虛擬現實技術在建筑表現中的研究

摘 ?要：現如今，虛擬現實（VR）技術在建筑表現領域中的優勢越來越明顯。文章將虛擬現實技術與傳統渲染技術進行了對比，強調了前者的交互性和沉浸式體驗。使用了當今較流行的VR制作技術，在3ds Max中創建模型，并在Unity3D引擎中使用了Steam VR插件來編輯代碼，配合HTC VIVE硬件實現虛擬現實效果。體現了虛擬現實技術在建筑表現中的先進性和實用性。

關鍵詞：3ds Max;Unity3D;虛擬現實;Steam VR

中圖分類號：TP391.9 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0109-03

Research on Virtual Reality Technology in Architectural Presentation

——Take Sanshui Campus of Guangzhou College of Technology and Business as an Example

HE Liuqing

（Guangzhou College of Technology and Business，Foshan ?528138，China）

Abstract：Nowadays，the advantages of virtual reality（VR）technology in the field of architectural presentation are becoming more and more obvious. This paper compares virtual reality technology with traditional rendering technology，emphasizing the interactive and immersive experience of the former. Using the more popular VR production technology，the model is created in 3ds Max，the Steam VR plug-in is used in Unity3D engine to edit the code，and the virtual reality effect is realized combined with HTC VIVE hardware. It embodies the progressiveness and practicality of virtual reality technology in architectural presentation.

Keywords：3ds Max;Unity3D;virtual reality;Steam VR

0 ?引 ?言

近幾年數字圖像技術飛速發展，令影視、游戲、虛擬現實的視覺效果都得到了大幅度的提升。虛擬現實基于GPU實時渲染技術，能快速顯現高質量圖像，并能與用戶產生互動，這是傳統CPU渲染無法比擬的。以3ds Max結合Unity3D引擎的流程制作建筑表現是當下虛擬現實技術的一個發展方向，同時也使建筑表現在該技術下增強了視覺效果和互動性。當GPU技術還處于初期萌芽的年代，建筑表現主要靠電腦CPU逐幀渲染動畫然后合成視頻。此方法具有一定的局限性，主要表現在視覺單一、無交互性、需要花費大量時間渲染合成等方面，后期修改則需要重新渲染合成。這明顯增加了制作成本和制作時間，達不到現階段社會快速出項目的要求。3ds Max常規渲染每幀至少需要一分鐘，甚至更長時間，按每秒25幀計算，合成視頻后每秒需要至少25分鐘的渲染時長，其中包含各色彩通道的提取。如果項目有改動，則需要重新渲染，耗費大量的時間和費用。不僅渲染耗費時間，后期合成各通道和調色等也需花費大量時間，設計師大部分時間都花費在渲染和合成上，這顯然是一個線性不可逆流程。這明顯較難滿足當今社會快節奏的要求，并且會大大增加制作成本，降低工作效率。本文從根本上舍棄傳統CPU渲染流程，采用Unity3D結合插件的方式來獲得更高效率的實時渲染效果，大大增加了工作效率與現場體驗感。

1 ?傳統渲染技術與虛擬現實技術對比

隨著Unity3D游戲引擎的發展，它不僅可以制作高質量游戲，也可以制作影視特效，包括建筑表現方向。虛擬現實技術比傳統渲染技術有著更大的優勢，如交互性強、成本低、制作周期短、所見即所得等。Unity3D本身并不能生產模型和貼圖之類的資產，它的實際作用是對項目資產進行整合分配，創建材質、燈光、輸出產品。其中所見即所得的功能令設計師可以隨時修改場景資產，并即刻得到最終效果，而且Unity3D中大量的模型庫能最大限度地減少模型資產的創建，節約了大量的時間成本和制作成本。Unity3D的最大特點是沉浸式體驗，能實現場景漫游并同時互動。這種效果也只能通過實時渲染來實現，常規渲染無法達到要求。對于客戶來說，戴上VR眼鏡能直接體驗身臨其境的感覺，可以從場景的任何一個位置和角度觀察整體效果，猶如進入另一個真實世界。虛擬現實真實、直觀的表現方式令客戶和設計師進行零距離交流，去除了兩者之間在交流和理解上的誤差，即時反饋并馬上作出修改[1]。

