虛擬現實技術在生態水利工程設計中的應用研究

孟 明，李 然，楊玉涵，婁健康

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

生態水利工程通常需要因地制宜、隨地就勢。河道的上下游、左右岸都會因地形地貌的不同而采用不同的設計方案。這對“一步一景”的設計要求極高，無形中也增加了設計人員的壓力。尤其對于設計周期短，涉及涉水建筑物、岸坡整治、景觀節點布置、交通園路等多功能治理要求的項目，協同工作難度大，重復勞動量多。

隨著信息化建設的不斷進步和發展，計算機智能技術已經深入到日常生活的每一個角落，人們不斷地尋求人性化的技術手段來解決眾多領域的問題，虛擬現實的概念隨之產生，采用的技術經過不斷發展，應用深度和廣度不斷擴大，為解決多領域的實際問題提供了獨特的新技術、新工具，并發揮著越來越重要的作用[1]。考慮到生態水利工程目前所面臨的難點，結合虛擬現實技術特點，將兩者進行結合碰撞，通過新技術解決傳統設計中無法解決的難題。

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實(Virtual Reality，以下簡稱VR)是隨著計算機技術等多門技術相互融合而成并飛速發展而興起的新技術，VR技術集成多維信息空間，所涉及的關鍵技術較多，它是由多個關鍵技術有機融合而成。VR技術具有通過計算機產生一種人為的虛擬環境的特點，可以使人在視覺、聽覺以至于觸覺上產生沉浸感，從而達到身臨其境的效果[2]。

隨著技術的升級，移動智能設備的普及和移動互聯網的進一步發展，VR技術將逐步走向成熟，硬件生產將逐漸實現產業化、規?；?，且其數量和質量不斷提升?？梢曅院捅普嫘允荲R最重要的兩個性質，3個“I”特性是其基本特征，即Immersion(沉浸)、Interaction(交互)和Imagination(想象)。典型的VR系統主要由虛擬世界、計算機軟、硬件系統(包括VR軟件和VR環境數據庫)，和VR輸入、輸出設備等組成。VR系統分為四類：桌面式VR系統(Desktop VR)、沉浸式VR系統(Immersive VR)、增強式VR系統(Augmentde VR)、分布式VR系統(Distributed VR)[3-5]。

圖1 典型VR系統組成圖

隨著虛擬現實技術的發展，未來工程領域VR技術的發展動向主要是城市規劃和大型工程漫游。城市規劃系統用于展示城市規劃、宣傳城市建設、提升城市形象，根據城市的當前狀況和對城市的未來規劃，將城市的過去、現在和將來任意時間的情況展示在規劃設計者、政府決策者、投資開發者和普通市民面前。大型工程漫游系統展示各種擬建設的工程項目，為國際和國內工程設計投標建立多種層次、細節豐富的虛擬模型，真實再現工程竣工后的情況[6-8]。

2 虛擬現實軟件選擇

國外在虛擬現實技術方面起步比較早，在軟件和平臺方面，大量的可視化產品和豐富的資源源源不斷，其中較為顯著的軟件或平臺有：Quest3D、Vega Prime、WTK、Virtools、Unity3D等。

與西方發達國家相比，國內的虛擬現實技術的發展還很落后，但是，近年來，國內也越來越重視虛擬現實方面的發展，加大投資，帶動計算機技術，三維圖形圖像技術的飛速發展，很多大學、研究院以及軟件所等機構，通過增加研究力度，從而使國內在虛擬現實系統的開發與研究也提升到了新的階段，國內幾款專業的三維可視化仿真系統軟件或平臺如下：VRP、Converse3D等軟件，另外還有一種以720云為代表的，利用全景圖片來達到虛擬現實場景效果，此軟件可方便快捷的制作出項目需要的虛擬現實場景[9-10]。

