虛擬仿真斗拱抗震性能體驗(yàn)館設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許曉琦 魏佳豐 吳嘯宇 劉嘉森 張 帆 李 攀＊

（防災(zāi)科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河北 三河 065201）

Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))是融合了構(gòu)想三維世界和真實(shí)世界的虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用計(jì)算機(jī)模擬生成三維場(chǎng)景，融合具有交互性、沉浸性、構(gòu)想性的三維動(dòng)態(tài)世界和真實(shí)世界的虛擬仿真技術(shù)，讓體驗(yàn)者沉浸在虛擬環(huán)境中。Virtual Reality 包括對(duì)人物觸覺、環(huán)境交互、三維場(chǎng)景、傳感設(shè)備等方面多種技術(shù)的綜合。將Virtual Reality 技術(shù)和中國(guó)傳統(tǒng)建筑斗拱結(jié)合，以一種新的面貌形式展示斗拱建筑文化精髓，同時(shí)能夠發(fā)揚(yáng)斗拱建筑的特殊柔韌性結(jié)構(gòu)在抗震方面有著極其重要的作用。

1 虛擬仿真斗拱抗震性能體驗(yàn)館“之項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目整體概要設(shè)計(jì)

斗拱具有悠久的歷史文化，良好的抗震性能，地震來臨時(shí)，斗拱結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行相應(yīng)的形變來抵消地震波。在“斗拱抗震性能體驗(yàn)館”項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員以斗拱抗震性能為核心，并從視覺，觸覺等方面入手，打造了展示系統(tǒng)、組裝系統(tǒng)、展覽系統(tǒng)、三維場(chǎng)景系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)、光照系統(tǒng)等系統(tǒng)。通過虛擬場(chǎng)景中與斗拱的交互以及設(shè)備的多元化反饋，讓體驗(yàn)者直觀感受中國(guó)古代斗拱的抗震效果和機(jī)理。此項(xiàng)目以斗拱抗震性能展示與模擬為核心，并從斗拱模型制作、斗拱展示、組裝斗拱、觀影系統(tǒng)、文獻(xiàn)展覽等方面進(jìn)行擴(kuò)展，不僅能夠增加體驗(yàn)者對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)建筑斗拱的認(rèn)識(shí)，更能夠讓體驗(yàn)者能夠切身感受到斗拱在古代抗震方面的重要性。

1.2 斗拱三維模型復(fù)原設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目結(jié)合多個(gè)研究考察資料，最終參照潘德華所著《斗拱》取材進(jìn)行工業(yè)化制作。其中“單拱”參照“每跳令拱上只用素方；令拱、素方為兩材，令拱上枓為一栔”，按照比例進(jìn)行制作，其中用令拱、交互枓、素方和正心拱各一個(gè)，散枓兩個(gè)。其中交互枓制作尺寸最為復(fù)雜，其底部尺寸為14×10，外高尺寸為10，上方兩邊尺寸為3×18，其下方為一個(gè)梯形。

1.3 斗拱抗震性能體驗(yàn)館之場(chǎng)景設(shè)計(jì)

場(chǎng)景整體設(shè)計(jì)為復(fù)古寫實(shí)風(fēng)格，二層宮殿，四面環(huán)山，周圍環(huán)水，庭院中種有花草樹木，陽光斜透過窗戶灑落在室內(nèi)，給人一種寧?kù)o，柔和的氛圍。項(xiàng)目開始后，以過場(chǎng)動(dòng)畫形式從高空俯視整個(gè)場(chǎng)景，將場(chǎng)景中美景盡收眼底。而后進(jìn)入宮殿門口，寓意開始，選擇體驗(yàn)項(xiàng)目后向前行走，觀看途中美景，斗拱展示臺(tái)在一樓室內(nèi)整齊排列成兩排，室內(nèi)陽光微照，一束明亮的燈光照耀在斗拱上，體驗(yàn)者可以靜下心來仔細(xì)觀賞。經(jīng)過多次測(cè)試后，將斗拱抗震所用的亭子在宮殿后院，體驗(yàn)者觀賞完斗拱后可以進(jìn)行抗震性能實(shí)驗(yàn)。

