基于BIM的建筑VR交互技術研究與應用

(上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

1 引言

虛擬現實(VirtualReality，簡稱VR)是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境。用戶借助必要的裝備與數字環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實場景的感受和體驗[1]。虛擬現實技術目前在軍事、醫學、藝術、游戲、影視、娛樂等眾多領域得到了廣泛的應用。在建筑行業中，我國對于虛擬現實技術的研究應用和國外一些發達國家還存在相當大的一段距離。國內建筑行業中，虛擬現實應用點主要以樣板房展示為主。應用點涵蓋的技術范圍小。虛擬現實內容效果不夠逼真，虛擬現實交互能力弱，展示硬件選擇單一等一系列現狀有待改進。

BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的簡稱，該技術是以三維數字化技術為基礎，利用計算機對項目建立直觀可視的數字化模型。BIM信息模型的優勢就是在于其突破了傳統2D以及3D模型難以修改和同步的瓶頸，以實時、動態的多維模型大大方便了工程人員[2]。BIM技術作為建筑行業正在迅速推廣的技術，行業中沒有真正以建筑信息模型為基礎進行虛擬現實技術的應用。

通過基于VR的數模分離技術將建筑信息模型分成幾何信息與參數信息，接著將幾何模型導入虛擬現實引擎，利用物理動態渲染技術處理材質、環境、燈光。然后基于Unity進行VR的交互功能開發，最后打包封裝完成基于BIM的建筑VR交互系統。并通過分時顯示技術將系統以3D方式顯示出來。

綜上所述，本文將針對數模分離技術、物理動態渲染技術、Unity二次開發技術、分時顯示技術進行基于BIM的建筑VR交互技術研究。

2 VR交互技術關鍵點

2.1 基于VR的數模分離技術

圖1 Revit的數模分離插件

Revit作為一款BIM建模軟件，它的模型信息包括幾何信息與參數信息。本研究在Revit的基礎上采用.NET語言編程技術和數據庫技術自主研發了一個Revit插件。如圖1，插件可以根據模型固有的規則讀取模型中所有構件的參數信息，并將數據集合匯總成自定義格式的表格，通過插件為表格添加相互映射關系，完成數模分離，即形成關系型數據庫并上傳到云端。

針對虛擬現實引擎Unity開放數據庫接口，根據項目需求下載相關的凈高、房間個數、門窗個數、開關個數等構建數據。在虛擬現實引擎Unity后臺進行數據的調用實現基于BIM的建筑信息VR展示。在Revit建模時所有的構件都會產生一個屬于自己的ID名稱。在數模合并時通過這個獨有的ID名稱使構件與信息重新鏈接，確保數模的零誤差合并。

2.2 基于物理的動態渲染技術

物體在現實世界中表面都覆蓋有一層表現自身的材質、紋理和顏色，真實反映物體的這些屬性在虛擬場景中有著表現真實感和現實感的作用，合理使用可呈現出復雜的細節[3]提高用戶的真實體驗。

基于物理的渲染(PBR)是一種著色與渲染的方法[4]。現在的PBR 算法是以支持Cook-TorranceMicrosoft的BRDF 理論為基礎的，并在直接照明與間接照明的Shading Model 里使用[5]。它以光學物理定律(主要有：菲尼爾反射定律、微表面理論、光能守恒定律等)來控制渲染效果，以一種在物理層面更精確的方法來表現光、模型材質和模型所處環境的相互作用。在傳統渲染中需要通過工作人員自身經驗來猜測最終的效果，這可能帶來與現實情況的偏差。因此基于物理的渲染技術可以保證更為真實的渲染效果。

本文以SBS軟件為基礎，通過邏輯鏈接算法，以程序化的手段動態生成貼圖，即由代碼生成貼圖紋理效果，通過代碼參數控制貼圖中的紋理大小、密度、長短、對比度等貼圖參數信息，例如木制材料以動態貼圖的方式，如圖2就可以用程序參數控制其鐵銹部分的范圍腐蝕程度、范圍大小等。在傳統美術工作中，只能通過手工繪制來表現紋理效果，而不能隨項目需要快速修改。動態貼圖技術大大提升了貼圖的適用范圍和項目效率。

