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摘要：采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行幕墻動(dòng)畫(huà)制作效率低下，且不能進(jìn)行交互操作。采用UE4游戲引擎的C++及藍(lán)圖編程技術(shù)進(jìn)行幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)制作，不僅豐富視頻層次、提高制作渲染效率、達(dá)到影視級(jí)實(shí)時(shí)漫游，還能實(shí)現(xiàn)互方式處理，并能以網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布。提出的UE4游戲引擎對(duì)幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵字：幕墻;UE4;虛擬現(xiàn)實(shí);可視化
1、概述
虛擬現(xiàn)實(shí)(Vituai Reality，VR)是一種具有三維立體效果的虛擬仿真環(huán)境，具有沉浸式交互多通道感知等特性。虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)及仿真技術(shù)等，也是力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)的最大特點(diǎn)是可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互，將被動(dòng)式觀看變成更逼真的體驗(yàn)互動(dòng)。
數(shù)字媒體時(shí)代，幕墻可視化制作手段和傳播媒介均出現(xiàn)了巨大的變化，尤其是近幾年因游戲行業(yè)的興起，給三維動(dòng)畫(huà)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的沖擊。常規(guī)三維動(dòng)畫(huà)軟件的操作難度大、視覺(jué)效果差，而游戲引擎另辟蹊徑，采用多種先進(jìn)技術(shù)，無(wú)論效果還是效率上都比常規(guī)三維動(dòng)畫(huà)制軟件提高一個(gè)層次，在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中取得良好的業(yè)績(jī)。
目前應(yīng)用比較廣泛游戲引擎有兩種，下面簡(jiǎn)單加以介紹：
虛幻引擎4(Unreal Engine 4，UE4)是EpicGamas公司開(kāi)發(fā)的一款游戲引擎，是以C++為核心代碼的游戲開(kāi)發(fā)集成工具，具有強(qiáng)大的建模和渲染能力。用于幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)具有其它引擎無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及及其技術(shù)的不斷成熟，采用UE4與VR技術(shù)結(jié)合，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)VR網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。
Unity3D是由UnityTechnologies公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)跨平虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。Unity3D具有精簡(jiǎn)、直觀的工作流程，功能強(qiáng)大的工具集，使得虛擬現(xiàn)實(shí)模塊的開(kāi)發(fā)周期大幅度縮短。通過(guò)3D模型、貼圖、圖像、視頻、聲音等相關(guān)資源整合，借助Unity場(chǎng)景構(gòu)件模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建，并可在Windows、Mac 0SX、Linux等平臺(tái)上運(yùn)行。
UE4游戲引擎和Unity3D游戲引擎的比較見(jiàn)表1。
表1UE4游戲引擎和Unity3D游戲引擎的比較
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在網(wǎng)上看房、房產(chǎn)建筑動(dòng)畫(huà)片、虛擬樓盤(pán)電子樓書(shū)、虛擬現(xiàn)實(shí)演播室、虛擬現(xiàn)實(shí)舞臺(tái)、虛擬場(chǎng)景、虛擬寫(xiě)字樓、虛擬營(yíng)業(yè)廳、虛擬商業(yè)空間、三維虛擬選房、虛擬酒店、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境表現(xiàn)等諸多項(xiàng)目中應(yīng)用，本文以UE4游戲引擎為例，探討幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題。
