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摘要:借助目前對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用，以具體案例作為載體，用AutoCAD，Skechup，UE4引擎作為實(shí)施工具，探索建筑結(jié)構(gòu)在表達(dá)方面更多的可能性，完成一套可以在多平臺的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互的操作程序，以期進(jìn)一步降低建筑設(shè)計(jì)師在建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成本。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，UE4

1UE4的概述及特點(diǎn)

UnrealEngine4是EPIC公司旗下一款強(qiáng)大的游戲引擎，主要供游戲開發(fā)人員使用，但因其強(qiáng)大的建模和渲染功能，也被用作建筑可視化的技術(shù)手段，進(jìn)而成為設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時不可或缺的輔助工具。在建筑可視化方面，UE4較其他建筑設(shè)計(jì)軟件具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:1)實(shí)時渲染和PBR材質(zhì)系統(tǒng):能夠使體驗(yàn)者與設(shè)計(jì)者在真實(shí)的建筑場景中進(jìn)行創(chuàng)作。2)C++模式和藍(lán)圖模式:其獨(dú)具的藍(lán)圖模式能夠讓設(shè)計(jì)者在沒有C語言的基礎(chǔ)下快速的掌握引擎運(yùn)作性能并進(jìn)行高仿真度的模型交互模擬。3)多平臺兼容:傳統(tǒng)建筑漫游軟件用戶需憑借固定的引擎打開文件，而UE4能夠HT-ML5，Android和Windows等多種格式供給用戶使用。

2建筑結(jié)構(gòu)可視化交互的意義

結(jié)構(gòu)作為保持建筑物的外部形態(tài)與形成內(nèi)部空間的骨架，其設(shè)計(jì)表達(dá)卻還處于半自動化狀態(tài)。從概念到方案設(shè)計(jì)師要不斷地將三維模型向二維圖紙轉(zhuǎn)換，供客戶或者其他專業(yè)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行分析與優(yōu)化。整個設(shè)計(jì)過程給設(shè)計(jì)師帶來了不小的難度和不必要的重復(fù)性勞動。近幾年，因城市空間的極具縮減，對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求更高，設(shè)計(jì)也更加的復(fù)雜。僅憑二維的圖紙表現(xiàn)，不足以在建筑的大環(huán)境中對多個結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)劣的對比。為使建筑結(jié)構(gòu)的分析環(huán)境更加逼真，將虛擬引擎系統(tǒng)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)表達(dá)中，從而增加結(jié)構(gòu)表達(dá)直觀性與真實(shí)性。通過Skechup建立三維模型，利用藍(lán)圖程序，使用紋理，相機(jī)，UI等節(jié)點(diǎn)，使建筑結(jié)構(gòu)以三維虛擬模式在場景中顯現(xiàn)出來，并實(shí)現(xiàn)模型的交互設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)一個，能看，能聽，能互動的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互環(huán)境。

3UE4實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可視化交互的方法

對于小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互系統(tǒng)的建立主要分為兩個部分，漫游部分和交互部分，漫游部分主要是通過建筑設(shè)計(jì)師常用的Skechup軟件建立三維模型，并導(dǎo)入到UE4中利用引擎中的材質(zhì)和紋理對模型進(jìn)行處理，使建筑結(jié)構(gòu)能夠以三維虛擬模式在場景中顯現(xiàn)出來;交互部分則是將導(dǎo)入UE4的模型進(jìn)行藍(lán)圖編程處理，利用紋理、相機(jī)、UI等節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模型的交互設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)一個，能看，能聽，能操作的建筑結(jié)構(gòu)可視化交互環(huán)境。其具體實(shí)現(xiàn)的方法和環(huán)節(jié)主要分為三大部分:三維建模環(huán)節(jié)、UE4優(yōu)化模型環(huán)節(jié)和藍(lán)圖編程環(huán)節(jié)。具體流程如圖1所示，筆者以蘇州滄浪亭為例，對UE4實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)交互功能的方法進(jìn)行闡述。

3．1建立三維模型環(huán)節(jié)

在結(jié)構(gòu)可視化系統(tǒng)的建立中，總體分兩個部分———建筑部分和場景部分;小滄浪亭的建筑部分自上而下主要分為坡屋面、椽、斗?和梁柱，其他還有家具與鋪地，在此由使用最頻繁操作最簡單的二維軟件AutoCAD和三維軟件Skechup對其進(jìn)行圖紙的繪制和模型的建立(模型效果如圖2所示)。建筑外部的場景部分則是由UE4本身具有的場地繪制系統(tǒng)進(jìn)行建立，可以有效減少模型的面數(shù)，避免因模型文件內(nèi)存過大而導(dǎo)致運(yùn)行效果不佳。其主要操作事項(xiàng)有以下幾點(diǎn):1)建模簡化:使用Skechup軟件中簡單的幾何體對小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)、建筑圍護(hù)和室內(nèi)家具等物體進(jìn)行建模;2)法線檢查:建模過程中注意開啟單色顯示模式，保證模型的正面朝外;3)分類分組:根據(jù)制作需求在建模軟件中將建筑構(gòu)件進(jìn)行分類與打組，并以英文進(jìn)行組的命名;4)模型導(dǎo)出:以FBX格式導(dǎo)出模型文件。

