漫游動畫及VR 沉浸式三維交互技術在工業項目上的應用研究

肖驍，常躍鐔

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

科技推動建筑業各個方面的發展。人們可以看到建筑設計越來越精細，施工質量越來越好，同時，建筑表現也趨于多樣化，傳統的二維效果圖等表現形式已經不能滿足市場需求，畢竟再逼真的效果圖或者模型，也比不上虛擬環境提供的真實的尺度感。因此，為了提高建筑設計能力，滿足市場日益提高的審美及加強建筑方案表現力，必須應用動畫和VR 技術這些建筑表現的新工具。

2 漫游動畫和VR 的技術特點

VR 即虛擬現實技術，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感【1】。虛擬現實是多媒體技術的終極應用形式，它是計算機軟硬件技術、傳感技術、機器人技術、人工智能及行為心理學等科學領域飛速發展的結晶。通過特定的方式（戴上立體眼鏡、數據手套、特制的傳感設備等），能夠在虛擬環境中完成觀察、行走、探索等操作，就好像在真實世界里一樣。其特點如下2.1～2.4 所述。

2.1 真實性

采用虛擬現實技術，能夠很真實地模擬外部世界，體現現實因素，使人猶如置身3D 電影的感覺，以此使得非建筑專業人員也能對建筑工程有直觀的理解。

2.2 參與性

虛擬現實技術比看3D 電影更進步的方式在于：作為項目的觀察者，同時又是虛擬環境的參與者，可以“真實”地體驗周圍環境，或者說體現了以人為核心的自由：無論你是想觀察哪里、觀察哪個樓層或者觀察多長時間，完全由個人決定。

2.3 交互性

在虛擬世界中，所見即所得。立體眼鏡所看到的物體，理論上也可以通過數據手套抓取、移動等操作，能夠得到觸碰物體的反饋。在虛擬世界中直接調整建筑模型、材質，效果直觀，方便快捷【2】。

2.4 引領性

對于非專業人士而言，如何引導他們按照建筑師設計的順序觀察建筑，往往會影響對建筑的評價，如何把自己的想法明明白白地展示給甲方，是一個很大的挑戰。漫游動畫就是VR 技術的實際應用之一，動畫是VR 衍生出的生動的表達方式。建筑師可以提前設定好路線，在整個游覽路徑中，逐步展示整個項目的“起承轉合”，同時輔助錄制的語音講解，在短時間內讓甲方接收到最優質、最有邏輯的信息。

3 漫游動畫和VR 的技術意義

虛擬現實技術生動直觀地展現有關建筑的各種具有實在感的場景信息，全方位地展示建筑物內外部空間及功能，在項目前期投標、申報、審批、交流中，使目標受眾產生強烈的興趣，帶來逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗。它的意義有以下5 個方面。

3.1 提高建筑設計的品質

在建筑設計階段，能夠直觀反映建筑師的設想；和傳統建模相比，看見的不是平面化的圖形，而是自己站在已經建造完成的建筑環境中漫游。同時進行多方案比較，將不同的方案建模完畢，在虛擬世界中進行觀察，利于建筑師對比各個方案的優劣，幫助設計師快速進行方案的決策。因為VR 是用體驗的判斷代替經驗的判斷，因此，VR 技術是建筑方案設計論證的有效途徑。

3.2 降低風險，保護投資

建筑設計是一個復雜的過程，它的內涵包括：美學、人文、安全、功能等要素。建筑本身具有不可逆性，在前期設計時，只有不斷分析方案的可行性、比較多個方案的特點并反復修改，才能避免在施工過程中出現問題，否則很可能導致資源浪費。運用VR 的前瞻性，就能降低能源消耗率，有效避免決策錯誤，有利于促進工業建筑健康穩定發展，為社會的綠色環保事業做出貢獻；完備前期設計，也體現了綠色建筑設計理念。

3.3 變革工作方式

目前的設計工具有CAD、sketchup、犀牛等，VR 技術的快速發展，很可能會引起工作方式的變革，未來的設計師在完全虛擬的環境中建造，對建筑的觀察不再是平面畫的顯示屏，而是“身臨其境”。

3.4 幫助公司向研發型企業過渡

在信息時代，如果公司想要更好地生存和發展，向研發型企業過渡是一個重要途徑。VR 技術的直觀性可以讓設計師把精力更多地投入到設計之中，而非亦步亦趨地修改設計圖；同時虛擬建造的應用，可以提前預判各專業的配合度，減少碰撞。

3.5 有利于展示和宣傳

鑒于目前虛擬現實技術的三維立體，虛擬仿真，實時渲染，視、聽、觸多維體感，自主交互等特點，正好符合建筑漫游的目的，便于觀者多維度體驗，填補傳統漫游所無法實現的臨場體驗；這是建筑展示、宣傳方式的一大革命。

4 漫游動畫和VR 在工業項目上的應用

工業項目具有基地面積大、工藝要求復雜、廠區內包括民用和工業建筑的特點；這些特點決定了工業項目的設計具有修改次數多、工作量大的特性。應用漫游動畫和VR 技術將有效提升和客戶的溝通效率，達到降低設計修改次數，縮短項目周期的目的。在設計階段，通過VR 技術進行展示設計，可以模擬真實的廠區環境、周邊景觀、內部場景等，為用戶提供更加優質和個性化的服務。

