基于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的室內(nèi)家居設(shè)計(jì)研究

摘要：長(zhǎng)期以來(lái)，家居消費(fèi)需求存在一定的定性，雖然受到不穩(wěn)定因素影響，但是消費(fèi)者對(duì)定制家具、家居設(shè)計(jì)的消費(fèi)需求從未消失。家居消費(fèi)主體的轉(zhuǎn)變帶來(lái)消費(fèi)觀念的改變，線上與線下融合的消費(fèi)方式成為時(shí)代主流，成為家居產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。新冠肺炎疫情迫使人們長(zhǎng)期居家辦公，進(jìn)一步加速了家居產(chǎn)業(yè)的變革與升級(jí)，短視頻、直播成為新型線上消費(fèi)方式，全途徑的營(yíng)銷(xiāo)方式成為企業(yè)發(fā)展的必然選擇。與此同時(shí)，智能化、信息化、萬(wàn)物互聯(lián)的新型商業(yè)模式，成為家居產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向。渲染技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)時(shí)渲染技術(shù)趨于成熟，根據(jù)現(xiàn)階段家具產(chǎn)品與室內(nèi)裝飾在展示上存在的展示方式單一、展示效果不真實(shí)等問(wèn)題，提出實(shí)時(shí)渲染技術(shù)與室內(nèi)家居設(shè)計(jì)結(jié)合，探尋室內(nèi)家居設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。文章通過(guò)分析現(xiàn)階段家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾的展示方式，指出室內(nèi)家居設(shè)計(jì)在展示方面存在的問(wèn)題，分析實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以虛幻引擎（UE5，Unreal Engine 5）Lumen技術(shù)為例，結(jié)合具體家居設(shè)計(jì)案例分析，得出實(shí)時(shí)渲染技術(shù)能夠彌補(bǔ)家居展示設(shè)計(jì)不足這一結(jié)論。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可以為家居展示設(shè)計(jì)提供更加便捷高效、展示效果更加出色的實(shí)現(xiàn)途徑，提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化展示效果，為室內(nèi)家居設(shè)計(jì)行業(yè)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)渲染；UE5；Lumen；室內(nèi)家居設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、信息化技術(shù)邁上新臺(tái)階，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求提高，家居產(chǎn)品的消費(fèi)模式發(fā)生變化。無(wú)論是生活家具還是辦公家具，皆由傳統(tǒng)的企業(yè)引導(dǎo)發(fā)展到現(xiàn)在以消費(fèi)者引導(dǎo)的“個(gè)性化定制”模式［1-2］。5G被譽(yù)為“數(shù)字經(jīng)濟(jì)新引擎”，既是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、視頻社交等新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，又將為“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”提供關(guān)鍵支撐。有了信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的支撐，游戲行業(yè)的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)能夠滿足家居設(shè)計(jì)展示方面的需求，室內(nèi)家居設(shè)計(jì)行業(yè)與實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的深入結(jié)合，將給設(shè)計(jì)全流程帶來(lái)質(zhì)的提升［3］。

1 現(xiàn)階段室內(nèi)家居設(shè)計(jì)展示方式

近年來(lái)，新的設(shè)計(jì)軟件層出不窮，概念設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方法也逐漸豐富［4］，更多的展示方式應(yīng)運(yùn)而生。家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾較單一的手繪效果圖展示方式發(fā)生變化，在繼續(xù)深化運(yùn)用手繪效果圖的基礎(chǔ)上，增加了電腦軟件制作效果圖，比如渲染技術(shù)。

渲染（Rendering）是指在特定角度下的二維圖像生成的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品制作的最后一步［5］。通俗來(lái)講，渲染就是將制作的模型經(jīng)過(guò)紋理、綁定、動(dòng)畫(huà)、燈光等程序，然后通過(guò)模擬計(jì)算燈光遇到障礙物的運(yùn)動(dòng)變化，比如折射、反射、漫射等，得到模型和動(dòng)畫(huà)的最終顯示效果。渲染已被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)仿真、電影或電視特效、游戲場(chǎng)景等領(lǐng)域。在家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾展示中，渲染技術(shù)也被用來(lái)展示家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾的外觀、材質(zhì)、尺寸等，而產(chǎn)品的個(gè)性化定制源于數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)［6］。

1.1 3Ds Max軟件的展示方式

3Ds Max軟件是當(dāng)前家具產(chǎn)品與室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)繪圖軟件之一［7］，可以通過(guò)內(nèi)置的渲染器和第三方插件來(lái)創(chuàng)建高質(zhì)量的渲染效果圖。盡管3Ds Max是一款功能強(qiáng)大的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件，具有強(qiáng)大的渲染功能，但也存在如下不足。