1.4 斗拱抗震性能體驗(yàn)館之模塊設(shè)計(jì)

1.4.1 抗震性能演示設(shè)計(jì)。斗拱抗震性能體驗(yàn)館的核心內(nèi)容是斗拱的抗震性能演示，為了使得在UE4 中模擬出真實(shí)的抗震體驗(yàn)效果。選擇用斗拱構(gòu)件組裝的亭子和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)混凝土組成的墻體來進(jìn)行抗震性能演示，可以根據(jù)相應(yīng)等級(jí)，將斗拱形變數(shù)值調(diào)節(jié)在0-1 之間、地震等級(jí)模擬0-8 級(jí)，在UE4 動(dòng)畫藍(lán)圖中進(jìn)行邏輯編寫展現(xiàn)斗拱的特殊柔韌性結(jié)構(gòu)。體驗(yàn)者可以通過右手柄扳機(jī)按鍵進(jìn)行地震等級(jí)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)成功后會(huì)有震感反饋，提高了VR 體驗(yàn)交互性，并且在交互體驗(yàn)的過程中，體驗(yàn)者的右邊會(huì)出現(xiàn)對(duì)地震相應(yīng)等級(jí)的科普介紹，豐富了體驗(yàn)者對(duì)地震等級(jí)的知識(shí)體系。

項(xiàng)目核心設(shè)計(jì)在于通過數(shù)學(xué)公式和物理公式計(jì)算抗震級(jí)數(shù)及影響，并通過編程實(shí)現(xiàn)，在虛幻引擎中展示相應(yīng)的抗震效果，展示表明：隨著地震等級(jí)的增加，混凝土組成的墻體（下文簡(jiǎn)稱“墻體”）開始出現(xiàn)裂縫，斗拱構(gòu)建組裝的亭子（下文簡(jiǎn)稱“亭子”）開始出現(xiàn)輕微形變；當(dāng)?shù)卣鸬燃?jí)超過6 級(jí)后墻體出現(xiàn)倒塌，亭子開始搖晃；當(dāng)?shù)卣鸬燃?jí)達(dá)到程序設(shè)定的最高等級(jí)8 級(jí)時(shí)，墻體猛烈搖晃后轟然倒塌，激起產(chǎn)生的煙霧。斗拱隨地震等級(jí)增加，亭子形變加大，斗拱通過形變抵消一定的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。地震等級(jí)和形變系數(shù)表如圖1 所示。

圖1 地震等級(jí)和形變系數(shù)表

多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：抗震性能關(guān)系：斗拱抗震性能>墻體抗震性能；柔韌性關(guān)系：斗拱柔韌性>墻體柔韌性；震后完整度關(guān)系：斗拱木建筑>混凝土墻體；斗拱在抗震過程中產(chǎn)生形變抵消地震波，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；地震等級(jí)為7、8 時(shí)，斗拱形變系數(shù)為0.65、0.97；墻體形變系數(shù)為：0.11、0.15。

1.4.2 組裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。組裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的場(chǎng)景分布在環(huán)境優(yōu)美的江岸上，組裝臺(tái)上整齊分布著單個(gè)斗拱結(jié)構(gòu)，讓體驗(yàn)者集中注意力更加專注進(jìn)行組裝。體驗(yàn)者在組裝系統(tǒng)中可以近距離觀察斗拱的單個(gè)結(jié)構(gòu)，用手抓取單個(gè)斗拱結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)提供真實(shí)反饋，可以跟隨手臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶來更加沉浸式的體驗(yàn)。單個(gè)斗拱結(jié)構(gòu)是根據(jù)真實(shí)的比例進(jìn)行工業(yè)化建模，通過程序化計(jì)算編程和讀表為單個(gè)斗拱結(jié)構(gòu)綁定相應(yīng)的文獻(xiàn)資料，根據(jù)公式計(jì)算斗拱所受的重力，模擬松手后斗拱會(huì)掉落在組裝臺(tái)上。根據(jù)提示完成斗拱結(jié)構(gòu)的組裝，即添加了項(xiàng)目的互動(dòng)性，又增強(qiáng)了體驗(yàn)者對(duì)斗拱單個(gè)構(gòu)架的認(rèn)識(shí)與理解，斗拱組裝如圖2 所示。