2、傳統(tǒng)方法幕墻三維動(dòng)畫(huà)制作的困境
2.1三維動(dòng)畫(huà)制作
三維動(dòng)畫(huà)是目前幕墻可視化的主要手段，是數(shù)字媒體時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。三維動(dòng)畫(huà)從簡(jiǎn)單的幾何體模型到復(fù)雜的人物模型，單個(gè)的模型展示，到復(fù)雜的場(chǎng)景如道路、橋梁、隧道、市政、小區(qū)等線型工程和場(chǎng)地工程的景觀設(shè)計(jì)表現(xiàn)的淋漓盡致。制作流程為建模、材質(zhì)設(shè)置、燈光、動(dòng)畫(huà)、攝影機(jī)控制、渲染等，這是三維動(dòng)畫(huà)的制作特色。
制作三維動(dòng)畫(huà)通常需要MAYA、3DSMAX等三維建模動(dòng)畫(huà)軟件、ZBrash等雕刻（詞條“雕刻”由行業(yè)大百科提供）軟件，Photoshop和SubstancePainter等材質(zhì)和紋理軟件，渲染出鏡頭之后到AE和PR制作后期鏡頭的剪輯和音效。三維動(dòng)畫(huà)的后期合成，主要是將之前所做的動(dòng)畫(huà)片段、聲音等素材，按照分鏡頭劇本的設(shè)計(jì)，通過(guò)非線性（詞條“非線性”由行業(yè)大百科提供）編輯軟件的編輯，最終生成動(dòng)畫(huà)影視文件。
2.2三維動(dòng)畫(huà)的制作難點(diǎn)
三維動(dòng)畫(huà)在軟件中創(chuàng)造一個(gè)虛擬世界，包括場(chǎng)景、角色、燈光、材質(zhì)，特效等，能夠制作出高寫(xiě)實(shí)的場(chǎng)景和角色，其場(chǎng)景調(diào)度、燈光材質(zhì)、高光、反光、凹凸、粗糙度、紋理結(jié)構(gòu)等需要在每秒鐘24幀的畫(huà)面鏡頭變化中進(jìn)行逐幀測(cè)試和渲染，這種耗時(shí)和技術(shù)難度是三維動(dòng)畫(huà)制作的致命弱點(diǎn)，因此需要開(kāi)辟更合適的技術(shù)路線，以解決三維動(dòng)畫(huà)制作的難題。
3、UE4游戲引擎制作幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)
3.1 UE4引擎的發(fā)展現(xiàn)狀
UE4引擎從1998年發(fā)行至今，UE4共經(jīng)歷了UE、UE2、UE2.5、UE3、UDK、UE4多個(gè)版本，它的迭代速度極快，現(xiàn)在已經(jīng)到了4.26發(fā)行版。UE4的底層由C++實(shí)現(xiàn)，但是UE C++經(jīng)過(guò)Epic的封裝，難度不大，甚至?xí)兊糜腥ぁＤ壳霸谟螒颉⒔ㄖ㈦娪暗刃袠I(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。UE4具有非常強(qiáng)大的圖形處理能力，包括高級(jí)動(dòng)態(tài)光照、全新粒子系統(tǒng)等。利用游戲引擎制作建筑模型，可以將建筑漫游游戲化。UE4的藍(lán)圖集成代碼為非編程技術(shù)人員提供了便利，視效處理功能強(qiáng)大，攝像機(jī)鏡頭使用靈活且具剪輯功能，讓這款引擎成為游戲制作的新銳，也是近年來(lái)動(dòng)畫(huà)和交互媒體制作的最佳選擇。
UE4游戲引擎不僅具有比現(xiàn)存三維模型更加絢麗、逼真的材質(zhì)貼圖、渲染效果，還具有三維軟件不具備的腳本程序功能和二次開(kāi)發(fā)功能。通過(guò)UE4制作的建筑模型，能夠通過(guò)程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一些基礎(chǔ)的人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)、開(kāi)關(guān)燈、上下電梯等現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作和功能。通過(guò)UE4引擎制作的建筑漫游模型也可以直接在Oculos公司的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示儀顯示，進(jìn)行虛擬建筑漫游。
截至到目前，UE4的為適應(yīng)建筑應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的模塊見(jiàn)表2。Twinmotion界面顯示效果見(jiàn)圖1和圖2。
表2UE4建筑功能應(yīng)用模塊簡(jiǎn)介
