基于虛擬現實技術的交互式建筑動畫應用研究

摘 要：人們習慣將利用計算機技術進行視覺設計和生產的領域統稱為CG。從CG技術的應用領域進行劃分，主要分為CG藝術設計、游戲與動漫設計、虛擬現實與仿真技術等，涵蓋了二維或三維動畫設計、工業設計、視覺傳達設計、網頁設計、游戲設計等諸多領域，實現了在圖形用戶界面、可視化、多媒體、數字娛樂等方面的快速發展。本文以虛擬現實技術在交互式建筑動畫中的應用路徑為研究重點，旨在探索該技術在建筑可視化領域的更多可能。

關鍵詞：虛擬現實技術;CG技術;建筑動畫

建筑可視化作為建筑設計重要的表現形式，依托高質量的建筑效果圖和建筑漫游動畫，能夠讓用戶了解建筑設計的效果以及空間結構。但傳統的表現方式由于受到技術和展示載體的限制，無法實現更深層次的交互體驗。隨著虛擬現實技術的發展，依托其在教育、軍事、娛樂、醫療、仿真、計算機可視化等諸多領域的深化應用，實現在建筑可視化領域的拓展。

1 虛擬現實技術概述

1.1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術（Virtual Reality，下簡稱“VR”），是利用計算機模擬產生一個逼真的三維空間虛擬世界，體驗者能夠通過輸入或輸出設備和虛擬世界中產生交互或完成即時的觀察與體驗，從而獲取身臨其境的感受。該技術可以依托可穿戴的傳感設備，使用戶在虛擬空間中獲得某些感官反饋，甚至可以實現裸感沉浸體驗。VR技術囊括了感知、環境、操作等諸多領域，通過人機交互實現了視覺、聽覺、觸覺等多種感官的立體化表現，在當代社會得到了快速的發展和廣泛的應用。[1]

1.2 虛擬現實技術的基本特征

VR技術的基本特征，主要是指沉浸性、交互性、共享性，即Immersion、Interaction和Imagination，也被稱為“3I”。

（1）沉浸性。沉浸性是VR技術為體驗者帶來的最為逼真的臨境體驗。體驗者可以通過虛擬現實設備如頭盔或手套，使自己置身于三維虛擬空間中，進行實時的觀察、控制或體驗，這是人作為人際環境的主導者，通過操作獲取準確的反饋。Greg Morgenstein就曾說道：“VR將人們的想象力帶到從前只有夢想才能到達的地方，HEAR360所提供的八面球體的全方位立體聲麥克風能夠捕捉360°音頻，我們要讓聲音和看到的一樣美妙。”這種技術和設備的創新和升級能夠給VR技術提供更強的支撐。

（2）交互性。交互性是VR技術為體驗者帶來的最真實的感官體驗，體驗者可以獲得同真實世界相同的感受或反饋的自然程度。虛擬現實顯示技術除了搭建視覺感知之外，還具有聽覺感知、觸覺感知、運動感知、力覺感知等多種感知功能。假設用戶在虛擬環境中體驗自然樂趣，那么在這里，體驗者可以感受到雨滴落在手心，風吹拂在臉頰，這也就是用戶在虛擬系統中可以完成同真實環境近乎相同的交互，交互性是人機和諧互動的關鍵性因素。

（3）構想性。構想性是人類智慧和創造性的最好詮釋。虛擬現實創造的環境，既是現實世界的展現，又是補充與深化，人們可以在這樣的空間中獲得新的知識，同樣可以獲得更深層次的理性和感性認知，從而產生新的創造性活動。虛擬現實技術的發展和應用就是為了使人類的認知得到更廣泛、更深入的拓展，通過該技術實現人與科技的完美融合，其對提升人類認知世界、改造世界的能力有著極大的促進作用。

2 虛擬現實技術應用于建筑動畫中的優勢

傳統建筑動畫與基于VR技術的交互性建筑動畫最本質的區別在于：在傳統動畫中，我們可以利用三維軟件（3dmax等）制作出建筑及周圍環境模型，通過鏡頭語言及特效處理，呈現出完整的商業性動畫作品，或者通過模型的搭建，演示動態施工過程。這些都是為了使建筑動畫具有更強的真實感，能搭建設計師與用戶的橋梁，使用戶對在項目建設之初就能了解項目完成效果。而基于VR技術的交互式建筑動畫，通過穿戴設備可以使用戶在虛擬建筑環境中將視覺、觸覺等感官封閉起來，得到最真實的空間感受。