Unity3D能有這樣強大的優勢，取決于它使用了GPU顯卡結合游戲引擎的方式，即時渲染令它在游戲和虛擬現實中都立于不敗之地。Unity3D對比傳統渲染軟件有下列幾點優勢：

（1）Unity3D能實現實時渲染，無須等待即可見到最終結果，但Unity3D本身不生產模型和貼圖等資產。

（2）Unity3D兼容的平臺較多，選擇不同的輸出接口就能實現，無須重新編碼。

（3）Unity3D本身擁有強大的材質燈光，能更好地配合實時渲染流程。

（4）Unity3D擁有強大的筆刷散布系統，對于同一對象散布占用較少資源，相比常規渲染軟件能更流暢地進行操作。

2 ?建筑表現使用Unity3D虛擬現實技術的可行性分析

當今市場的建筑表現對制作速度有較高要求，如使用傳統渲染會大大增加渲染時間和費用成本，如轉用Unity3D渲染則能最大限度地降低渲染成本，并且所見即所得會加快后期修改工作的速度，提高效率。

但在項目中使用何種方案會更適合，這不僅僅是選擇軟件的問題，還要視團隊的總體軟件使用情況而定。如團隊中大部分人都使用傳統渲染流程，只有極少數人使用Unity3D，則明顯應選擇傳統渲染，這能確保能完成本次項目的所有環節并盡量少出錯誤。分析團隊自身情況，這對于項目以后的開展是非常重要的。

對于一個能熟練使用傳統渲染流程的團隊而言，今后的項目是否還會繼續使用老舊方案，這是值得深思的問題。學習并使用Unity3D渲染流程是未來的趨勢，快節奏的都市工作對項目有越來越多的要求，所以傳統渲染流程在未來的工作中會減輕比重，Unity3D流程會取而代之，獲得不可估量的地位。Unity3D的學習成本較傳統渲染高一些，但當其應用在工作中時，工作效率會得到極大的提升[2]，而這也是未來工作流程中必不可少的軟件之一。所以使用Unity3D虛擬現實技術來制作建筑表現，具有極高的可行性和實用價值。

3 ?在Unity3D中實現建筑表現

3.1 ?在Unity3D引擎中整合模型資產

Unity3D引擎是全球先進的開放式實時渲染平臺之一。隨著版本的不斷迭代，它除了能制作游戲作品，還能為其他領域提供更多的創作空間。在建筑表現中，前期三維軟件首選3ds Max軟件，因為它與Auto-CAD文件能較好地兼容，能制作出更精確的場景模型。而Auto-CAD是最常用的平面圖紙制作軟件，雖然它也有三維功能，但與3ds Max相比效果有不少差距。因此通常是在Auto-CAD中制作好地表圖紙文件，再導入3ds Max中進行三維模型的創建和修改。然后把項目資產導入Unity3D中進行整合分配，實現虛擬現實的效果。整個流框架程如圖1所示。

建筑表現實現的首要條件是實時渲染，所見即所得。 Unity3D引擎結合軟硬件對虛擬環境進行實時計算，為用戶帶來身臨其境的沉浸式感受，將藝術與技術完美地融合一起。用戶在使用過程中能直觀有效地觀察項目的各方面細節，如對項目有修改要求則能以直觀的方式提出，最大程度地與項目組成員進行溝通，減少溝通過程產生的不必要環節。

