虛擬現實技術在建筑室內交互設計中的應用

劉 鵬

（深圳市建僑建工集團有限公司，廣東 深圳 518000）

室內空間作為生活、工作、休閑、娛樂等場景，傳統的二維交互設計已經無法滿足人們真實、逼真的交互環境需求。當代人需要一種便于交互的三維虛擬仿真環境，完全實現聽覺、視覺和感知的交互設計[1]。虛擬現實技術是一種計算機模擬系統，擴展了人機器交互的能力，將人們帶入沉浸式的空間，體驗者可以使用虛擬現實技術全方位感受虛擬建筑模型的空間[2]。隨著5G技術的加速發展，填補了VR技術傳輸慢、速度慢、加載慢的不足，設備的云端化促進了虛擬現實技術在建筑室內交互設計的普及[3]。

1 虛擬現實技術與交互設計的關系

1.1 虛擬現實技術及其作用

虛擬現實技術（VR）是一種集合了現代社會許多高新技術的三維動態視景和實體行為的模擬系統[4]。虛擬現實技術與人體工程學相結合，使體驗者沉浸到一個具有聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺的虛擬世界。虛擬現實技術具有交互性、沉浸性和想象性三大特征，與人的感知性共融，突出人的主導作用。

1.2 建筑室內交互設計

交互設計可應用于各類型建筑的室內設計，是一種認知與即時反饋的關系[5]。建筑室內交互設計能夠將體驗者通過對室內環境的認知處理進行量化，在交互過程中，體驗者需求的即時反饋對空間提出了要求，需要優化室內空間設計以順應體驗者心理需求，形成循環往復的良性互動關系。建筑室內交互設計與傳統的交互式建筑有本質區別。交互式建筑指智能建筑、智能家居及多媒體互動裝置[6]，交互性僅體現在可調節的實體建筑空間，適用于可動空間的操作，屬于被動接受。建筑室內交互設計是在體驗者對建筑室內空間的感知反饋與建筑空間之間形成循環迭代的交互關系。傳統交互式建筑與建筑室內交互設計的區別如表1所示。

表1 傳統交互式建筑與建筑室內交互設計的區別

1.3 虛擬現實技術與建筑室內交互設計的一致性

交互設計流程如圖1所示。

建筑室內交互設計將認知心理學和相互滲透論作為研究的基礎，體驗者對環境信息進行反應，并轉化為影響設計的思維表達。在虛擬現實技術中，體驗者的參與環節必不可少，通過自身的交互、沉浸和想象三大特征與人的感知性融合，讓體驗者產生身臨其境的投入感[7]。將虛擬現實技術與建筑室內交互設計結合后，完全可以激發體驗者在室內設計交互體驗后的主動參與性和思維創新性，并影響最終設計方案。兩者結合對體驗者和設計師都具有實用性，通過計算機、環繞屏幕、數據手套、鼠標以及交互性的虛擬現實軟件等創造虛擬空間，體驗者可以根據需求進行運動、移動，擺脫了電腦操作的顯示器桌面限定。

在項目的設計階段，虛擬現實技術讓體驗者參與設計過程，實時對設計方案提出修改意見，設計師按照要求進行修改，經過雙方反復商討、修改，得到更優的設計方案。體驗者可以通過交互體驗從各個不同的角度游覽建筑物內部空間。虛擬現實技術在視覺感知模型建構方面表現出色，建筑室內空間基本可以接近真實效果[8]。

2 虛擬現實技術在建筑室內交互設計中的應用

虛擬現實技術的出現，構建了良好的人機交互體驗的虛擬環境，包括視角切換、場景漫游、輸入響應等各種操作，能夠給體驗者帶來豐富、全方位的體驗。虛擬現實技術在建筑室內交互設計中的應用，除了要展示室內空間的布局、大小和風格，還需要漫游展示主體制作。虛擬現實技術應用的全流程主要包括建模、材質貼圖與模型優化、虛擬場景設計、設置碰撞與交互。

2.1 建模

在建筑室內交互設計前，要明確建筑屬于哪種類型的風格，根據建筑風格用三維建模軟件制作三維數據模型，三維數據模型是實現虛擬場景的基礎，通常使用3Dsmax軟件制作模型。3Dsmax是真實展現三維空間的有效手段，模型的質量對虛擬交互設計效果有重要影響。因此，3Dsmax建模過程中要做到三維模型精準，對每個物體的點、線、面進行檢查，使點、線、面相互對齊，避免尺寸錯誤，模型中不能出現漏光、模型反面、面畸形等問題，制作高質量的三維模型。三維模型作為虛擬仿真構建場景的基礎，將真實場景中的實物呈現在虛擬現實技術的視覺中。因此，模型一定要按照實物的真實比例去構建，否則會造成一種失真的效果。