工業項目一般分為廠前區和主廠區2 個部分。廠前區為配套民用建筑，包括辦公樓、研發樓、職工宿舍和食堂等，同時作為企業的形象展示，兼顧美觀；主廠區基本為工業廠房，為生產服務。

工業建筑的特點有：（1）需要滿足生產工藝的要求。廠房建造的目的是為了生產，需要按照工藝要求和流程調解體量大小構造做法和比例，而且生產工藝不同的廠房具有不同的特征。例如，醫藥廠房、電子廠房、物流廠房等，對開窗形式、潔凈度、結構荷載、廠房類別等的要求是不一樣的。（2）構造處理較復雜。主要體現在采光、通風、屋面排水等節點構造處理較復雜。大多數廠房主要以鋼結構為主，這就決定了節點構造的復雜性，比如，屋面采光帶、屋頂天窗、高低跨伸縮縫等，都需要滿足采光、保溫、節能、美觀等功能。（3）對美觀的要求越來越高。工業建筑對美觀的要求，在未來是和民用相差無幾的；工業建筑設計不能像以前那樣僅僅滿足工藝要求就行了，現在越來越流行的工業旅游和技術的發展，使得廠房的外觀發生了很大變化。（4）單體建筑體量大。工業建筑體量巨大、層高較高、占地面積廣是一個很直觀的特點。這個特點有助于建筑師對空間的改造和劃分，充分發揮自己的主觀能動性。以上這些內容和細節的展示，都可以用動畫演示來實現。

4.1 建模

模型是進行渲染和VR 觀察的物質基礎，在進行導出動畫或者VR 觀察之前，需要使用建模軟件把模型建立起來。而所使用的建模軟件為sketchup。

sketchup 建立模型流程如下：（1）首先整理CAD 文件，刪除不必要的線條，僅保留建筑要素；最后在sketchup 中導入CAD 文件。（2）把CAD 線條推拉成立體模型，再進行修改細化，使素模基本滿足設計預期。（3）在sketchup 中賦予模型特定材質，完成從素模到具有顏色和質感的模型的轉換。（4）地形制作：主要有2 種方法，一種是和建筑建模一樣，導入地形CAD，把線條轉換成立體模型，再進行修改和完善；另一種是在地圖工具中，抓取對應基地的實景航拍圖片，在sketchup 中導入圖片。第二種方法簡便快捷，效果也較好。為了解決導入圖片模糊問題，需要用到PS 的切片工具；把提取出的高清大圖在PS 中切成若干份，然后再把這組圖片導入sketchup 中，這就解決了基地圖片失真的問題。（5）將建筑移動到地形中的正確位置，然后插入樹木、灌木、人物、車輛等配景模型，增加環境的豐富度和尺度感；最后調整光影，完善環境氣氛。

4.2 渲染和 VR 觀察

模型完工以后，已經具備了進行渲染的條件，選用的實時渲染軟件是enscape。相比較傳統渲染軟件，在滿足效果的同時，極大節省渲染時間。

enscape 可以看作是sketchup 兼容的一款插件，所謂實時渲染，就是所見即所得，在打開的enscape 窗口中，可以直接看見渲染效果，在sketchup 中調整模型，就會以渲染完成的結果出現在enscape 窗口中，這種效果可以直接反映在VR 觀察上。無論是模型角度、形態，還是材質顏色的調整，都能即時反映。VR 技術可以通過文字、圖片、聲音和動畫多種媒體形式展示項目，突破平面的局限性，使受眾更加深入和全面地了解項目信息，在項目和體驗者之間建立良好的互動，有效解決項目展示中真實感不足的問題。

打開enscape 以后，可以導出圖片，就成了傳統意義上的“效果圖”。這種靜態效果圖有助于加深觀察者的印象，所以也是有價值的。如果對渲染效果不太滿意，可以在sketchup 中調整模型，在enscape 中實時反饋調整結果，直到符合要求。

VR 技術的衍生，可以很方便地生成動畫和效果圖。導出的效果圖可以在photoshop 中進行完善，最終完成匯報文本的制作。運用VR 技術可以提升設計展示的豐富度，無論是經典的二維靜態效果圖，還是方案介紹動畫，或者客戶自己親身體驗設計成果，都能夠“一條龍”服務。

5 結語

虛擬現實技術實際應用效果較好，在建筑設計和溝通展示方面都有獨特的優勢，但目前還沒有一個統一的標準和數據庫。此外，頭戴VR 頭盔的使用者如果運用不當，可能會給用戶帶來頭暈惡心的感覺。在虛擬世界中的交互和行走應該更加人性化，可以把客戶想象成玩家，項目就是一個體驗的游戲；如何讓用戶使用起來舒服，是VR 技術需要克服的挑戰。但隨著技術的進步和市場的成熟，虛擬現實在建筑領域必將普及開來，充分發揮其特有的功能。