（1）需要較高的計(jì)算機(jī)配置：渲染高質(zhì)量的效果圖需要較高的計(jì)算機(jī)配置、充足的內(nèi)存和硬盤(pán)空間等，所投入的成本較大。

（2）學(xué)習(xí)曲線陡峭：由于3Ds Max擁有多種渲染器和豐富的渲染功能，學(xué)習(xí)曲線較陡峭，因此需要用戶花費(fèi)較多時(shí)間和精力進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（3）價(jià)格較高：3Ds Max是一款商業(yè)軟件，價(jià)格較高，對(duì)一些個(gè)人用戶來(lái)說(shuō)可能不太實(shí)惠。

（4）渲染時(shí)間較長(zhǎng)：渲染高質(zhì)量的效果圖需要較長(zhǎng)時(shí)間，不適用一些時(shí)間緊迫的項(xiàng)目，可能影響工作進(jìn)度。在家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾展示中，需要不斷修改才能使客戶滿意，每修改一次就需要花很長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行渲染。為優(yōu)化家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾展示效果，渲染視角多樣，這樣渲染出圖的時(shí)間又有所增加。

1.2 三維家、酷家樂(lè)等設(shè)計(jì)平臺(tái)的展示方式

三維家是國(guó)內(nèi)一款比較知名的家居設(shè)計(jì)軟件，它提供了多種設(shè)計(jì)完成的家居方案和家具產(chǎn)品案例，消費(fèi)者可以根據(jù)自己的需求和喜好直接選擇設(shè)計(jì)風(fēng)格和家居產(chǎn)品，快速創(chuàng)建家居設(shè)計(jì)效果圖。酷家樂(lè)是另一款國(guó)內(nèi)知名的家居設(shè)計(jì)軟件，它提供了多種設(shè)計(jì)工具和效果展示功能，包括平面布局設(shè)計(jì)、三維空間布局、光影效果調(diào)整等，用戶可以通過(guò)酷家樂(lè)創(chuàng)建出逼真的室內(nèi)設(shè)計(jì)效果圖。這兩款軟件都有易于操作、功能強(qiáng)大、效果逼真的特點(diǎn)，受到眾多家居、室內(nèi)、家具等行業(yè)從業(yè)者的青睞，成為這些行業(yè)重要的設(shè)計(jì)工具。三維家和酷家樂(lè)的家具產(chǎn)品和室內(nèi)裝飾展示方式主要是局部效果圖、實(shí)時(shí)漫游圖和全景效果圖。

1.3 現(xiàn)階段家居設(shè)計(jì)展示方式的不足

目前，主流家居設(shè)計(jì)軟件包括3Ds Max、杭州群核信息技術(shù)有限公司的酷家樂(lè)、廣州市圓方計(jì)算機(jī)軟件工程有限公司的圓方以及廣東三維家信息科技有限公司的三維家等，這些軟件的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)方式和渲染方式不同。這些設(shè)計(jì)軟件都能滿足國(guó)內(nèi)高速發(fā)展的家裝市場(chǎng)的需求，輕量化、上手難度低、速度快等特點(diǎn)使它們?cè)诩揖咴O(shè)計(jì)和室內(nèi)裝飾展示方面占有一席之地。但無(wú)論是三維家還是酷家樂(lè)，在家居設(shè)計(jì)展示上都未能做到完全實(shí)時(shí)展示，實(shí)時(shí)渲染的核心技術(shù)理念是“所見(jiàn)即所得”［8］，需要通過(guò)渲染出圖的方式來(lái)體現(xiàn)家居場(chǎng)景效果，渲染所需的時(shí)間具有變動(dòng)性，渲染效果也不盡如人意。

2 室內(nèi)家居設(shè)計(jì)展示方式的發(fā)展趨勢(shì)

室內(nèi)家居設(shè)計(jì)展示目前存在的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在展示方式單一、用戶體驗(yàn)較差等方面。但隨著新技術(shù)的發(fā)展和軟硬件的不斷升級(jí)，實(shí)時(shí)渲染技術(shù)不僅局限于游戲運(yùn)用，家居設(shè)計(jì)展示也可利用實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，以彌補(bǔ)展示、互動(dòng)等方面的不足。應(yīng)用實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，能夠縮短虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的距離，幫助客戶更好地認(rèn)識(shí)家居場(chǎng)景，改造家居場(chǎng)景，將萬(wàn)物互聯(lián)的海量信息通過(guò)家居三維可視化展示設(shè)計(jì)進(jìn)行展示與管理，同時(shí)匯集各種信息，盡可能最大限度還原客戶所想，解決客戶所慮。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)在建筑、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用已取得較大的成功，帶動(dòng)了多學(xué)科的進(jìn)步，相信實(shí)時(shí)渲染技術(shù)能在家具設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)領(lǐng)域繼續(xù)大放異彩。