在傳統基礎上，運用鏡頭語言、色彩語言、聲音與音效設計等環節的設計，使圖像畫面細節更加逼真，考慮真實環境中的雙目視差、運動視差等客觀規律，在虛擬環境中構建符合參與者的真實視角，對動畫內容本身進行更進一步的藝術處理，讓觀者在體驗的過程中，實現作品藝術性的更高追求。[2]

3 虛擬現實技術在交互式建筑動畫中的技術基礎

基于VR技術的建筑可視化表現并不是一蹴而就的，建筑及環境測量、設計、繪圖到后期的模型創建及效果表現，需要不同軟件的配合。基于VR技術的交互式建筑動畫，除了借助三維模型制作虛擬環境外，還涉及實時渲染、碰撞檢測、物理屬性設置等關鍵步驟，而這些都需要通過引擎完成。[3]筆者以近些年使用較為廣泛的兩個游戲引擎為例，簡單介紹其優勢和不足。

第一，Unity 3D。Unity 3D是由Unity Technologies公司開發的一款可以實現建筑可視化、實時三維動畫、三維游戲的多平臺綜合性游戲開發工具。準確地說，它并不是為建筑而生的，而是一個專業的游戲引擎。我們在之前提到的VR技術是在計算機上生成的、可交互的、具有沉浸感的技術，但它只是一種結果，它需要借助Unity 3D等開發引擎工具才能實現，這也就是Unity 3D的重要性。

而在建筑可視化方面，無論是游戲或是其他動畫形式，系統都提供較為完善的組件，可以完成較為簡單的VR項目。但該軟件內置工具不夠完善，很難構建高質量的燈光環境和畫面效果。

第二，Unreal Engine4。Unreal Engine4（下簡稱“UE4”）是全球頂級游戲公司Epic Game研發的一款游戲引擎，具備三維建模、動畫制作、實時渲染、粒子系統、音效處理、AI處理、碰撞測試等多個功能。[4]

隨著該引擎邁向非游戲領域的發展戰略，其對交互式建筑動畫開發者無疑是大有裨益的。該引擎可以使開發者無須擁有高深的計算機基礎和代碼編寫能力，只需利用其強大的燈光、材質系統，就可以完成逼真的三維環境創建。同時，針對交互式動畫的特點，該系統也支持操作手柄、頭顯等虛擬現實設備的調試與檢測。

4 虛擬現實技術在交互式建筑動畫中的具體應用

依托上述技術基礎，我們需要在多個軟件中完成基于VR技術的交互式建筑動畫方案制作，具體流程如下：

圖1

4.1 方案策劃

在項目開始之初，開發團隊需要進行詳細的資料收集并完成人員分工的設置與安排，完成交互動畫主題構思和腳本編寫，這些都是項目順利運行的基礎。

4.2 基礎方案制作

Autodesk公司開發的CAD制圖軟件對計算機輔助設計具有里程碑的意義。在做到建筑可視化表現之前，我們需要進行環境勘探、建筑設計、景觀設計等一系列的工作，所有精確的數字都需要匯總到CAD繪制的圖紙中，它可以讓我們對平面布置、空間尺度、表現效果有最嚴謹的認識。所以，在基礎方案制作之初，我們需要對虛擬場景參數進行細化，利用CAD繪制1﹕1的場景圖紙。

在建筑可視化表現方面，3Dmax可以根據CAD圖紙，創建1﹕1的建筑及環境模型，通過燈光設置、材質表現等參數調節，最大程度上展現建筑的本來形態。但無論是自帶渲染器還是第三方渲染器，該軟件很難做到實時渲染，尤其是高質量的場景效果，需要消耗大量的渲染時間，不利于場景的實時檢驗。所以，我們需要將創建好的三維模型導出，利用引擎進行下一步制作。

4.3 VR項目開發

（1）前期模型整理與優化。很多VR項目開發者都有豐富的CG制作經驗，對效果圖和動畫的制作駕輕就熟，習慣于在3Dmax完成三維模型后直接進行場景渲染。但在實際的制作過程中，VR項目對三維模型和貼圖提出了更高的要求。因為不合適的模型和貼圖可能造成引擎的巨大負擔，在制作過程中可以利用Normal Map降低模型面數以獲得更快的渲染速度。[5]

引擎較大的優勢就是依托物理系統完成物體物理屬性的設置，即避免物體違背自然運動規律，例如動畫中的人物行走、跳躍動作;可以利用該物理系統設置決定具體參數，包括車輛運動的合理顛簸、小鳥飛行的方式等，都依靠這個系統決定。[6]同時，該系統還有一個重要的組成部分就是碰撞檢測，它可以檢測到場景中各個模型的物理邊緣，避免場景中的人物、車輛等在運動的過程中發生碰撞而出現的相互穿過。這也就確保了人物在環境中行走不會“穿墻而入”，更不會將墻推倒，因為系統會自動計算兩者的作用力。

