现在已经到了UE5版本。Unreal Engine 5，是Unreal Engine 4的后续版本，旨在提供更强大、更高效的开发工具和实时渲染技术。Nanite是UE5全新推出的虚拟几何体系统。Nanite采用全新的内部网格体格式和渲染技术，用以渲染像素级别的细节及海量的物体对象，且足够智能，可以仅处理能够观察到的细节。

3.1 Nanite建模底层算法分析

Nanite建模底层算法分析采用的是三维模型实体几何体的构造方式（CSG）。构造实体几何是实体造型中一项常用的手法，CSG是三维立体建模中经常使用的一个程序化几何构造方式，在艺术、雕塑及三维电脑绘图中都有广泛的运用。构造实体几何在家居设计中也起到了至关重要的作用。通过这种方法，可以用非常简单的基础物体构造出看起来复杂多变的3D几何及曲面，从而设计创造出更加有趣的体量和内部空间。

CSG中最重要也是最常用的手法就是布尔运算。布尔运算是一个三维的集合概念，包括并集、交集和补集。并集是两个物体的结合体；交集是两个物体共有的部分；而补集是一个相对的概念，从A物体中减去B物体，通过指定不同的A和B能得到不同的几何体。这三个概念在推进家居户型设计形状及三维建模时发挥着至关重要的作用。在家居设计中，较为常用的就是布尔并集和布尔补集这两个概念。

如图1是布尔运算在实体建模软件中的运用。

3.2 结合具体室内家居设计案例分析Nanite的优势

在家居场景中，细节表现较好的家具模型，其三角面数动辄数十万面，而常见的渲染软件无法处理数十万面数的模型，如图2的沙发模型，其三角面数为48万。传统的优化方式为创建不同的LOD模型。LOD是Level Of Details的缩写，即多层次细节。简单来说，在同一幅画面中，人眼所能观察到不同物体的细节程度是不一样的。

因此，可以不同程度地分配算力资源，让距离越近、运动速度越慢、越靠近人眼视域中心的物体，呈现出更多细节；反之，则呈现更少细节。这种合理的算法，就是LOD技术。根据物体和相机之间的距离，引擎将显示不同等级的LOD模型，因此建模师需要分别做出不同等级的LOD模型，在视角、镜头切换的过程中使用不同的LOD模型。由于可视化系统必然是通过某种屏幕显示系统呈现出来的，因此人眼观察细节的能力可以通过FPS数值表现出来。这种技术可以减轻软硬件负担，但是在画面显示质量上会存在明显的瑕疵。

Nanite的做法不同，不再基于LOD模型，而是将模型碎片化，将物体分成几个簇，其大小会根据距离而发生变化，这种变化是实时的，不会降低画面质量，当物体发生位移时，FPS正常。图3为沙发模型碎片化的显示效果。

这项技术不断更新，可以导入非常多面数的模型，利用Nanite系统缩小模型的大小，不再需要烦琐地建立不同的LOD模型，且不会有损画面质量。

图4是分别采用LOD方式和Nanite方式，远距离观看2500个与48万个三角面模型组成的画面质量的示意图。

图5是分别采用LOD方式和Nanite方式，近距离观看2500个与48万个三角面模型组成的画面质量的示意图。

FPS是指画面每秒传输帧数，通俗来讲就是指动画或视频的画面数，每秒钟的帧数越多，所显示的动作就会越流畅，所以通常用FPS数值的高低来辨别画面的流畅度。以上两种方式FPS显示结果如下：远距离下，采用LOD方式，画面FPS为26.48，采用Nanite方式，画面FPS为75.28；近距离下，采用LOD方式，画面FPS为25.09，采用Nanite方式，画面FPS为74.09。虽然从远距离到近距离，两种方式的画面质量都有所降低，但是总体来说，采用Nanite方式显示的画面质量更高。

为细化Nanite和LOD这两种方式的画面显示效果，将沙发模型分别用Nanite和LOD这两种方式，在近距离、中距离、远距离进行观察，具体如图6所示。

Nanite碎片化模型網格后，可以在视野距离不损失效果的前提下，简化模型；LOD只能根据自定义的LOD层次模型和视野距离进行简化，简化的方式是替换不同层次的模型，这个层次的模型数量取决于美术制作的层次。Nanite允许开发人员在不影响性能的情况下呈现高细节的复杂场景。

4 结语

Nanite的主要优势在于可以处理大量的三角形数据，且不会对渲染性能造成负面影响。这意味着开发人员可以创建极其详细的场景，而不必担心性能问题。此外，Nanite还可以根据相机距离自动调整细节级别，以确保在远距离观看时也能保持良好的性能。除了高细节的场景呈现外，Nanite还可以与虚幻引擎的其他功能相结合，如虚幻引擎5中的全局光照技术Lumen。Lumen使用光线追踪技术来呈现动态全局光照，而Nanite则可确保Lumen的光照能够应用于高分辨率的虚拟几何体上，从而产生更逼真的效果。

参考文献：

［1］ 熊先青，吴智慧.家居产业智能制造的现状与发展趋势［J］.林业工程学报，2018，3（6）：11-18.

［2］ 朱兆龙，熊先青，吴智慧，等.面向智能制造的定制家居数字化设计虚拟现实展示技术［J］.木材科学与技术，2021，35（5）：1-6.

［3］ 熊先青，吴智慧.大规模定制家具的发展现状及应用技术［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（4）：156-162.

［4］ 朱方，陆平，李继龙，等.家居智能的超现实体验：边缘侧分布式实时渲染［J］.人工智能，2020（5）：40-47.

［5］ 杨茹元，袁权，孙友富.全息虚拟技术在现代展示设计中的应用［J］.家具与室内装饰，2018（11）：52-54.

［6］ 王树军.三维游戏引擎中物理引擎关键技术的研究［D］.天津：天津大学，2007：5-7.

［7］ 王成.实时渲染技术在三维动画设计中的应用［J］.鞋类工艺与设计，2022，2（18）：118-120.

［8］ 陈浩，钟世禄.虚拟现实技术在室内设计行业发展现状研究［J］.家具与室内装饰，2021（1）：127-129.

［9］ 杨豫婷. UE4引擎技术在建筑可视化设计中的应用研究［D］.武汉：湖北工业大学，2018.

作者简介：蒋叙（1996—），男，江苏扬州人，硕士在读，研究方向：家具设计与工程。

吴智慧（1963—），男，江苏扬中人，博士，教授，系本文通讯作者，研究方向：家具设计与工程。

基金项目：本论文为2018年度“十三五”国家重点研发计划项目“木质家居产品柔性制造技术”成果，项目编号：2018YFD0600304；2021年度教育部产学合作协同育人项目“智能制造背景下家具设计与工程专业转型升级思路探索与实践”成果，项目编号：202101148002