2.1 實(shí)時(shí)渲染技術(shù)概述

早期的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)主要在3D游戲中使用，當(dāng)玩家以第一人稱(chēng)的身份進(jìn)入游戲場(chǎng)景時(shí)，他就開(kāi)始在3D場(chǎng)景中漫游，游戲中的動(dòng)態(tài)景象就是用實(shí)時(shí)渲染技術(shù)創(chuàng)建的“視頻圖像”，這個(gè)“視頻圖像”是由實(shí)時(shí)渲染引擎，一幀一幀渲染出來(lái)的，或者說(shuō)是一幀一幀畫(huà)出來(lái)的，前一幀圖像的構(gòu)成會(huì)影響到后一幀圖像，所謂“渲染”實(shí)質(zhì)上就是快速、實(shí)時(shí)地繪制一幅2D圖像。結(jié)合實(shí)時(shí)渲染的工作過(guò)程，其需要“實(shí)時(shí)地”把場(chǎng)景中3D模型的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為2D的圖像數(shù)據(jù)。3D模型的數(shù)據(jù)是由構(gòu)成模型的無(wú)數(shù)個(gè)三角形頂點(diǎn)所確定的，必須根據(jù)3D空間坐標(biāo)，把這些頂點(diǎn)投影到2D平面上，才能構(gòu)成一幅2D圖像。將3D模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2D圖像數(shù)據(jù)必須足夠快，只有這樣才能看起來(lái)像連貫的視頻。

2.2 實(shí)時(shí)渲染引擎介紹

Unreal Engine 5（UE5）是一款由Epic Games開(kāi)發(fā)的游戲引擎。隨著圖形處理器的升級(jí)迭代，顯卡已經(jīng)集成實(shí)時(shí)光線追蹤功能，使實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)［9］。目前，UE5推出的Lumen全局光照和反射系統(tǒng)已攻克技術(shù)壁壘，推向市場(chǎng)使用。UE5因新技術(shù)升級(jí)，成為一款功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)渲染引擎，使開(kāi)發(fā)人員能夠更輕松地創(chuàng)建高質(zhì)量的作品和交互應(yīng)用程序，與室內(nèi)家居設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)渲染需求更加貼合。

2.3 UE5 Lumen技術(shù)的主要功能

Lumen是UE5的一個(gè)全局光照和反射系統(tǒng)，旨在提供更真實(shí)和高效的場(chǎng)景渲染，為游戲開(kāi)發(fā)者帶來(lái)更具創(chuàng)意性的燈光設(shè)計(jì)。Lumen的主要功能如下。

（1）實(shí)時(shí)全局光照：Lumen能夠在實(shí)時(shí)交互中產(chǎn)生全局光照，即使在復(fù)雜的場(chǎng)景中也可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的渲染。這種全局光照不需要預(yù)烘焙或預(yù)計(jì)算，可以隨時(shí)編輯和修改。

（2）實(shí)時(shí)全局反射：Lumen支持實(shí)時(shí)全局反射，可以在場(chǎng)景中產(chǎn)生準(zhǔn)確的反射效果，包括鏡面反射和漫反射。反射可以自適應(yīng)場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)對(duì)象和光源。

（3）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)象的光照：Lumen可以處理靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)象的光照，包括從光源和反射中獲得的光照。這樣可以實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的場(chǎng)景渲染。

3 結(jié)合具體家居設(shè)計(jì)案例分析Lumen的優(yōu)勢(shì)

3.1 Lumen和RTX實(shí)時(shí)渲染全局光照陰影細(xì)節(jié)對(duì)比

為具化Lumen功能的強(qiáng)大，將Lumen實(shí)時(shí)全局光照與目前較為成熟的RTX（NVIDIA于2018年推出RTX實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)）實(shí)時(shí)全局光照進(jìn)行對(duì)比。圖1為L(zhǎng)umen實(shí)時(shí)渲染和RTX實(shí)時(shí)渲染全局對(duì)比，圖2為L(zhǎng)umen實(shí)時(shí)渲染和RTX實(shí)時(shí)渲染全局光照細(xì)節(jié)對(duì)比。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟Lumen實(shí)時(shí)渲染后畫(huà)面的FPS值為60～120，而開(kāi)啟RTX實(shí)時(shí)渲染后畫(huà)面的FPS值為10～20。