3．2模型優(yōu)化環(huán)節(jié)

將導(dǎo)出的FBX文件導(dǎo)入UE4后在出現(xiàn)的選項(xiàng)卡中取消自動生成碰撞選項(xiàng)，并對世界大綱界面里的Mesh進(jìn)行分類Group管理。針對模型的材質(zhì)部分，通過登錄專業(yè)的網(wǎng)站搜尋下載需要的材質(zhì)貼圖。將貼圖導(dǎo)入CrazyBump軟件中，對材質(zhì)進(jìn)行法線紋理編輯和一定的高光處理，再將導(dǎo)出的紋理貼圖結(jié)合UE4中藍(lán)圖模式的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)編輯功能，便足以在虛擬引擎中重現(xiàn)實(shí)景中的材質(zhì)屬性的表現(xiàn)效果，包括表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、折射率和發(fā)光度等等。例如小滄浪亭的主體材質(zhì)主要為木材和石材，其材質(zhì)表現(xiàn)的是自身的紋理及色彩，對外部周圍環(huán)境的反射能力較弱甚至是沒有(材質(zhì)節(jié)點(diǎn)如圖3所示)。對于場景內(nèi)部的燈光布置，應(yīng)盡量選擇靜態(tài)的PointLight，避免構(gòu)建場景光照時運(yùn)算量過大而導(dǎo)致操作的卡頓，在場景的局部添加反射捕獲進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)光，用來增強(qiáng)場景的真實(shí)性。

3．3藍(lán)圖編程環(huán)節(jié)

建筑結(jié)構(gòu)可視化交互系統(tǒng)分為兩個互動關(guān)卡進(jìn)行制作，兩者之間通過Character和Pawn的碰撞事件進(jìn)行相互聯(lián)系，并都是依靠UE4的藍(lán)圖模式進(jìn)行后臺控制。第一關(guān)卡是自由場景漫游模式，在軟件中搭建完場景后引入用戶能夠憑借鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行簡單操作的Character，在Charater的編輯藍(lán)圖中添加慢走、快走、跳躍和視角轉(zhuǎn)換等適當(dāng)?shù)牟僮鞴?jié)點(diǎn)，并且將人物的動作幅度調(diào)控成實(shí)際人類的行為尺度，用以增強(qiáng)用戶在虛擬世界中漫游的真實(shí)體驗(yàn)。當(dāng)用戶操作的Character觸發(fā)場景中的Pawn碰撞后，用戶便可進(jìn)入第二關(guān)卡———結(jié)構(gòu)互動。此關(guān)卡主要是對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的再現(xiàn)與表達(dá)。小滄浪亭的建筑結(jié)構(gòu)主要是梁柱體系和起承擔(dān)屋架重量的宋式斗?。通過藍(lán)圖將結(jié)構(gòu)部件與Actor進(jìn)行聯(lián)系，再用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行事件的編輯，讓用戶可以利用鼠標(biāo)的滑動與點(diǎn)擊對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮放、更換與分解等互動操作(重要節(jié)點(diǎn)如圖4所示)。兩個關(guān)卡中都配有一定的UI設(shè)計(jì)，主要是操作說明界面和文字描述界面，用來補(bǔ)充三維模型表達(dá)的不足之處。最后待兩個關(guān)卡設(shè)計(jì)好后，啟動制作的藍(lán)圖程序，對UE4文件進(jìn)行整體場景的運(yùn)行編譯，并對模型的表現(xiàn)和互動效果進(jìn)行校驗(yàn)優(yōu)化，確定無誤后便可將文件導(dǎo)出為自己想要的文件格式。

4結(jié)論與展望

目前全國計(jì)算機(jī)行業(yè)在不斷的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是必然的趨勢，在總結(jié)UE4輔助建筑可視化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了UE4應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)可視化交互應(yīng)用設(shè)計(jì)的一些具體流程和操作方法。本文研究的結(jié)構(gòu)形式較為基礎(chǔ)，對于實(shí)踐性較強(qiáng)的工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，其課題研究內(nèi)容較多，對結(jié)構(gòu)的受力特性與分析要求也較高，所以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還需更加積極的研究與探索。其他領(lǐng)域方面，UE4虛幻引擎還可作為制作授教課件的輔助工具，打破高實(shí)踐性課堂的文字與圖片的單一教學(xué)模式，健全教學(xué)體系，加強(qiáng)理論和實(shí)踐的聯(lián)系，并在一定程度上提升發(fā)展學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的。

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作者:馬紹江 傅睿 單位:常州工學(xué)院