圖1Twinmotion顯示界面 圖2Twinmotion顯示細(xì)節(jié)
3.2 UE4引擎渲染和后期效果
對(duì)于幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)來(lái)說(shuō)UE4引擎藍(lán)圖集成代碼制作方式比較便捷且效率較高。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)材質(zhì)創(chuàng)建。在UE4材質(zhì)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的展開(kāi)中顏色、高光亮度、金屬度、粗糙度和UV紋理等都和Maya中的節(jié)點(diǎn)使用和參數(shù)調(diào)整一致，使用比較方便。
(2)提高軟件效率。在UE4游戲引擎中，對(duì)比較高階和很耗時(shí)的粒子特效、全局光照、光線追蹤、場(chǎng)景深度和高質(zhì)量透明物體的反射折射等，采用與常規(guī)動(dòng)畫(huà)軟件幾乎一致的參數(shù)設(shè)置，效果也基本相同。
(3)后期視覺(jué)效果不需要渲染和構(gòu)建。在UE4中，功能調(diào)試和屏幕顯示就是最終輸出效果。UE4的后期處理模塊能夠做到無(wú)論光線、風(fēng)格怎樣變化都不需要進(jìn)行場(chǎng)景渲染和構(gòu)建。UE4內(nèi)置的鏡頭模塊Matinee非線性編輯功能十分強(qiáng)大，在視頻制作中進(jìn)行相機(jī)鏡頭的創(chuàng)建、調(diào)度和應(yīng)用。其動(dòng)畫(huà)編輯器提供了剪輯軟件編輯功能，輸出文件還可以再次加載到引擎中作為動(dòng)態(tài)畫(huà)面進(jìn)行再編輯，操作靈活方便。再經(jīng)過(guò)后期處理，能讓視覺(jué)畫(huà)面層次更多，在快速切換風(fēng)格和相機(jī)鏡頭變化的過(guò)程中均不需要再次渲染，提高后期處理效率。傳統(tǒng)三維軟件渲染幾周的效果，在UE4只需要幾天甚至幾個(gè)小時(shí)就能完成。
3.3 UE4引擎制作動(dòng)畫(huà)的效果
UE4引擎經(jīng)過(guò)不斷更新進(jìn)化，已經(jīng)具有強(qiáng)大的視覺(jué)效果和VR開(kāi)發(fā)功能，與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)制作相比，使用UE4引擎渲染能節(jié)省大量時(shí)間，最近更新的軟件和插件能夠直接導(dǎo)入外部快速渲染的燈光和深度環(huán)境，在軟件耗時(shí)方面性能提高了一個(gè)層次。
但UE4引擎制作動(dòng)畫(huà)也有不足之處，例如模型的搭建和動(dòng)畫(huà)制作需要從外部導(dǎo)入，材質(zhì)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)仍然是基于程序代碼開(kāi)發(fā)，比較程序化且不夠直白;軟件交叉導(dǎo)入和參數(shù)要求有些復(fù)雜，并且尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，在與建筑類(lèi)軟件交互制作方面還需不斷完善相關(guān)功能。
3.4UE4游戲引擎制作幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)
虛擬現(xiàn)實(shí)能夠滿足幕墻設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收等各個(gè)階段的可視化需求，提供最佳的解決方案。UE4根據(jù)設(shè)計(jì)圖或設(shè)計(jì)師的構(gòu)想制作1:1三維立體場(chǎng)景，通過(guò)佩戴專(zhuān)業(yè)的頭戴式顯示儀讓人身臨其境，在虛擬場(chǎng)景中仔細(xì)觀察設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、顏色和位置等都可以進(jìn)行全面直觀的了解和分析，并且可以直接更改模型數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行分析和比較，無(wú)需通過(guò)二維圖與三維模型的反復(fù)轉(zhuǎn)換，將設(shè)計(jì)的精力集中在設(shè)計(jì)構(gòu)思上，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)靈感。虛擬現(xiàn)實(shí)能幫助設(shè)計(jì)師表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)想，也能為決策者提供參與原創(chuàng)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，這是以往的平面圖等表現(xiàn)手法無(wú)法做到的。虛擬現(xiàn)實(shí)能讓參建各方參與細(xì)節(jié)問(wèn)題討論，避免出現(xiàn)決策失誤，這對(duì)幕墻各個(gè)階段來(lái)說(shuō)是非常有價(jià)值的。
