基于虚拟现实技术的交互式建筑动画应用研究
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作者:袁梦琦
摘 要：人们习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域统称为CG。从CG技术的应用领域进行划分，主要分为CG艺术设计、游戏与动漫设计、虚拟现实与仿真技术等，涵盖了二维或三维动画设计、工业设计、视觉传达设计、网页设计、游戏设计等诸多领域，实现了在图形用户界面、可视化、多媒体、数字娱乐等方面的快速发展。本文以虚拟现实技术在交互式建筑动画中的应用路径为研究重点，旨在探索该技术在建筑可视化领域的更多可能。
关键词：虚拟现实技术;CG技术;建筑动画
建筑可视化作为建筑设计重要的表现形式，依托高质量的建筑效果图和建筑漫游动画，能够让用户了解建筑设计的效果以及空间结构。但传统的表现方式由于受到技术和展示载体的限制，无法实现更深层次的交互体验。随着虚拟现实技术的发展，依托其在教育、军事、娱乐、医疗、仿真、计算机可视化等诸多领域的深化应用，实现在建筑可视化领域的拓展。
1 虚拟现实技术概述
1.1 虚拟现实技术的概念
虚拟现实技术（Virtual Reality，下简称“VR”），是利用计算机模拟产生一个逼真的三维空间虚拟世界，体验者能够通过输入或输出设备和虚拟世界中产生交互或完成即时的观察与体验，从而获取身临其境的感受。该技术可以依托可穿戴的传感设备，使用户在虚拟空间中获得某些感官反馈，甚至可以实现裸感沉浸体验。VR技术囊括了感知、环境、操作等诸多领域，通过人机交互实现了视觉、听觉、触觉等多种感官的立体化表现，在当代社会得到了快速的发展和广泛的应用。[1]
1.2 虚拟现实技术的基本特征
VR技术的基本特征，主要是指沉浸性、交互性、共享性，即Immersion、Interaction和Imagination，也被称为“3I”。
（1）沉浸性。沉浸性是VR技术为体验者带来的最为逼真的临境体验。体验者可以通过虚拟现实设备如头盔或手套，使自己置身于三维虚拟空间中，进行实时的观察、控制或体验，这是人作为人际环境的主导者，通过操作获取准确的反馈。Greg Morgenstein就曾说道：“VR将人们的想象力带到从前只有梦想才能到达的地方，HEAR360所提供的八面球体的全方位立体声麦克风能够捕捉360°音频，我们要让声音和看到的一样美妙。”这种技术和设备的创新和升级能够给VR技术提供更强的支撑。
（2）交互性。交互性是VR技术为体验者带来的最真实的感官体验，体验者可以获得同真实世界相同的感受或反馈的自然程度。虚拟现实显示技术除了搭建视觉感知之外，还具有听觉感知、触觉感知、运动感知、力觉感知等多种感知功能。假设用户在虚拟环境中体验自然乐趣，那么在这里，体验者可以感受到雨滴落在手心，风吹拂在脸颊，这也就是用户在虚拟系统中可以完成同真实环境近乎相同的交互，交互性是人机和谐互动的关键性因素。
（3）构想性。构想性是人类智慧和创造性的最好诠释。虚拟现实创造的环境，既是现实世界的展现，又是补充与深化，人们可以在这样的空间中获得新的知识，同样可以获得更深层次的理性和感性认知，从而产生新的创造性活动。虚拟现实技术的发展和应用就是为了使人类的认知得到更广泛、更深入的拓展，通过该技术实现人与科技的完美融合，其对提升人类认知世界、改造世界的能力有着极大的促进作用。
2 虚拟现实技术应用于建筑动画中的优势
传统建筑动画与基于VR技术的交互性建筑动画最本质的区别在于：在传统动画中，我们可以利用三维软件（3dmax等）制作出建筑及周围环境模型，通过镜头语言及特效处理，呈现出完整的商业性动画作品，或者通过模型的搭建，演示动态施工过程。这些都是为了使建筑动画具有更强的真实感，能搭建设计师与用户的桥梁，使用户对在项目建设之初就能了解项目完成效果。而基于VR技术的交互式建筑动画，通过穿戴设备可以使用户在虚拟建筑环境中将视觉、触觉等感官封闭起来，得到最真实的空间感受。