根據各大虛擬現實軟件的功能，結合項目采用的歐特克平臺進行BIM技術研究的情況，對比利用各虛擬現實軟件制作虛擬現實系統所花費的時間和精力，在認真研究BIM軟件與虛擬現實軟件之間數據格式交換、市場應用以及項目前期和后期時間等要求的情況下，選擇在項目前期采用720云軟件進行快速制作虛擬現實場景，以滿足方案匯報等應用，在項目后期選擇目前比較流行，且功能強大的Unity3D軟件，用來將虛擬現實技術在工程設計中應用[11-12]。

3 技術整體解決方案

本文從虛擬現實的概念出發，并與其在國內外研究和發展現狀相結合，對現有工程設計中虛擬現實技術的基本理論和方法進行研究，利用三維建模技術、虛擬現實技術，研究工程項目的虛擬現實系統設計與開發。在對工程虛擬現實系統的研究中，有機的結合了計算機仿真技術和可視化技術，有效的將虛擬現實技術應用到實際工程中，能夠增強系統的交互和維護能力。

在工程的全生命周期過程中將虛擬現實技術與BIM技術相結合，實現基于BIM+VR技術的工程全過程可視化設計，使設計成果所見即所得，讓設計者更直觀的進行方案推敲，更高效的與業主溝通交流；該技術所帶來的更好的沉浸感和交互性能夠使每一位參與者更直觀的融入項目、體驗項目，同時獲得同等的工程信息，讓業主更真實的感受方案效果，更快速的對方案進行決策；利用此技術進行方案比選、碰撞檢查、視線分析等內容，解決了在傳統的設計過程中，因為二維圖紙不直觀、傳遞信息有限以及信息接收者的理解不同等原因，導致的后期方案變更、圖紙修改量大等難題。同時，方案確定后，利用BIM+VR技術可實現自動批量出圖、工程量統計，提高工作效率，節約設計成本。

4 虛擬現實技術在工程設計中的應用

4.1 工程概況

沁河生態綜合治理工程位于河南省沁陽市境內，為黃河一級支流。本次工程開發任務為：結合城市總體規劃和流域規劃綜合要求，在保證河道防洪安全的前提下，通過工程措施形成河道主槽、湖泊、濕地等多種形態的水面，將河流構建成一條生態景觀廊道，保護與修復水生態系統，維持沁河的健康生命，建設水生態文明，提高城市品位，實現美麗、生態、宜居的沁陽夢。

工程位于河南省沁陽市境內，設計范圍為孔村閘至沁河橋之間7.6km的河道。設計內容為：兩岸自然河道整治，主河槽蓄水建筑物一座，4個生態公園。項目總占地面積共計約708.19hm2，其中水域面積約301.85hm2，綠化等面積約406.34hm2。

4.2 虛擬現實場景制作

根據項目進度及實際需求，本虛擬現實場景在場景模型的基礎上，采用720云平臺進行制作，最終達到工程虛擬場景展示，方案比選和屬性查詢等功能，其中，場景模型可以采用Revit、SketchUp等軟件進行建模，制作流程如圖2所示。

圖2 虛擬現實場景制作流程

為使場景更加真實，采用目前比較流行的3DSMax進行貼圖、渲染等工作，也可采用SketchUp軟件進行貼圖、渲染等工作，其中在SketchUp軟件中進行貼圖工作比較簡單，本次主要介紹在3DSMax進行貼圖的工作，然后再利用SketchUp軟件進行全景圖片的制作，最后導入到720云中，制作成虛擬現實場景。

(1)材質貼圖制作

為模型賦予材質或者紋理的過程稱為貼圖，通過貼圖能夠在不增加模型復雜程度的前提下創建出反射、折射以及凹凸顯現等效果，這與基本材質相比可以使模型顯得更加細膩而又真實。貼圖過程就是將制作好的材質賦予模型，模型經過貼圖以后，不僅能夠給模型增添質感，而且能夠使模型的造型等更加完美，從而能夠使整個模型場景顯得與真實更接近。