4、幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
(1) 構(gòu)建零部件三維模型
基礎(chǔ)零件、部件是幕墻可視化展示及交互、并運(yùn)行其他功能的基礎(chǔ)，可采用熟悉的數(shù)字創(chuàng)作軟件DCC軟件進(jìn)行構(gòu)建，模型的質(zhì)量及精細(xì)化程度直接影響幕墻展示的效果，并對(duì)幕墻漫游的速度產(chǎn)生較大的影響。對(duì)于不同類(lèi)型幕墻應(yīng)創(chuàng)建相應(yīng)零件、部件模型，示例見(jiàn)圖3-7。
(2) 制作材質(zhì)、貼圖及場(chǎng)景
將構(gòu)建好的幕墻基礎(chǔ)三維模型直接在UE4中進(jìn)行材質(zhì)編輯，正確設(shè)置材質(zhì)信息;然后在UE4引擎中構(gòu)建燈光、環(huán)境等場(chǎng)景，以便燈光和環(huán)境獲得更逼真的效果。
(3) 基于UE4的虛擬交互設(shè)計(jì)
幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)的交互控制功能主要在UE4引擎中進(jìn)行設(shè)置和開(kāi)發(fā)，這也是整個(gè)虛擬環(huán)境的最關(guān)鍵和復(fù)雜的部分。將準(zhǔn)備好的模型文件導(dǎo)入U(xiǎn)E4引擎中，采用C++編程或藍(lán)圖技術(shù)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。UE4支持C+ +腳本語(yǔ)言，可通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)模型對(duì)象或其他按鈕之間的交互邏輯控制，同時(shí)也可通過(guò)調(diào)用API接口對(duì)輸入輸出進(jìn)行控制。將腳本掛載至對(duì)應(yīng)的Game Object并設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)方式即可實(shí)現(xiàn)模型的裝配、拆卸及相關(guān)參數(shù)測(cè)量的交互功能。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的交互功能也可以通過(guò)藍(lán)圖直接設(shè)計(jì)。
(4) 項(xiàng)目網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。
UE4支持多個(gè)平臺(tái)的項(xiàng)目發(fā)布。通過(guò)設(shè)置發(fā)布網(wǎng)頁(yè)相關(guān)參數(shù)，即可將功能完整的幕墻拆裝過(guò)程發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)的形式。
(5) 結(jié)合現(xiàn)有硬件設(shè)備，搭建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬
實(shí)現(xiàn)幕墻拆裝過(guò)程的虛擬3D展示與交互。使用UE4生成的交互式VR實(shí)景漫游可用于從最初概念圖到最終客戶評(píng)審的整個(gè)流程，比以往更快地將設(shè)計(jì)構(gòu)想以視覺(jué)化方式呈現(xiàn)，并減少團(tuán)隊(duì)理解上的分歧。
5、結(jié)語(yǔ)
UE4游戲引擎具有豐富的編輯功能及設(shè)置功能，尤其是實(shí)時(shí)渲染功能十分強(qiáng)大，所見(jiàn)即所得，在視覺(jué)效果上能達(dá)到影視級(jí)別的渲染精度和光感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟件可見(jiàn)效果和輸出效果不一致的缺點(diǎn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)制作的質(zhì)量和效率方面均是巨大的飛躍，因此UE4游戲引擎在幕墻虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)中的應(yīng)用具有無(wú)限廣闊的前景。
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作者單位：中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司
