基于虛擬現實技術的建筑設計體驗研究
——以UE4引擎為例

莫 畏 趙文斌

（吉林建筑大學）

1 虛擬現實技術

1.1 虛擬現實技術概述

虛擬現實，也稱靈境技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互、體感技術、人工智能等領域。它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備運動的同時，計算機進行復雜的動作捕捉和龐大的數據運算產生精確的模擬回饋，使得用戶可以同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機交互體驗系統。

1.2 虛擬現實技術的三大應用類型

隨著計算機硬件的升級和軟件系統的不斷研發，虛擬現實技術在近年來得到飛速發展，2016年更是被業界定義為虛擬現實元年，其主要具有以下三大類型的運用：

（1）現場表演，我們知道我們在觀看需要買票的現場表演時總是為票價所困擾，不同的票價代表著不同的觀看位置和觀看角度，虛擬現實則打破這一境況。著名的太陽馬戲團曾做過幾次虛擬現實演出，在舞臺的正中央樹立一個360°周天攝像機，所有的演員都對著攝像機演出，而觀眾們則都帶著虛擬現實頭戴式演示儀，盡管他們坐在不同的位置，但通過頭戴式演示儀，他們的視野直接與攝像機相連，所有的觀眾都可以隨意選擇自己想要看到的視角而不再是以往由票所決定的固定視角。

（2）社交體驗，通過網絡將不同地理位置的用戶聯系起來，共享一個虛擬環境，用戶可以為自己選擇一個虛擬身份進入該環境。比如《SecondLife》這一網絡社區，曾吸引了路透社、BBC等多家機構在社區中設立宣傳平臺，出現過線上判例和線下判例的混合，甚至幾十個國家在虛擬社區中設立真正可以發簽證的大使館。

（3）主題交互體驗，通過設立主題館，根據實體1：1建立虛擬場景模型，在主題館中穿戴虛擬現實設備進行交互體驗。

2 虛擬現實技術在建筑領域的應用

2.1 虛擬現實技術在建筑設計的應用

自從計算機代替了傳統的手繪圖紙，CAD軟件得到了廣泛的應用，它具有手繪無可比擬的方便性和準確性，同時，設計結果也更加容易隨時保存和修改。然而，從設計者的角度來看，傳統評估項目的設計方案是通過分析抽象的平面設計圖，決策者基本憑經驗進行判斷。即使已經有了先進的三維模型建立系統（犀牛、3dsMax、SU等），使得設計者在設計過程中能夠隨時看到與實物相近的三維模型，但是，他們依然需要通過二維的平、立、剖圖來進行推敲和改進設計。這樣一個圖的細微改動就會使得其他圖紙和設計結果的改動，容易出現錯誤。

虛擬現實系統就是目前最佳的解決方案，該系統完全根據設計圖或設計師的構想1：1制作而成的三維立體場景，通過佩戴專業的頭戴式顯示儀讓人身臨其境在虛擬場景中仔細觀察設計的每一處細節，對結構、材料、顏色和位置都可以進行非常全面直觀的了解和分析。當我們穿戴上頭戴式顯示儀后，我們就站立在所做的設計項目中，我們可以對某一地面鋪裝、景觀節點、甚至對每顆樹都可以進行多角度的仔細觀察，它引導你進行深入分析，這樣的分析就非常直觀和透徹，看看效果是否理想，用材是否經濟，同時，通過比較生成多種設計方案，比如路面材料想換一換看看效果，那就可以直接更改模型數據，再次進行分析和比較，無需通過二維圖面與三維模型的反復轉換，將設計師的精力集中在設計構思上，充分發揮其設計靈感。虛擬現實系統幫助設計師和決策者提供最有效的參考和借鑒作用，這是以往的平面圖等表現手法無法做到的，它可以幫助開發商盡可能的在施工前減少在設計上考慮不到的細節問題，避免出現決策失誤，這對于設計階段來說是非常有價值的。

2.2 虛擬現實技術在建筑表現的應用

（1）漫游體驗系統，不同于以往的建筑漫游動畫被動地通過攝像機既定視角進行動畫渲染，讓人看到的是動畫渲染師想讓人看到的視角。而利用虛擬現實技術，將方案中的建筑、景觀、室內等1：1的模擬成極逼真的虛擬場景，通過佩戴虛擬現實頭戴式顯示儀和搖桿設備，在建筑場景中隨意行走，通過肢體運動帶來空間與時間變換，通過頭部移動進行視角移動，以任意視角進行觀看，就如身臨其境一般的體驗未來的建筑環境。給體驗者帶來強烈的現場沉浸感。