材質制作就是人工創造出材質文件，比如用Photoshop、DarkTree等軟件制作貼圖或程序貼圖，用數碼相機拍物體表面紋理等。模型材質貼圖是在3DSMax的材質編輯器中完成的，3DSMax提供了多種類型的材質可供選擇，使用相應的材質可使設置的場景更加逼真、漂亮。其中，多種不同的材質可以運用到相同的場景之中，不同的材質有不同的類型和用途。其中材質有標準材質、光線跟蹤材質、卡通材質、無光線投影材質、多維∕子對象材質、混合材質等幾種類型。

所有的貼圖都能夠在3DSMax軟件的“材質/貼圖瀏覽器”中被找到并調用，不同目錄下包含有不同的貼圖。下面是幾種常用材質類型進行介紹：

標準材質：它是3DSMax材質編輯器中默認的材質類型，它提供了相對較直觀的設定模型表面的方法，在自然界中物體表面的性質決定其反射效果，3DSMax中，標準材質類型模擬對象表面反射的性質，如果不使用貼圖，該材質的表面是一個單一、均勻的顏色。

多維∕子對象材質：它是復合材質的一種，這種材質包含多種同級的子材質，對于比較復雜的多面幾何體，其各個次對象(對象的不同部分、對象上有特殊材質的塊面)都可以被賦予多維∕子對象材質中材質ID號相應的子材質。

3DSMax中有多種貼圖類型，每一種貼圖類型擁有不同的特點，在三維制作中經常運用它們以達到最好的材質效果。貼圖能夠模擬紋理、應用圖案、反射折射效果，但這只會增加材質的細節而不會增加對象結果的復雜度(置換貼圖除外)，也可以使用貼圖為燈光生成一個環境或者投影。在材質/貼圖瀏覽器中，使用show(顯示)選項組中的選項可以按照類型過濾貼圖，它把貼圖分為2D Maps二維貼圖、3D Maps三維貼圖、合成器貼圖、顏色修改器貼圖和其他貼圖等類型。

以上幾種貼圖類型都會被應用到材質貼圖當中，其步驟為：首先，打開材質編輯器，在Map卷展欄中選擇貼圖，其中，展欄中的色彩和材質的基本參數有關。然后，單擊“None”按鈕打開貼圖瀏覽器，在瀏覽器中選擇所需類型的貼圖作為材質貼圖。當賦予物體的材質中包含二維貼圖時，則需利用UVW Map修改器調整物體二維貼圖坐標。不同的貼圖投影方式對應于不同的對象，在UVW Map修改器的參數卷欄中可以選擇平面、柱面、球面、收緊包裹、立方體、面等幾種坐標方式。

混凝土材質不同于金屬等其他材料，混凝土表面質地粗糙，色澤暗淡，建筑物混凝土等有分縫，為了使混凝土材質表現真實，采用實地采樣的方法，將采集得到的樣本，通過漫反射貼圖通道添加貼圖。其中，材質設置和混凝土材質參數的設置如圖3所示。建筑物混凝土貼圖設置完成后，打上燈光進行渲染，其他模型材質貼圖設置方法與混凝土材質設置方法類似，不再一一描述。

圖3 建筑物混凝土材質參數設置

(2)全景圖片制作

通過SketchUp打開景觀三維模型，根據項目所表達的內容分別進行總體把控和局部特寫，首先，將需要表現的內容調整到大概的視口當中，并調出V-Ray渲染面板，如圖4所示，將相機參數調整成如圖5所示，打開輸出面板，為了節省時間，先選擇一個較小尺寸的圖片進行試探性輸出(這一步主要是確定一下所調整的視口是否合適)，若所調視口合適，根據像素實際需求，選擇所渲染圖片的大小并調整相應參數，如圖6所示。

圖4 景觀模型視覺窗口

圖5 V-Ray相機參數

圖6 V-Ray輸出參數

設置好輸出參數后，在V-Ray渲染面板頂部“預設”值部分，可根據場景為室內或室外，選擇“典型相機拍照場景”、“室內場景”或者“室外場景”按鈕。為了后期渲染更加方便快捷，可以將設置好的參數，通過V-Ray渲染面板的“保存設置”按鈕將設置好的參數保存成*.vropt格式，等后續或其他項目模型渲染時可以通過“載入設置”進行調用。

