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摘要：采用傳統(tǒng)方法進行幕墻動畫制作效率低下，且不能進行交互操作。采用UE4游戲引擎的C++及藍圖編程技術(shù)進行幕墻虛擬現(xiàn)實制作，不僅豐富視頻層次、提高制作渲染效率、達到影視級實時漫游，還能實現(xiàn)互方式處理，并能以網(wǎng)頁形式發(fā)布。提出的UE4游戲引擎對幕墻虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵字：幕墻;UE4;虛擬現(xiàn)實;可視化
1、概述
虛擬現(xiàn)實(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)實是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、語音輸入輸出技術(shù)及仿真技術(shù)等，也是力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、機構(gòu)運動學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實的最大特點是可以與虛擬環(huán)境進行人機交互，將被動式觀看變成更逼真的體驗互動。
數(shù)字媒體時代，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，給三維動畫領(lǐng)域帶來了巨大的沖擊。常規(guī)三維動畫軟件的操作難度大、視覺效果差，而游戲引擎另辟蹊徑，采用多種先進技術(shù)，無論效果還是效率上都比常規(guī)三維動畫制軟件提高一個層次，在多個領(lǐng)域的應(yīng)用中取得良好的業(yè)績。
目前應(yīng)用比較廣泛游戲引擎有兩種，下面簡單加以介紹：
虛幻引擎4(Unreal Engine 4，UE4)是EpicGamas公司開發(fā)的一款游戲引擎，是以C++為核心代碼的游戲開發(fā)集成工具，具有強大的建模和渲染能力。用于幕墻虛擬現(xiàn)實具有其它引擎無法比擬的優(yōu)勢。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，可以進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)VR網(wǎng)絡(luò)體驗。
Unity3D是由UnityTechnologies公司開發(fā)的專業(yè)跨平虛擬現(xiàn)實引擎。Unity3D具有精簡、直觀的工作流程，功能強大的工具集，使得虛擬現(xiàn)實模塊的開發(fā)周期大幅度縮短。通過3D模型、貼圖、圖像、視頻、聲音等相關(guān)資源整合，借助Unity場景構(gòu)件模塊，可以輕松實現(xiàn)對復(fù)雜虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)建，并可在Windows、Mac 0SX、Linux等平臺上運行。
UE4游戲引擎和Unity3D游戲引擎的比較見表1。
表1UE4游戲引擎和Unity3D游戲引擎的比較
虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在網(wǎng)上看房、房產(chǎn)建筑動畫片、虛擬樓盤電子樓書、虛擬現(xiàn)實演播室、虛擬現(xiàn)實舞臺、虛擬場景、虛擬寫字樓、虛擬營業(yè)廳、虛擬商業(yè)空間、三維虛擬選房、虛擬酒店、虛擬現(xiàn)實環(huán)境表現(xiàn)等諸多項目中應(yīng)用，本文以UE4游戲引擎為例，探討幕墻虛擬現(xiàn)實及可視化實現(xiàn)技術(shù)問題。
2、傳統(tǒng)方法幕墻三維動畫制作的困境
2.1三維動畫制作
三維動畫是目前幕墻可視化的主要手段，是數(shù)字媒體時代發(fā)展的產(chǎn)物。三維動畫從簡單的幾何體模型到復(fù)雜的人物模型，單個的模型展示，到復(fù)雜的場景如道路、橋梁、隧道、市政、小區(qū)等線型工程和場地工程的景觀設(shè)計表現(xiàn)的淋漓盡致。制作流程為建模、材質(zhì)設(shè)置、燈光、動畫、攝影機控制、渲染等，這是三維動畫的制作特色。
制作三維動畫通常需要MAYA、3DSMAX等三維建模動畫軟件、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。三維動畫的后期合成，主要是將之前所做的動畫片段、聲音等素材，按照分鏡頭劇本的設(shè)計，通過非線性（詞條“非線性”由行業(yè)大百科提供）編輯軟件的編輯，最終生成動畫影視文件。
2.2三維動畫的制作難點
三維動畫在軟件中創(chuàng)造一個虛擬世界，包括場景、角色、燈光、材質(zhì)，特效等，能夠制作出高寫實的場景和角色，其場景調(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幀的畫面鏡頭變化中進行逐幀測試和渲染，這種耗時和技術(shù)難度是三維動畫制作的致命弱點，因此需要開辟更合適的技術(shù)路線，以解決三維動畫制作的難題。
3、UE4游戲引擎制作幕墻虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢
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++實現(xiàn)，但是UE C++經(jīng)過Epic的封裝，難度不大，甚至?xí)兊糜腥�。目前在游戲、建筑、電影等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。UE4具有非常強大的圖形處理能力，包括高級動態(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，視效處理功能強大，攝像機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，也是近年來動畫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發(fā)功能。通過UE4制作的建筑模型，能夠通過程序語言實現(xiàn)一些基礎(chǔ)的人機交互功能，實現(xiàn)開門、開關(guān)燈、上下電梯等現(xiàn)實中的動作和功能。通過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)實頭戴式顯示儀顯示，進行虛擬建筑漫游。