在传统基础上，运用镜头语言、色彩语言、声音与音效设计等环节的设计，使图像画面细节更加逼真，考虑真实环境中的双目视差、运动视差等客观规律，在虚拟环境中构建符合参与者的真实视角，对动画内容本身进行更进一步的艺术处理，让观者在体验的过程中，实现作品艺术性的更高追求。[2]
3 虚拟现实技术在交互式建筑动画中的技术基础
基于VR技术的建筑可视化表现并不是一蹴而就的，建筑及环境测量、设计、绘图到后期的模型创建及效果表现，需要不同软件的配合。基于VR技术的交互式建筑动画，除了借助三维模型制作虚拟环境外，还涉及实时渲染、碰撞检测、物理属性设置等关键步骤，而这些都需要通过引擎完成。[3]笔者以近些年使用较为广泛的两个游戏引擎为例，简单介绍其优势和不足。
第一，Unity 3D。Unity 3D是由Unity Technologies公司开发的一款可以实现建筑可视化、实时三维动画、三维游戏的多平台综合性游戏开发工具。准确地说，它并不是为建筑而生的，而是一个专业的游戏引擎。我们在之前提到的VR技术是在计算机上生成的、可交互的、具有沉浸感的技术，但它只是一种结果，它需要借助Unity 3D等开发引擎工具才能实现，这也就是Unity 3D的重要性。
而在建筑可视化方面，无论是游戏或是其他动画形式，系统都提供较为完善的组件，可以完成较为简单的VR项目。但该软件内置工具不够完善，很难构建高质量的灯光环境和画面效果。
第二，Unreal Engine4。Unreal Engine4（下简称“UE4”）是全球顶级游戏公司Epic Game研发的一款游戏引擎，具备三维建模、动画制作、实时渲染、粒子系统、音效处理、AI处理、碰撞测试等多个功能。[4]
隨着该引擎迈向非游戏领域的发展战略，其对交互式建筑动画开发者无疑是大有裨益的。该引擎可以使开发者无须拥有高深的计算机基础和代码编写能力，只需利用其强大的灯光、材质系统，就可以完成逼真的三维环境创建。同时，针对交互式动画的特点，该系统也支持操作手柄、头显等虚拟现实设备的调试与检测。 4 虚拟现实技术在交互式建筑动画中的具体应用
依托上述技术基础，我们需要在多个软件中完成基于VR技术的交互式建筑动画方案制作，具体流程如下：
图1
4.1 方案策划
在项目开始之初，开发团队需要进行详细的资料收集并完成人员分工的设置与安排，完成交互动画主题构思和脚本编写，这些都是项目顺利运行的基础。
4.2 基础方案制作
Autodesk公司开发的CAD制图软件对计算机辅助设计具有里程碑的意义。在做到建筑可视化表现之前，我们需要进行环境勘探、建筑设计、景观设计等一系列的工作，所有精确的数字都需要汇总到CAD绘制的图纸中，它可以让我们对平面布置、空间尺度、表现效果有最严谨的认识。所以，在基础方案制作之初，我们需要对虚拟场景参数进行细化，利用CAD绘制1﹕1的场景图纸。
在建筑可视化表现方面，3Dmax可以根据CAD图纸，创建1﹕1的建筑及环境模型，通过灯光设置、材质表现等参数调节，最大程度上展现建筑的本来形态。但无论是自带渲染器还是第三方渲染器，该软件很难做到实时渲染，尤其是高质量的场景效果，需要消耗大量的渲染时间，不利于场景的实时检验。所以，我们需要将创建好的三维模型导出，利用引擎进行下一步制作。
4.3 VR项目开发
（1）前期模型整理与优化。很多VR项目开发者都有丰富的CG制作经验，对效果图和动画的制作驾轻就熟，习惯于在3Dmax完成三维模型后直接进行场景渲染。但在实际的制作过程中，VR项目对三维模型和贴图提出了更高的要求。因为不合适的模型和贴图可能造成引擎的巨大负担，在制作过程中可以利用Normal Map降低模型面数以获得更快的渲染速度。[5]
引擎较大的优势就是依托物理系统完成物体物理属性的设置，即避免物体违背自然运动规律，例如动画中的人物行走、跳跃动作;可以利用该物理系统设置决定具体参数，包括车辆运动的合理颠簸、小鸟飞行的方式等，都依靠这个系统决定。[6]同时，该系统还有一个重要的组成部分就是碰撞检测，它可以检测到场景中各个模型的物理边缘，避免场景中的人物、车辆等在运动的过程中发生碰撞而出现的相互穿过。这也就确保了人物在环境中行走不会“穿墙而入”，更不会将墙推倒，因为系统会自动计算两者的作用力。
