虛擬現實技術在建筑場景制作教學中的應用

基金項目：本論文為湖南省教育廳科研項目“基于虛擬現實技術的三維虛擬教學環境研究”，編號：13C652摘 要：虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。本文主要介紹虛擬現實技術在建筑場景制作中的應用，主要包括繪制故事板、建筑建模、材質和貼圖制作、燈光和攝像機、動畫渲染等內容。

關鍵詞：虛擬現實技術；建筑場景；3DSMAX

1 虛擬現實技術的起源與發展

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)的概念由美國RPL研究公司的創始人杰倫?拉尼爾于20世紀60年代提出。早在1992年，在美國的東卡羅琳那大學成立了虛擬現實技術與教育實驗室。英國在紐卡斯爾中學建立了以國際維度技術為基礎的虛擬現實軟件包，探索用虛擬現實進行外語和工業安全培訓的方法。目前國內的很多高校和企業也都開展了有關虛擬現實的課題研究，如北京航空航天大學將虛擬現實技術應用于分布式飛機模擬等方面；浙江大學將其應用于在建筑虛擬規劃和虛擬設計等方面。

2 虛擬現實技術在建筑場景制作教學中的應用

在傳統的建筑設計過程中，建筑設計過程往往需要花費很長的時間，付出很大的代價。在建筑設計的過程中，我們往往只能通過建筑圖紙來了解建筑效果和建筑設計方案，這些方法使受眾很難全面、直觀、準確地了解建筑的設計意圖。而虛擬現實技術利用計算機圖形技術制作出三維建筑模型，再應用人機交互技術、人工智能等手段使觀者能從各個角度全方位的感受建筑空間，這樣也更能方便地對建筑設計方案進行修改。接下來我們以某商品房小區為例研究虛擬現實在建筑場景制作中的應用以及生成虛擬現實場景的方法。

(1)繪制故事板。故事板最初起源于動畫行業，在短片還沒有正式制作前，導演應用故事板來記錄一些重要的鏡頭。故事版通常是以黑白草圖的形式來簡要說明場景中的主要鏡頭，它反映了導演在動畫開始制作前的基本構思和想法。因此，故事板策劃的好壞將直接影響到整個故事的成敗。用于建筑場景制作的故事板通常包括如下幾個方面的內容：攝像機的起始位置；關鍵鏡頭的畫面構圖；鏡頭語言及鏡頭過渡、主光及輔光的擺放位置及材質貼圖方式等。

(2)建模。制作建筑場景，首先要做的就是三維場景建模。三維建模是場景和虛擬現實的基礎。建筑場景通常都比較龐大，模型的面數也比較多。為了使建筑場景能流暢的播放和運行，我們在建模的過程中不僅要使模型盡量的逼真，而且要想辦法盡量減少模型的面段數。1)建筑場景的特點。建筑場景是人們將居住空間和自然環境有機結合的產物，它是人類文明發展的產物，反映了人們對美的認知和追求，是人與自然和諧相處的體現。在建筑場景中，模型的形式有多種多樣，如樓房、地形、路燈、庭院、店鋪、水景等。由于模型的類型多種多樣，所以建模的手法也會有所不同。尤其是庭院、路燈、水景等，它們造型風格各異且大多為曲線造型，再加上它們往往和自然景觀融合在一起，因此更增加了建模的難度。2)建筑場景模型制作。在3dsmax中，常用的建模方法有多邊形建模、面片建模、NURBS建模等。我們在制作建筑場景模型的時候通常采用多邊形建模的方法，因為多邊形建模是基于三角形面和四邊形面的拼接，且操作較為簡便容易掌握，比較適合于建筑建模。由于建筑場景往往比較龐大，所以我們在進行多邊形建模的時候要盡量減少面段數，那些看不見的或不會被渲染到的面最好刪掉。還可以通過透明貼圖等方法來制作樹木、鏤空物體等模型，這種方法雖然可以減少模型的面段數，由于是通過貼圖方式來制作模型，座椅容易產生立體感不強，模型不夠精細等缺點。此外還可以通過speed tree、tree storme等插件或利用代理模型來制作樹木模型。總之，在滿足渲染效果及品質不受影響的前提下，文件越小越好，這更有利于后期的制作和渲染。