截至到目前，UE4的為適應(yīng)建筑應(yīng)用而開發(fā)的模塊見表2。Twinmotion界面顯示效果見圖1和圖2。
表2UE4建筑功能應(yīng)用模塊簡介
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
對于幕墻虛擬現(xiàn)實動畫來說UE4引擎藍圖集成代碼制作方式比較便捷且效率較高。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)材質(zhì)創(chuàng)建。在UE4材質(zhì)創(chuàng)建節(jié)點的展開中顏色、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，對比較高階和很耗時的粒子特效、全局光照、光線追蹤、場景深度和高質(zhì)量透明物體的反射折射等，采用與常規(guī)動畫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論光線、風(fēng)格怎樣變化都不需要進行場景渲染和構(gòu)建。UE4內(nèi)置的鏡頭模塊Matinee非線性編輯功能十分強大，在視頻制作中進行相機鏡頭的創(chuàng)建、調(diào)度和應(yīng)用。其動畫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態(tài)畫面進行再編輯，操作靈活方便。再經(jīng)過后期處理，能讓視覺畫面層次更多，在快速切換風(fēng)格和相機鏡頭變化的過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小時就能完成。
3.3 UE4引擎制作動畫的效果
UE4引擎經(jīng)過不斷更新進化，已經(jīng)具有強大的視覺效果和VR開發(fā)功能，與傳統(tǒng)動畫制作相比，使用UE4引擎渲染能節(jié)省大量時間，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，在軟件耗時方面性能提高了一個層次。
但UE4引擎制作動畫也有不足之處，例如模型的搭建和動畫制作需要從外部導(dǎo)入，材質(zhì)的節(jié)點參數(shù)仍然是基于程序代碼開發(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，并且尚未實現(xiàn)實時關(guān)聯(lián)，在與建筑類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
虛擬現(xiàn)實能夠滿足幕墻設(shè)計、施工和驗收等各個階段的可視化需求，提供最佳的解決方案。UE4根據(jù)設(shè)計圖或設(shè)計師的構(gòu)想制作1:1三維立體場景，通過佩戴專業(yè)的頭戴式顯示儀讓人身臨其境，在虛擬場景中仔細(xì)觀察設(shè)計的細(xì)節(jié)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、顏色和位置等都可以進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)，再次進行分析和比較，無需通過二維圖與三維模型的反復(fù)轉(zhuǎn)換，將設(shè)計的精力集中在設(shè)計構(gòu)思上，充分發(fā)揮設(shè)計靈感。虛擬現(xiàn)實能幫助設(shè)計師表達設(shè)計構(gòu)想，也能為決策者提供參與原創(chuàng)設(shè)計的機會，這是以往的平面圖等表現(xiàn)手法無法做到的。虛擬現(xiàn)實能讓參建各方參與細(xì)節(jié)問題討論，避免出現(xiàn)決策失誤，這對幕墻各個階段來說是非常有價值的。
4、幕墻虛擬現(xiàn)實的設(shè)計與實現(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，并對幕墻漫游的速度產(chǎn)生較大的影響。對于不同類型幕墻應(yīng)創(chuàng)建相應(yīng)零件、部件模型，示例見圖3-7。
(2) 制作材質(zhì)、貼圖及場景
將構(gòu)建好的幕墻基礎(chǔ)三維模型直接在UE4中進行材質(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
幕墻虛擬現(xiàn)實的交互控制功能主要在UE4引擎中進行設(shè)置和開發(fā)，這也是整個虛擬環(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UE4引擎中，采用C++編程或藍圖技術(shù)進行交互設(shè)計。UE4支持C+ +腳本語言，可通過腳本實現(xiàn)模型對象或其他按鈕之間的交互邏輯控制，同時也可通過調(diào)用API接口對輸入輸出進行控制。將腳本掛載至對應(yīng)的Game Object并設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)方式即可實現(xiàn)模型的裝配、拆卸及相關(guān)參數(shù)測量的交互功能。對于一些簡單的交互功能也可以通過藍圖直接設(shè)計。
(4) 項目網(wǎng)頁發(fā)布。
UE4支持多個平臺的項目發(fā)布。通過設(shè)置發(fā)布網(wǎng)頁相關(guān)參數(shù)，即可將功能完整的幕墻拆裝過程發(fā)布成網(wǎng)頁的形式。
(5) 結(jié)合現(xiàn)有硬件設(shè)備，搭建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬
實現(xiàn)幕墻拆裝過程的虛擬3D展示與交互。使用UE4生成的交互式VR實景漫游可用于從最初概念圖到最終客戶評審的整個流程，比以往更快地將設(shè)計構(gòu)想以視覺化方式呈現(xiàn)，并減少團隊理解上的分歧。
5、結(jié)語
UE4游戲引擎具有豐富的編輯功能及設(shè)置功能，尤其是實時渲染功能十分強大，所見即所得，在視覺效果上能達到影視級別的渲染精度和光感，彌補了傳統(tǒng)軟件可見效果和輸出效果不一致的缺點，在虛擬現(xiàn)實動畫制作的質(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)實動畫中的應(yīng)用具有無限廣闊的前景。
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作者單位：中國建筑科學(xué)研究院有限公司