圖2 木制材料動態貼圖調整界面

本研究針對BIM模型完成一套基于物理動態渲染的流程如圖3，將BIM模型通過導出、優化、合并、貼圖制作等步驟，可以得到供渲染使用的模型。在這一系列步驟中，團隊成員使用統一的渲染流程，通過既定流程的參數控制，即可快速、高效、協同地完成從BIM模型到渲染模型的轉化。

圖3 基于BIM的物理動態渲染流程

2.3 沉浸式仿真交互技術

多功能的交互技術就是讓用戶能從虛擬環境中獲取和真實環境一樣或者相似的聽覺、感覺、觸覺和力覺等感官認知的關鍵技術，包括傳感器技術、識別定位技術、語音綜合識別裝置、視覺跟蹤技術、感知建模、文字識別以及數據手套、數據衣等設備的研究[6]。

Unity3D是由UnityTechnologies公司開發的專業跨平臺游戲開發及虛擬現實引擎。作為一款專業的虛擬現實引擎，Unity精簡、直觀的工作流程，功能強大的工具集，使得虛擬現實程序模塊的開發周期大幅度縮短。通過3D模型、貼圖、圖像、視頻、聲音等相關資源整合，借助Unity相關場景構件模塊，用戶可以輕松實現對復雜虛擬現實環境的創建，并運行在Windows、Mac OS X、Linux等平臺。

本節基于Unity開發的沉浸式仿真交互模塊可以讓用戶通過外部硬件設備實時進行控制虛擬環境中的虛擬人物模型，控制虛擬人物與環境中的構件進行交互，從而對用戶的需求進行模擬仿真。

以材質替換模塊為例，流程如圖4所示，設計師將預制的材質交接給VR工程師，VR工程師將隔墻木飾面類型、樓梯扶手木飾面類型、休息座椅、前廳地毯等多種材質錄入進數據庫。通過虛擬現實引擎Unity所提供的API(Unity Application Programming Interface)接口與數據庫進行鏈接，設計師可以點擊平臺內的UI控制按鈕，平臺會讀取數據庫中的材質資源，針對設計師選中的構件進行材質的替換，如圖5所示。

圖4 沉浸式仿真交互技術實現流程

圖5 基于BIM的建筑VR交互系統多材質替換模塊

2.4 分時顯示技術

在虛擬現實行業中頭戴式顯示設備已成為主流的顯示設備，但是在產品的實際使用體驗中發現，頭戴式顯示器設備的使用門檻較高，在使用前需要專人陪同、反復指導才能順利地完成VR體驗，體驗者需要同時克服對場景的不熟悉、使用方法不明白、VR觀看不習慣、設備過重不舒適等多個問題，同時一臺設備只能一個人進行體驗，無法向場景外的同伴明確表示自己在場景內的所見所聞，因此展示效率大打折扣。

分時顯示技術是一種基于主動式3D技術的輕量VR技術。主動快門式3D技術通過把圖像按幀一分為二，形成對應左眼右眼的兩組連續交錯畫面。紅外信號發射器將同步控制快門式3D眼鏡的左右鏡片開關，使左右雙眼在正確的時刻看到相應畫面。如圖6。

圖6 主動式眼鏡遮蔽右眼、左眼

本研究基于虛擬現實引擎Unity3D開發了分時顯示技術BIM VISION控制插件，技術路線如圖7所示。點擊開啟BIM VISION，插件將通過計算把場景空間中的模型頂點坐標位置、面片信息以及相機位置傳入顯卡顯存中，同時調用顯卡進行線性矩陣計算，以原場景中的相機作為基點，向左右延伸約3cm進行渲染，模擬人的雙眼所看到的視圖。完成轉換后在虛擬現實引擎中將場景封裝成一個.EXE可執行文件，執行.EXE文件在完成配置的硬件設備上進行投放，用戶僅需佩戴一副重約300g的眼鏡即可觀看3D場景。BIM VISION插件界面如圖8所示。