（2）室內交互系統，虛擬現實技術不僅僅是一個演示系統，也是一個重要的設計工具，傳統房屋裝修，我們通常是根據自己的喜好，提供給設計師所想要得到的風格意向，然后經過不同的效果圖比較選擇更為滿意的方案。而這種設計往往會帶有設計師本身明顯的痕跡而忽略用戶的實際體驗。虛擬現實技術所制作的室內交互系統，可以在構建模型以后讓用戶直接漫游于室內空間，根據自己的喜好選擇不同的裝修材料、家具等，最后設計師根據用戶選擇的模型信息再進行最終設計，這種退讓型設計，更加體現了設計為用戶服務的理念。

圖1 虛擬現實室內交互

（3）傳統建筑修復，首先將傳統建筑通過影像數據采集建立三維模型數據庫，保存傳統建筑原有的各項數據和空間關系等，實現傳統建筑高精度和永久的保存；然后利用這項技術提高傳統建筑修復的精度和預先判斷、選取將要采用的保護手段，縮短修復工期等。也可以通過虛擬現實技術來進行已經一些傳統建筑的復原，更加全面、逼真的展示已經無法看到的傳統建筑。實現傳統建筑保護和修復的現代化、信息化。

（4）銷售展示，傳統的房地產售房部，沙盤、效果圖甚至漫游動畫都會受到技術本身的特點限制，使得賣點無法直觀的展示給顧客，從未使得銷售效果不佳。而虛擬現實技術則可以通過逼真的虛擬場景使得顧客可以提前感受未來的生活環境，身臨其境的漫游在景觀大道上，感受鳥語花香的優美居住環境，再抬頭參觀華麗的建筑外觀；甚至可以“走入”室內戶型，察看室內的布局結構，或站在自家陽臺上觀賞周圍的環境綠化。在期房銷售期間，虛擬現實技術為開發商提供了一種新穎、獨特的營銷平臺，極大改善了傳統展示手法的不足，充分突出項目賣點，使樓盤的品質得到更好的體現。觀眾在游玩中吸收樓盤策劃的賣點，從而增強購買熱情，堅定購房信心，促進項目的銷售。開發商也可以根據客戶的體驗反饋，來進行未來樓盤的配套改進。

3 Unreal Engine4引擎制作的建筑漫游

Unreal Engine 4引擎是Epic Games公司最新的業內頂級游戲引擎，目前在游戲、建筑、電影等行業已經得到了廣泛應用。UE4具有非常棒的圖形處理能力，包括高級動態光照、全新粒子系統等。利用游戲引擎制作建筑模型，可以將建筑漫游游戲化，使越來越多的青年一代更容易接觸建筑行業。游戲引擎是實時渲染，它具有速度快和能產生交互的優點。簡單的說游戲引擎就是用一些奇奇怪怪的方法騙過你的眼睛，比如做鏡面反射需要用Cubemap，但這不是一個物理模型，只是一個trick真實的鏡面反射需要老老實實的做ray tracing。而傳統建筑渲染講究的是物理模型，這種材質是什么物理模型，反射率多少，透光率多少。只要真實的數據一輸入，就能達到所要的物理渲染效果。所謂的數據輸入與渲染結果的一致性。

游戲引擎不僅具有比現存三維模型更加絢麗、逼真的材質貼圖、渲染效果（圖2～3），還具有三維軟件不具備的腳本程序功能。通過UE4制作的建筑模型，能夠通過程序語言實現一些基礎的人機交互功能，實現開門、開關燈、上下電梯等現實中的動作、功能（圖4）。通過UE4引擎來制作的建筑漫游模型也可以直接對接Oculos公司的虛擬現實頭戴式顯示儀，就可以進行虛擬現實建筑漫游，再結合最新的Virtuix Omni360°跑步機給體驗者帶來全新的逼真體驗和自由自在的建筑場景漫游。

圖2 UE4建筑場景

圖3 UE4建筑場景

圖4 UE4程序實現

4 結語

虛擬現實技術的不斷發展，虛擬現實輸出設備的不斷推出和普及使得未來一段時間內虛擬現實技術必將普及，而建筑領域的虛擬現實化發展也必將成為一種趨勢。從某種意義上講，虛擬現實改變了人們的思維方式，要加強對虛擬現實技術在建筑領域的應用，就要從虛擬現實技術的多個方面，從建筑設計的多個角度進行綜合分析研究，從而使虛擬現實技術更好更有效的作用于建筑領域。

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