圖2 斗拱組裝

1.4.3 場(chǎng)景引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)體驗(yàn)者，從不熟悉整個(gè)項(xiàng)目操作到開始熟悉體驗(yàn)項(xiàng)目，并能夠完全獨(dú)立進(jìn)行體驗(yàn)操作，最終理解斗拱在抗震中發(fā)揮了極其重要的作用獲得感悟。一個(gè)良好的場(chǎng)景引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠讓體驗(yàn)者更快速的上手體驗(yàn)項(xiàng)目，從斗拱抗震性能體驗(yàn)館項(xiàng)目中得到樂趣，學(xué)到知識(shí)。該項(xiàng)目開始首先由過場(chǎng)動(dòng)畫將鏡頭由遠(yuǎn)處緩緩拉至體驗(yàn)關(guān)卡，體驗(yàn)關(guān)卡的操作指南能幫助體驗(yàn)者更快熟悉整個(gè)項(xiàng)目應(yīng)該如何操作，我們?cè)O(shè)計(jì)了按下左手柄扳機(jī)鍵可以在整個(gè)項(xiàng)目流程中隨時(shí)查看操作指南，防止體驗(yàn)者在體驗(yàn)過程中遺忘操作步驟，玩家熟悉引導(dǎo)后可以自行選擇關(guān)閉。無論是進(jìn)入哪一個(gè)體驗(yàn)館，都會(huì)有下一步提示引導(dǎo)體驗(yàn)者，整個(gè)項(xiàng)目全方位覆蓋引導(dǎo)設(shè)計(jì)，降低了項(xiàng)目入門難度，增強(qiáng)了項(xiàng)目的體驗(yàn)。

1.4.4 文獻(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)文獻(xiàn)系統(tǒng)的初衷是為了讓體驗(yàn)者能夠從該項(xiàng)目中學(xué)到更多的斗拱文化和斗拱在抗震中的知識(shí)。現(xiàn)如今越來越多的人不愿意看紙質(zhì)圖書，失去了閱讀文獻(xiàn)的耐心。該項(xiàng)目為不同的斗拱三維模型配備了相關(guān)的文獻(xiàn)介紹，對(duì)于如此龐大的文獻(xiàn)資料，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中通過讀表進(jìn)行整理排列。在斗拱展示館和文獻(xiàn)展覽館都有文獻(xiàn)系統(tǒng)，體驗(yàn)者在與斗拱互動(dòng)的同時(shí)，能夠了解斗拱的重要知識(shí)，在體驗(yàn)過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2 斗拱抗震性能體驗(yàn)館之功能實(shí)現(xiàn)

2.1 斗拱三維模型實(shí)現(xiàn)

斗拱抗震性能體驗(yàn)館項(xiàng)目的模型主要使用3Ds Max 參照真實(shí)斗拱抗震實(shí)驗(yàn)，按照比例進(jìn)行工業(yè)化三維建模，用AdobePhotoshop 軟件完成斗拱原畫設(shè)計(jì)，Substance Painter 軟件制作斗拱紋理貼圖輸出。Substance painter 提供的大量材質(zhì)能夠使技術(shù)人員設(shè)計(jì)出符合要求的斗拱紋理模型，自動(dòng)為斗拱匹配相應(yīng)的紋理。3Ds Max 制作完成后精簡(jiǎn)斗拱UV，刪除多余的點(diǎn)線面，調(diào)整參數(shù)和UE4 的相對(duì)應(yīng)，通過游戲?qū)С銎鲗?dǎo)出為FBX格式，至此斗拱三維模型構(gòu)建完成。

2.2 斗拱場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)