除了物理系统，渲染引擎也是游戏引擎一个重要的组成部分。所有制作好的三维模型都需要渲染引擎才能将模型、动画、材质、灯光等效果实时计算并显示出来，优质的渲染引擎能够带来高质量的输出效果。
（2）VR项目测试与分析。无论是VR实时渲染效率，还是用户在使用过程中会出现的眩晕和疲劳，都证明了项目优化和测试的重要性，具体分为如下内容：
第一，VR环境测试。VR环境中的建筑或其他模型比例与现实世界应为1﹕1，不合适的比例会造成长时间使用者的眩晕或其他不适症状。同时，我们应密切关注Draw Call（在Unity中，每次引擎准备数据并通知GPU的过程称为一次Draw Call）数量，因为每帧的Draw Call次数是一项非常重要的性能指标，要尽量减少场景中材质的使用数量，最大限度地进行材质共享，对于仅纹理不同的材质可以把纹理组合到一张更大的纹理中（即Texture Atlasing）。我们可以通过将静止物体标记为Static等多种方式，配合限制贴图尺寸，提高模型、材质、贴图的复用率，控制物件、特效数量及UI相关资源数量等手段，结合场景设计特点，制定相应方案达到控制内存、优化场景的目的。在完成以上步骤后需进行多次的环境测试。
第二，VR设备调试。 VR、AR以及将其融合起来的“混合现实”（Mixed Reality），是继PC转向移动互联网之后，计算机领域即将迎来的新模式。以虚拟现实巨头Oculus为例，该公司所提供的头显设备新头显拥有强大的三维绘图和追踪能力，能够在毫秒级精确追踪用户在无限定的三维空间内所处位置。这些设备技术的不断创新对VR项目的视觉呈现起到了极大的推动作用，根据场景运动轨迹设置、场景空间构造等，也就有了更多设备参与的可能性。
第三，GPU渲染线程分析。利用GPU分析工具，可以快速检测VR项目多个通道中的GPU性能消耗程度，通过生成的Profile数据进行GPU分析。通过着色器复杂度模式，可以利用红色、绿色和半透明效果表现出性能消耗高低和性能消耗增加的情况;通过光照复杂度模式利用黑色（没有动态光源）和其他颜色表示场景动态光源情况;通过光照贴图密度模式可以了解场景中光源的分布情况。一般在遇到GPU瓶颈时，可以考虑更改分辨率的手段，降低的分辨率会大大提高帧数，同时也需要考虑到的是模型的面数太多或像素着色器等问题。
第四，CPU逻辑线程分析。在CPU逻辑线程分析的过程中，如果出现Draw Call过多的现象，可以适当减少Actor数量，尽量做到材质合并和场景灯光整理，避免过多动态灯光数量。
第五，项目测试。在完成以上测试环节后进行项目整体测试。
5 结语
虚拟现实技术作为新兴的科学技术，涵盖广泛的應用领域和多学科的技术知识，具有广阔的发展前景。为实现更大的指数级增长，其开发者需求数量也会不断增加，找到VR技术与建筑动画领域的结合点，实现“技术”与“艺术”的融合。通过剖析现有的建筑动画专业课程模块和实践教学体系，推进软件教学模式改革，形成以培养“应用型、复合型、技能型”人才为目标的培养模式，才能促进该行业的更快发展。
参考文献：
[1] 王凡，段洁淳.虚拟现实技术中的沉浸感研究[J].智库论坛，2018（16）：131.
[2] 杜宇.虚拟现实技术对建筑动画的可行性应用[J].成功（教育），2011（18）：5-6.
[3] 孙冬，王超.虚拟现实技术在商业及建筑动画设计中的应用[J].设计，2017（5）：24-25.
[4] 王星博，祝鑫.新媒体环境下VR技术在建筑动画中的应用研究[J].西部皮革，2018（8）：149.
[5] 战冠红.虚拟引擎技术在建筑文化遗产模型可视化的应用研究[J].福建茶叶，2019（5）：67.
[6] 胡小玲.基于VR技术的建筑设计可视化应用研究[J].河池学院学报，2019（4）：92-93.
作者简介：袁梦琦（1991—），女，江苏徐州人，硕士研究生，讲师，江苏建筑职业技术学院艺术设计学院建筑动画与模型制作专业教师，研究方向：建筑动画与模型制作。
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