FPS是指畫(huà)面每秒傳輸幀數(shù)，通俗來(lái)講就是指動(dòng)畫(huà)或視頻的畫(huà)面數(shù)。每秒鐘幀數(shù)越多，所顯示的動(dòng)作就會(huì)越流暢，Lumen的實(shí)時(shí)渲染畫(huà)面更加真實(shí)流暢，全局光照表現(xiàn)及陰影細(xì)節(jié)更加柔和真實(shí)，方便實(shí)時(shí)修改編輯，不會(huì)感覺(jué)到屏幕的閃爍、不連貫，不會(huì)對(duì)畫(huà)面效果和視覺(jué)感知產(chǎn)生不良影響。在陰影細(xì)節(jié)表現(xiàn)中，Lumen技術(shù)為場(chǎng)景中的物體模擬柔和的光照效果，這意味著可以根據(jù)光源的大小遠(yuǎn)近或光源角度，實(shí)現(xiàn)不同的展示效果。物體陰影部分在靠近接觸面時(shí)會(huì)變得比較尖銳，在離接觸面越遠(yuǎn)的位置就會(huì)變得越柔和［10］。

3.2 Lumen實(shí)時(shí)全局反射和屏幕空間反射對(duì)比

Lumen實(shí)時(shí)全局反射更是區(qū)別于較為優(yōu)秀的屏幕空間反射（Screen space reflection，簡(jiǎn)稱(chēng)“SSR”）。SSR是UE4唯一默認(rèn)生效的反射系統(tǒng)，它是實(shí)時(shí)計(jì)算的，但只計(jì)算屏幕空間的反射，采集屏幕空間內(nèi)的數(shù)據(jù)。在實(shí)時(shí)全局反射方面，同光照和陰影一樣，實(shí)時(shí)全局反射在實(shí)時(shí)渲染中是很難計(jì)算的。在Lumen的實(shí)時(shí)全局反射中，能夠模擬準(zhǔn)確的環(huán)境表現(xiàn)，并且可支持多次反射，并借助多次反彈，可以讓場(chǎng)景中的各個(gè)反射表面之間形成實(shí)時(shí)的相互反射效果［11］，這一點(diǎn)在某些擁有明亮反射材質(zhì)的場(chǎng)景中非常重要，比如室內(nèi)場(chǎng)景。圖3與圖4為屏幕空間反射和Lumen實(shí)時(shí)全局反射對(duì)比。

相比之下，SSR表現(xiàn)出來(lái)的反射效果比較單一，無(wú)法動(dòng)態(tài)捕獲整個(gè)場(chǎng)景，僅能進(jìn)行一次反射反彈，并且僅限于屏幕上的可見(jiàn)內(nèi)容。與之不同的是，Lumen實(shí)時(shí)全局反射能夠多次反彈，并且不會(huì)局限于屏幕上的可見(jiàn)內(nèi)容，這意味著人們可以看到室內(nèi)各個(gè)場(chǎng)景的反射效果，以及通過(guò)窗戶反射到表面上的額外燈光。Lumen實(shí)時(shí)全局反射在室內(nèi)場(chǎng)景中的表現(xiàn)效果更加優(yōu)秀突出。

4 結(jié)語(yǔ)

Lumen為Unreal Engine 5帶來(lái)了全新的光照和反射系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)和高效的場(chǎng)景渲染，為開(kāi)發(fā)者提供更具創(chuàng)意的燈光設(shè)計(jì)和制作工具，有效解決了目前室內(nèi)家居設(shè)計(jì)在展示方面存在的問(wèn)題。針對(duì)設(shè)計(jì)展示方式單一、多次無(wú)效溝通的問(wèn)題，Lumen技術(shù)可以輸出各種效果圖及視頻，并且可以讓客戶一邊體驗(yàn)真實(shí)的室內(nèi)場(chǎng)景效果，一邊實(shí)時(shí)修改，實(shí)時(shí)輸出修改后的效果。設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)概念及客戶的真實(shí)需求可以最大限度地體現(xiàn)在室內(nèi)場(chǎng)景中，大大提升了雙方的溝通效率。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師和客戶快速預(yù)覽家居設(shè)計(jì)方案，并且可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行修改和更改。UE5 Lumen技術(shù)為家具設(shè)計(jì)和室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性和可視性，提高了設(shè)計(jì)效率和客戶滿意度。

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作者簡(jiǎn)介：蔣敘（1996—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士在讀，研究方向：家具設(shè)計(jì)與工程。

吳智慧（1963—），男，江蘇揚(yáng)中人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：家具設(shè)計(jì)與工程。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU238；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）19-00-04

基金項(xiàng)目：本論文為2018年度“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“木質(zhì)家居產(chǎn)品柔性制造技術(shù)”成果，項(xiàng)目編號(hào)：2018YFD0600304；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“智能制造背景下家具設(shè)計(jì)與工程專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)思路探索與實(shí)踐”成果，項(xiàng)目編號(hào)：202101148002