(3)材質和貼圖。模型制作完成后，接下來要做的是模型的材質和貼圖，材質可以制作出物體的顏色、光澤、透明等效果。貼圖有多種多樣，如漫反射貼圖、不透明度貼圖、反射貼圖、凹凸貼圖等。通常我們需要給物體指定UVW貼圖修改器，通過選擇貼圖的類型，調整貼圖的長寬比，使貼圖到理想效果。通過給物體指定材質和貼圖，再搭配燈光和渲染器，我們就能夠制作出真實的模型效果。

(4)燈光和攝像機。通過應用MAX的虛擬攝像機和燈光系統能更好地模擬出場景的真實效果。1)燈光的設置。如果場景中應用了VRAY渲染器進行渲染，通常只需要放置簡單的主光和輔光，漫反射的燈光效果可以通過VRAY渲染器中的間接照明功能進行計算。如果場景中沒有使用VRAY渲染器，通常需要用燈光矩陣的辦法來設置燈光。在渲染建筑的時候使用燈光矩陣，其主要原因還是渲染速度，大多數情況下而言，燈光矩陣的渲染效率非常高。雖然現在VRAY、全局光渲染器也很快，但是并不意味著燈光矩陣就過時了，掌握燈光矩陣的原理，在建筑這種大場景渲染中，仍然是必需的。在本建筑場景中，我們選擇了目標平行光作為主光源，陰影類型為VRAY陰影。在攝像機不可視的地方，我們設置了燈光排除，在光線不足的地方，我們增加了補光。2)攝像機。攝像機作為用于最終的動畫效果表現，是必不可少的，它包括焦距、位置、角度等幾個調節項目。在本建筑場景動畫中，攝像機大多是通過路徑約束動畫的方式來制作，也可以按照關鍵幀動畫的制作方式手動的調整攝像機的位置、角度等，還可以手動的調節攝像機的運動速度，使有些鏡頭產生緩入緩出的特殊效果。

(5)渲染。當模型、材質、燈光等工序完成后，在正式輸出動畫之前，還需要對渲染輸出做很多設置。渲染輸出設置至關重要，在每次輸出前都要確認一下，主要有制式、格式、文件命名以及與電視相關等內容。如果應用了VRAY渲染器進行渲染，還需要對抗鋸齒參數、間接照明中首次反彈、二次反彈參數等進行設置。渲染建筑漫游動畫的時候，通常需要先渲染動畫光子，再渲染最終動畫。渲染完成后輸出的序列文件可以通過Premiere、AE、Vegas 等軟件進行剪輯、合成及配樂等，如果要實現動畫的交互功能則需要通過虛擬現實開發工具才能實現。在這篇文章里，我們只研究了虛擬現實園林建筑的前期建模的優化，至于虛擬現實的交互性，是它的一個非常重要的特點，也是它最吸引人眼球的地方，有待于我們在今后做更深入的研究。

本文對虛擬現實建筑場景的制作過程進行了簡單的分析，主要包括：模型的制作方法及要求、材質貼圖的制作方法、燈光選擇及布置、后期渲染及合成處理等。總之，虛擬現實技術在建筑場景制作中具有明顯的優勢，是未來發展方向，它能讓人們產生身臨其境的感覺，給人們全新的觀察視野。

參考文獻：

［1］ 熊靜，周定康.Internet環境下的虛擬現實技術——VRML［J］.計算機與現代化，2004(2)：1719．

［2］ 崔海燕，段作章.虛擬現實技術在現代教育中的應用［J］.中國現代教育裝備，2005(3)．

［3］ 胡小強.虛擬現實技術基礎與應用［M］.北京郵電大學出版社，2009.

作者簡介：周增輝(1982—)，男，湖南邵陽人，碩士，講師，2010年畢業于湖南師范大學美術學院，湖南信息學院人文藝術系藝術創意教研室主任。endprint