除了物理系統，渲染引擎也是游戲引擎一個重要的組成部分。所有制作好的三維模型都需要渲染引擎才能將模型、動畫、材質、燈光等效果實時計算并顯示出來，優質的渲染引擎能夠帶來高質量的輸出效果。

（2）VR項目測試與分析。無論是VR實時渲染效率，還是用戶在使用過程中會出現的眩暈和疲勞，都證明了項目優化和測試的重要性，具體分為如下內容：

第一，VR環境測試。VR環境中的建筑或其他模型比例與現實世界應為1﹕1，不合適的比例會造成長時間使用者的眩暈或其他不適癥狀。同時，我們應密切關注Draw Call（在Unity中，每次引擎準備數據并通知GPU的過程稱為一次Draw Call）數量，因為每幀的Draw Call次數是一項非常重要的性能指標，要盡量減少場景中材質的使用數量，最大限度地進行材質共享，對于僅紋理不同的材質可以把紋理組合到一張更大的紋理中（即Texture Atlasing）。我們可以通過將靜止物體標記為Static等多種方式，配合限制貼圖尺寸，提高模型、材質、貼圖的復用率，控制物件、特效數量及UI相關資源數量等手段，結合場景設計特點，制定相應方案達到控制內存、優化場景的目的。在完成以上步驟后需進行多次的環境測試。

第二，VR設備調試。 VR、AR以及將其融合起來的“混合現實”（Mixed Reality），是繼PC轉向移動互聯網之后，計算機領域即將迎來的新模式。以虛擬現實巨頭Oculus為例，該公司所提供的頭顯設備新頭顯擁有強大的三維繪圖和追蹤能力，能夠在毫秒級精確追蹤用戶在無限定的三維空間內所處位置。這些設備技術的不斷創新對VR項目的視覺呈現起到了極大的推動作用，根據場景運動軌跡設置、場景空間構造等，也就有了更多設備參與的可能性。

第三，GPU渲染線程分析。利用GPU分析工具，可以快速檢測VR項目多個通道中的GPU性能消耗程度，通過生成的Profile數據進行GPU分析。通過著色器復雜度模式，可以利用紅色、綠色和半透明效果表現出性能消耗高低和性能消耗增加的情況;通過光照復雜度模式利用黑色（沒有動態光源）和其他顏色表示場景動態光源情況;通過光照貼圖密度模式可以了解場景中光源的分布情況。一般在遇到GPU瓶頸時，可以考慮更改分辨率的手段，降低的分辨率會大大提高幀數，同時也需要考慮到的是模型的面數太多或像素著色器等問題。

第四，CPU邏輯線程分析。在CPU邏輯線程分析的過程中，如果出現Draw Call過多的現象，可以適當減少Actor數量，盡量做到材質合并和場景燈光整理，避免過多動態燈光數量。

第五，項目測試。在完成以上測試環節后進行項目整體測試。

5 結語

虛擬現實技術作為新興的科學技術，涵蓋廣泛的應用領域和多學科的技術知識，具有廣闊的發展前景。為實現更大的指數級增長，其開發者需求數量也會不斷增加，找到VR技術與建筑動畫領域的結合點，實現“技術”與“藝術”的融合。通過剖析現有的建筑動畫專業課程模塊和實踐教學體系，推進軟件教學模式改革，形成以培養“應用型、復合型、技能型”人才為目標的培養模式，才能促進該行業的更快發展。

參考文獻：

[1] 王凡，段潔淳.虛擬現實技術中的沉浸感研究[J].智庫論壇，2018（16）：131.

[2] 杜宇.虛擬現實技術對建筑動畫的可行性應用[J].成功（教育），2011（18）：5-6.

[3] 孫冬，王超.虛擬現實技術在商業及建筑動畫設計中的應用[J].設計，2017（5）：24-25.

[4] 王星博，祝鑫.新媒體環境下VR技術在建筑動畫中的應用研究[J].西部皮革，2018（8）：149.

[5] 戰冠紅.虛擬引擎技術在建筑文化遺產模型可視化的應用研究[J].福建茶葉，2019（5）：67.

[6] 胡小玲.基于VR技術的建筑設計可視化應用研究[J].河池學院學報，2019（4）：92-93.

作者簡介：袁夢琦（1991—），女，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，江蘇建筑職業技術學院藝術設計學院建筑動畫與模型制作專業教師，研究方向：建筑動畫與模型制作。