圖7 分時顯示技術技術流程

圖8 基于BIM的分時顯示技術BIM VISION控制插件

分時顯示技術解決了頭顯設備的效率低下問題以及間接引申出的單人成本高昂等行業痛點。在保證和VR相似的3D效果和高真實感畫面的同時，類似于3D電影式的展示方式保證了用戶之間可以清晰明確地了解到當前討論的焦點內容； 只需佩戴一副輕便眼鏡即可進行體驗，幾乎沒有不熟悉感、沉重感。

3 工程應用驗證

在上海軌道交通運營指揮中心項目，使用基于BIM的建筑VR交互技術在九層指揮中心、一層大堂與地下一層機房進行了可視化展示、設計方案必選、沉浸式凈高體驗等應用。在項目現場設計師運用基于BIM的建筑VR交互系統對該工程的主要路線進行仿真模擬，通過基于物理的動態真實渲染技術模擬了三個空間的真實環境氣氛，使業主對于裝修的整體氛圍有了直觀的認識。

在討論會現場，利用沉浸式仿真交互技術設計方直接利用系統隨意切換視角的特點，直接對設計方案中的細節進行漫游，并將對各場景整合進一個系統中，規避了單張效果圖視角局部的短板。并使用交互系統針對項目一樓大堂的扶手木飾面、休息座椅、前廳地毯等構件進行材質方案替換，同時利用數模聯動對材質信息進行展示如圖9。把方案討論會的次數大大縮減，避免了施工樣板房中大范圍的設計整改，提高了整個工程進度。

圖9 基于BIM的建筑VR交互系統多材質替換

在上海軌道交通運營指揮中心項目VR交互平臺計算機機房的環境中，不僅模擬了計算機房的竣工后的真實環境效果，而且通過VR頭戴式硬件設備對機房的凈高有著直觀的體驗。再加上針對天花背后機電管線橋架的實時調整，使機電管線對于凈高的影響降到了最低如圖10。

圖10 基于BIM的建筑VR交互系統機房空間管線凈高模擬

在上海軌道交通運營指揮中心項目的指揮大廳環境中，采用了分時顯示技術將指揮大廳竣工后的場景通過主動式3D技術進行展示。如圖11，相比頭戴式眼鏡展示方式，分時顯示技術更自由、更輕便、觀看人數更多，實現VR匯報的展示方式，提升匯報時的模型沉浸感、代入感。

圖11 基于BIM的分時顯示技術項目展示

4 結語

本研究針對建筑行業的特點，研究了基于BIM的虛擬現實交互技術并開發形成針對項目的基于BIM的VR交互系統，系統功能模塊包括自主漫游、材質替換、構件替換等一系列VR應用點。通過應用時間總結得出以下結論：

(1)針對建筑行業的特點，走通BIM模型經過數模分離與虛擬現實引擎對接。并通過讀取外掛數據庫實現基于VR的信息可視化。

(2)應用以光學物理定律來控制渲染效果，使建筑場景更加真實，增加設計師對于材質物理參數的認識。動態貼圖技術大大提升了貼圖的適用范圍和項目效率。

(3)沉浸式仿真交互技術，通過虛擬現實引擎Unity的二次開發，根據甲方的需求，實現VR交互體驗。增加系統的實用性、操作性，能夠降低裝飾深化設計的整改次數，提升其設計效率并且增加場景的互動性、沉浸性、真實性。

(4)基于虛擬現實引擎開發了分時顯示技術BIM VISION控制插件，用戶只需佩戴一副輕便眼鏡即可進行體驗，使VR的展示方式多人化、輕便化、自由化。