斗拱場(chǎng)景主要由宮殿模型，光照系統(tǒng)和材質(zhì)系統(tǒng)構(gòu)成，斗拱場(chǎng)景的材質(zhì)由UE4 材質(zhì)編輯器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)材質(zhì)的Texture、Metallic、Roughness、Emissive Color 等參數(shù)，調(diào)整宮殿模型的粗糙度和金屬度，使得宮殿呈現(xiàn)木制復(fù)古顏色。斗拱宮殿模型是由3DMax 進(jìn)行制作，將制作好的宮殿模型經(jīng)由3Ds Max轉(zhuǎn)換為FBX 格式導(dǎo)入到UE4 中，結(jié)合UE4 智能化光照系統(tǒng)進(jìn)行斗拱場(chǎng)景的制作，此項(xiàng)目展現(xiàn)的是宋代斗拱，在光照系統(tǒng)中調(diào)節(jié)RGB 值使得整個(gè)場(chǎng)景色調(diào)調(diào)節(jié)為復(fù)古、明亮、暖色色調(diào)。將宮殿場(chǎng)景從3DMax 導(dǎo)入U(xiǎn)E4 時(shí)應(yīng)注意將模型轉(zhuǎn)化為Mesh，坐標(biāo)軸指定Z 軸為正方向，坐標(biāo)全部歸零，將貼圖指定到文件夾用英文路徑保存。

2.3 斗拱模塊實(shí)現(xiàn)

2.3.1 抗震性能演示實(shí)現(xiàn)。斗拱抗震性能演示編程核心內(nèi)容在Pawn 中進(jìn)行編寫，將震動(dòng)反饋事件綁定到手柄上，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論，調(diào)節(jié)RunSteamVRTactileFeedback 函數(shù)的Frequenc=1.0 和Amplitude=0.9 可以使體驗(yàn)交互更加真實(shí)，自定義函數(shù)來調(diào)節(jié)抗震等級(jí)。斗拱特殊柔韌性在動(dòng)畫藍(lán)圖中進(jìn)行編寫，混合空間1D 將亭子Idle、Move、Quick 動(dòng)畫合為一個(gè)Montage，通過改變浮點(diǎn)型變量Amplitude 的值展現(xiàn)斗拱的柔韌性。將動(dòng)畫通過狀態(tài)機(jī)混合進(jìn)行播放, 可以讓動(dòng)畫更加連貫絲滑。考慮到程序的運(yùn)行效率，將調(diào)節(jié)震級(jí)和亭子柔韌性展現(xiàn)通過接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。地震等級(jí)調(diào)節(jié)核心程序通過SelectIndex 函數(shù)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)地震等級(jí)后亭子和墻體變換，使程序精簡(jiǎn)。現(xiàn)實(shí)生活中地震導(dǎo)致建筑倒塌具有隨機(jī)性，為使得本項(xiàng)目更加真實(shí)，在UE4 中編寫墻體物理公式來控制墻體運(yùn)動(dòng)方向和裂縫倒塌的隨機(jī)性。在每次運(yùn)行完成之后都將地震等級(jí)參數(shù)設(shè)置成0，避免程序運(yùn)行過程中出現(xiàn)死循環(huán)。

2.3.2 組裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。斗拱組裝能夠讓體驗(yàn)者更加了解斗拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部機(jī)理和抗震特性。組裝系統(tǒng)涉及到眾多數(shù)據(jù)，將該系統(tǒng)作為獨(dú)立關(guān)卡進(jìn)行制作。在Pawn 中編寫核心邏輯，將每一個(gè)單獨(dú)的斗拱結(jié)構(gòu)貼上標(biāo)簽。抓取邏輯通過LineTraceForObjects函數(shù)進(jìn)行線性檢測(cè)，得到斗拱結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽，與組裝斗拱的標(biāo)簽進(jìn)行Bool 判斷，結(jié)果為true 后才能進(jìn)行組裝。當(dāng)體驗(yàn)者未將斗拱結(jié)構(gòu)放到指定位置時(shí)會(huì)觸發(fā)重力系統(tǒng)，斗拱結(jié)構(gòu)會(huì)按照g=9.8m/s2進(jìn)行自由落體。為了讓體驗(yàn)者更快速、精準(zhǔn)的進(jìn)行組裝，我們?yōu)槎饭暗拿恳粋€(gè)結(jié)構(gòu)都設(shè)定了一種閃光材質(zhì)，閃光材質(zhì)由Time 事件和正弦函數(shù)(Sin)組成，最后通過Lerp 進(jìn)行每秒變換顏色。斗拱結(jié)構(gòu)的介紹用讀表實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)入U(xiǎn)E4 中的DataTable 編程進(jìn)行斗拱結(jié)構(gòu)和介紹一一對(duì)應(yīng)。