將CAD施工圖的“.dwg”文件導入3Dsmax軟件中，從CAD平面圖獲取空間數據，進行三維幾何建模。首先，墻體模型。用直線工具勾勒出墻體部分，預留門框、門、窗框、門洞、窗戶的位置。通過“擠出”命令設置數據，完成主體墻體的立體效果。主體墻體制作完成后，對踢腳線、地板、天花吊頂等墻體裝飾部分進行制作。其次，構建空間整體模型。在墻體框架基本制作完成后，對門窗造型、大燈關系樣式等相關結構進行制作。最后，軟裝搭配設計。室內設計風格要根據居住人群的制作，包括采光、通風、色條、家具位置擺放、背景墻裝飾和小裝飾等。

2.2 材質貼圖與模型優化

貼圖可以描述對象表面的物質狀態，對空間物體進行材質賦予，使模型的視覺效果更真實。在貼圖前，需要對模型平面合理布局，渲染出一張平面參考圖，通過二維軟件繪制貼圖。使用3Dsmax材質編輯器，設置模型的圖片和貼圖參數，利用“UVW貼圖”調整貼圖坐標。制作三維模型時，面數和點數重復較多，為了后期虛擬場景運行節省時間，在導出模型之前需要進行模型優化，提高場景顯示效果。三維模型優化通常使用減少模型的面、運用“紋理貼圖”代替大尺寸模型和減少三維場景中的節點數等方法，降低場景制作的復雜度。

2.3 虛擬場景設計

Unity3D是三維動畫、三維視頻制作的專業游戲引擎，由UnityTechnologies公司開發，交互設計由Unity3D軟件實現。

虛擬場景制作流程如圖2所示。

圖2 虛擬場景制作流程

完成材質貼圖后，導出FBX通用文件格式，導入Unity3D虛擬引擎，文件保存路徑為“Assets”，通過“Assets”文件夾管理C#腳本、圖片素材、模型、動畫。利用Unity3D對3Dsmax初步的材質貼圖再次進行調整，逐個賦予材質高光、反光、折射、反射、凹凸紋理等參數，完成空間中的材質設置，以高效體現仿真感，達到最接近現實物體的外觀效果。如果想再現客觀事物真實視覺，還需要對場景進行燈光的設置。虛擬引擎中的燈光系統可以調整燈光方向、強度和顏色，還可以設置靜態光源與動態光源，渲染出令人印象深刻的視覺效果，使場景環境里的物體更鮮活、富有生命感。

2.4 設置碰撞與交互

在模擬真實建筑環境中，需要在Unity3D引擎中設置碰撞物體，避免發生掉落樓層和穿墻而過的感知發生。為了讓碰撞范圍更精準，可以在3DsMax建模時創建自定義的碰撞幾何體。在模型導出到引擎后，配合Unity3D虛擬引擎的碰撞幾何體，進行碰撞物處理，實現體驗者在虛擬場景中按照規定的區域和路徑中移動。設置交互需要通過藍圖-可視化腳本系統實現。和其他腳本語言一樣，藍圖系統通過定義在引擎中的面向對象應用。該系統強大并且靈活，為設計師提供了程序員使用的所有工具。在Unity3D引擎中，創建適用虛擬現實技術的模式藍圖，圖像輸入選取攝像機鏈接到VIVE頭顯，添加HTC手柄控制組件，運用手柄實現虛擬空間中的交互操作，利用控制視點的移動、跳轉到任意角落觀看場景，實現建筑室內交互設計的功能。

3 結語

在建筑室內交互設計過程中，通過建模、材質貼圖與模型優化、虛擬場景設計、設置碰撞與交互等一系列操作，完成交互設計與可視化表達，讓體驗者最終從多維度觀看虛擬場景，與設計師交流溝通，促進了設計師和室內空間的“意識”對話，實現對室內設計效果的整體化把控，最終完成體驗者自己想要的方案設計效果。隨著虛擬現實技術的深化應用，建筑室內交互設計應對情境創設、內容演示和交互支持方面進行深入研究，打造更人性化、沉浸式的建筑室內場景。