調整好視口及參數后，為了后續能找到此渲染視口，這一步可以在SketchUp工具條下方的添加場景處添加此渲染場景，為此場景命名，然后點擊“開始渲染”按鈕開始渲染，如圖7所示，最終渲染完成的全景照片效果如圖8所示。

圖7 V-Ray全景照片輸出

圖8 最終全景照片

(3)制作VR場景

全景圖片制作完成后，接下來是將全景圖導入720云軟件，制作虛擬現實場景。通過注冊并打開720云軟件平臺，設置好文件保存位置后，點擊“創建全景”按鈕，添加“作品名稱”、“作品簡介”，點擊“添加全景”按鈕，將需要表達的場景根據表達順序依次添加，添加完成后點擊“確認創建”按鈕，第一部分場景創建完畢。

第二部分是在創建好的場景中添加交互式熱點，鼠標右擊場景，選擇“編輯”進入交互式熱點設置和添加背景音樂、特效等操作界面。點擊左側工具條中“視角”按鈕，首先，將視角調整至比較舒服的位置，然后，調整“視角范圍(FOV)設置”和“垂直視角限制”，使視角的顯示范圍得到一定控制，最后，點擊“把當前視角設為初設視角”。

調整好視角后，進入熱點設置部分，點擊“熱點”按鈕，調出“添加熱點”并點擊此按鈕后，會彈出熱點的圖標樣式以及熱點類型。首先，根據需要表達的內容、方向等選擇熱點樣式，也可自定義熱點樣式的圖標；然后，根據熱點樣式選擇熱點類型，其中熱點類型包括：切換、相冊、文本、圖文、鏈接、音頻、視頻、環物等；完成添加熱點后，點擊“音樂”按鈕進入背景音樂設置面板，音樂文件采用mp3格式，可將不同的音樂應用到不同的場景中。“特效”設置面板可以“設置太陽光”、“下雨”、“下雪”，并且可以選擇雨和雪的大小，也可以載入自定義的PNG格式的雨或雪等其他圖片。

一般在大場景中都會通過一個沙盤圖來進行導航，沙盤制作時，首先要添加事先做好的能代表整個場景的平面圖，且平面圖尺寸建議為480mm*480mm，點擊“選擇圖片”，選擇平面圖；最后，點擊“保存”、“返回”，單擊“上傳”按鈕將作品上傳至云端，此時在“上傳”面板會生成作品二維碼以及作品網址，可通過以上兩種方式進行體驗制作好的虛擬現實場景。還可通過手機掃描上面二維碼進入“沁河沁陽市城區段治理工程閘橋結合方案虛擬現實場景”，部分界面如圖9所示。點擊不同熱點調出閘橋結合方案的模型不同信息，包括水閘不同的屬性、圖紙等，如圖10所示。

圖9 虛擬現實場景

圖10 場景切換

5 結語

虛擬現實技術在生態水利工程中的應用克服了傳統工作中設計者利用景觀彩平圖表達設計意圖的呆板、片面，也克服了制作工程視頻時渲染、烘焙等費工、費時和費力的特點，大大提升了展示效果和工作效率。同時，虛擬現實技術應用于工程項目后能夠以更加直觀、完善和便捷的方式展示工程的全貌，帶來了更好的沉浸式體驗，能夠與工程BIM模型有機結合，制作成工程虛擬現實系統，極大提升了工程BIM模型的利用價值。虛擬現實可將二維碼技術應用于移動端查閱圖紙、進入虛擬現實場景以及將二維碼與真實物體結合來獲取物體位置、屬性以及模型等相關信息，可為工程后期運營管理和將來智慧公園的建立打下良好基礎。

隨著市場競爭壓力的增大以及業主對產品要求的提高，虛擬現實技術水平也必須跟著提高，目前所做的虛擬現實場景的沉浸感、交互性和想象性還能進一步提高，接下來還需要尋找更優的虛擬現實軟件來制作出更高質量的虛擬現實系統，以滿足市場和業主的更高要求。