2.3.3 場(chǎng)景引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景引導(dǎo)系統(tǒng)貫穿整個(gè)項(xiàng)目，所以將場(chǎng)景引導(dǎo)系統(tǒng)獨(dú)立封裝成為一個(gè)Actor。場(chǎng)景引導(dǎo)模型主要是以3DMax 制作，按壓引導(dǎo)動(dòng)畫是在Maya 中完成，將模型和動(dòng)畫導(dǎo)入到UE4 中，在Actor 根組件下添加Widget 交互控件來完成手柄觸碰操作。操作教學(xué)Widget 中包含3 張教學(xué)UI，每個(gè)UI之間的切換用WidgetSwitch 完成。Actor 和Widget 交互控件之間通過接口進(jìn)行通訊，交互動(dòng)畫用時(shí)間軸進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。作為VR 項(xiàng)目，應(yīng)將玩家體驗(yàn)放在首位，我們通過SetViewTargetwithBlend 實(shí)現(xiàn)切換攝像機(jī)之間平滑移動(dòng)。在大量的模擬測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，開始切換相機(jī)時(shí)將BlendTime 調(diào)節(jié)為2.5，最終回調(diào)相機(jī)時(shí)將BlendTime 調(diào)節(jié)為0.5 能夠提高體驗(yàn)效果。

2.3.4 文獻(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)系統(tǒng)是項(xiàng)目的重要組成部分，文獻(xiàn)邊框和背景圖示在Photoshop 中制作，轉(zhuǎn)化為png 格式導(dǎo)入U(xiǎn)E4。我們?yōu)槊恳粋€(gè)斗拱模型都配備了相關(guān)文獻(xiàn)因?yàn)槲墨I(xiàn)眾多，直接進(jìn)行添加費(fèi)時(shí)費(fèi)力，將Excel 文獻(xiàn)表格導(dǎo)入U(xiǎn)E4，由string和int 類型組成的結(jié)構(gòu)體加載為DataTable。保存數(shù)據(jù)部分編程如圖3 所示，在接口中編寫一套文獻(xiàn)匹配庫(kù)系統(tǒng)，每次只要調(diào)用該接口就會(huì)在文獻(xiàn)匹配庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)配對(duì)。為使字體和項(xiàng)目整體風(fēng)格一致，導(dǎo)入宋體來替換UE4 默認(rèn)字體。

圖3 保存數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

當(dāng)今在虛擬仿真技術(shù)發(fā)展革新的浪潮中，通過虛擬仿真復(fù)原傳統(tǒng)文化，作為一種新的內(nèi)容表現(xiàn)形式，可以更好的吸引更多的玩家，對(duì)文化的傳播起到了很好的效果。虛擬仿真斗拱抗震性能體驗(yàn)館按照真實(shí)的比例進(jìn)行工業(yè)化建模，并且參照真實(shí)的斗拱抗震實(shí)驗(yàn)，依托VR 設(shè)備，直觀感受中國(guó)古代斗拱的抗震效果和機(jī)理，展現(xiàn)斗拱特殊的柔韌性結(jié)構(gòu)體。重點(diǎn)在于斗拱抗震性能的效果展示與模擬。在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中既便于理解中國(guó)古代宋式斗拱的組裝方式以及各組件功能，又著重體現(xiàn)古代木建筑的抗震機(jī)理，讓玩家得到更好“3I”體驗(yàn)的同時(shí)，也弘揚(yáng)了傳統(tǒng)文化。