模型以學校圖書館為原型，包括外墻內墻結構、書架、書桌、座椅等模型及材質貼圖。在3ds Max中制作完成后導出FBX文件，再把場景模型FBX文件導入Unity3D中，調整相應的模型大小[3]。模型場景全部在Unity3D引擎中正確顯示后，可對其材質做適當調整，如石材紋理和玻璃反射折射等，如圖2所示。

對于三維場景的優化有兩點：

（1）在3ds Max中忽略不明顯的細節，同時對于主要部件模型的面數精簡化。

（2）在3ds Max中不制作面數過多的植物模型，只制作一棵低面數的植物模型并導出FBX文件，在Unity3D中使用“預置”功能對該植物模型進行克隆。這樣可以大大減少多邊形面數的實時計算量，從而加快場景的運算速度，減少卡頓延遲現象。

3.2 ?SteamVR配合HTC VIVE設備進行程序開發

SteamVR Plugin是使用Unity3D進行HTC VIVE VR開發的必要工具，它以插件的形式在Unity3D中運行。HTC VIVE是HTC公司開發的VR硬件套裝，包括了VR頭盔、VR手柄、VR基站定位器等設備，它能與SteamVR完美結合并展現VR的真實效果[4]。

我們在開發VR代碼的過程中主要是針對SteamVR的C#代碼編寫，而SteamVR是Steam客戶端中為VR體驗提供支持的運行時，當Steam檢測到電腦上有VR硬件時就會自動安裝SteamVR，也可以手動安裝。

OpenVR不依賴特定硬件，它基于C++開發而成，是一套基礎且必要的API。而SteamVR是基于OpenVR驅動API的封裝，負責調用OpenVR，從而為VIVE硬件提供信息和反饋。從圖3可以看出OpenVR Driver API是SteamVR的基礎，后者是前者的衍生產品，我們使用SteamVR的過程大量地調用了OpenVR的接口，從而加快編程的速度[5]。

HTC VIVE硬件主要包括VR頭盔、VR手柄、基站定位跟蹤等。用戶將相應的操作指令發送到PC端，比如行走、抓取、轉換視角等[6]，SteamVR通過內部運算將結果以視覺形式反饋給用戶，這是一個實時跟蹤的過程，如圖4所示。

從圖4可以看出，用戶與PC端是通過VR硬件設備來實現實時無縫交互。當我們在模型場景中進行運算時，即可以實現校園建筑VR漫游的效果。

4 ?結 ?論

本文對虛擬現實在建筑表現中的相關技術作了探討，分析了當今SteamVR與HTC VIVE硬件相結合的有效方案，在此基礎上將進行更深層次的研究。使用虛擬現實技術來實現建筑表現效果，無疑增強了視覺效果，同時令用戶有了沉浸感，比起2D畫面視覺效果更強。虛擬現實技術的不斷積累，同時也推動了相關行業的發展，在建筑表現領域值得大力推廣。

參考文獻：

[1] 趙俞凌，陳曉龍，姚遠.VR技術視域下高職虛擬混合學習系統類型與應用研究 [J].職業技術教育，2020，41（32）：62-65.

[2] 岳井峰.采用Unity3D引擎開發建筑類三維虛擬仿真實訓系統研究 [J].中國管理信息化，2019，22（24）：182-183.

[3] 顧鳳梅，李潔.基于Unity3D的AR學習資源系統設計與實現 [J].工業和信息化教育，2020（2）：91-94.

[4] 孫友昭，楊荃，王曉晨，等.軋制原理虛擬仿真實驗系統設計與開發 [J].實驗技術與管理，2020，37（8）：133-136.

[5] 張越，陶俊，徐迅.基于Unity3D的塔防類游戲的設計與實現 [J].現代信息科技，2021，5（1）：84-87.

[6] 葛巖，馮婉婷，劉紅巖.基于Unity3d的虛擬實驗設計與開發 [J].黑龍江科學，2018，9（24）：30-31.

作者簡介：何柳青（1976.12—），男，漢族，廣西北海人，講師，碩士，研究方向：計算機應用。