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摘要:借助目前對虛擬現實技術的研究與應用，以具體案例作為載體，用AutoCAD，Skechup，UE4引擎作為實施工具，探索建筑結構在表達方面更多的可能性，完成一套可以在多平臺的建筑結構可視化交互的操作程序，以期進一步降低建筑設計師在建筑結構表現方面應用虛擬現實技術的成本。
關鍵詞:結構可視化，虛擬現實技術，UE4
1UE4的概述及特點
UnrealEngine4是EPIC公司旗下一款強大的游戲引擎，主要供游戲開發人員使用，但因其強大的建模和渲染功能，也被用作建筑可視化的技術手段，進而成為設計師在進行建筑設計時不可或缺的輔助工具。在建筑可視化方面，UE4較其他建筑設計軟件具有以下幾點優勢:1)實時渲染和PBR材質系統:能夠使體驗者與設計者在真實的建筑場景中進行創作。2)C++模式和藍圖模式:其獨具的藍圖模式能夠讓設計者在沒有C語言的基礎下快速的掌握引擎運作性能并進行高仿真度的模型交互模擬。3)多平臺兼容:傳統建筑漫游軟件用戶需憑借固定的引擎打開文件，而UE4能夠HT-ML5，Android和Windows等多種格式供給用戶使用。
2建筑結構可視化交互的意義
結構作為保持建筑物的外部形態與形成內部空間的骨架，其設計表達卻還處于半自動化狀態。從概念到方案設計師要不斷地將三維模型向二維圖紙轉換，供客戶或者其他專業的設計師進行分析與優化。整個設計過程給設計師帶來了不小的難度和不必要的重復性勞動。近幾年，因城市空間的極具縮減，對建筑結構的設計要求更高，設計也更加的復雜。僅憑二維的圖紙表現，不足以在建筑的大環境中對多個結構方案進行優劣的對比。為使建筑結構的分析環境更加逼真，將虛擬引擎系統應用到結構的設計表達中，從而增加結構表達直觀性與真實性。通過Skechup建立三維模型，利用藍圖程序，使用紋理，相機，UI等節點，使建筑結構以三維虛擬模式在場景中顯現出來，并實現模型的交互設計。最終實現一個，能看，能聽，能互動的建筑結構可視化交互環境。
3UE4實現結構可視化交互的方法
對于小滄浪亭的建筑結構可視化交互系統的建立主要分為兩個部分，漫游部分和交互部分，漫游部分主要是通過建筑設計師常用的Skechup軟件建立三維模型，并導入到UE4中利用引擎中的材質和紋理對模型進行處理，使建筑結構能夠以三維虛擬模式在場景中顯現出來;交互部分則是將導入UE4的模型進行藍圖編程處理，利用紋理、相機、UI等節點實現模型的交互設計。最終實現一個，能看，能聽，能操作的建筑結構可視化交互環境。其具體實現的方法和環節主要分為三大部分:三維建模環節、UE4優化模型環節和藍圖編程環節。具體流程如圖1所示，筆者以蘇州滄浪亭為例，對UE4實現建筑結構交互功能的方法進行闡述。
3．1建立三維模型環節
在結構可視化系統的建立中，總體分兩個部分———建筑部分和場景部分;小滄浪亭的建筑部分自上而下主要分為坡屋面、椽、斗?和梁柱，其他還有家具與鋪地，在此由使用最頻繁操作最簡單的二維軟件AutoCAD和三維軟件Skechup對其進行圖紙的繪制和模型的建立(模型效果如圖2所示)。建筑外部的場景部分則是由UE4本身具有的場地繪制系統進行建立，可以有效減少模型的面數，避免因模型文件內存過大而導致運行效果不佳。其主要操作事項有以下幾點:1)建模簡化:使用Skechup軟件中簡單的幾何體對小滄浪亭的建筑結構、建筑圍護和室內家具等物體進行建模;2)法線檢查:建模過程中注意開啟單色顯示模式，保證模型的正面朝外;3)分類分組:根據制作需求在建模軟件中將建筑構件進行分類與打組，并以英文進行組的命名;4)模型導出:以FBX格式導出模型文件。
3．2模型優化環節
將導出的FBX文件導入UE4后在出現的選項卡中取消自動生成碰撞選項，并對世界大綱界面里的Mesh進行分類Group管理。針對模型的材質部分，通過登錄專業的網站搜尋下載需要的材質貼圖。將貼圖導入CrazyBump軟件中，對材質進行法線紋理編輯和一定的高光處理，再將導出的紋理貼圖結合UE4中藍圖模式的材質節點編輯功能，便足以在虛擬引擎中重現實景中的材質屬性的表現效果，包括表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、折射率和發光度等等。例如小滄浪亭的主體材質主要為木材和石材，其材質表現的是自身的紋理及色彩，對外部周圍環境的反射能力較弱甚至是沒有(材質節點如圖3所示)。對于場景內部的燈光布置，應盡量選擇靜態的PointLight，避免構建場景光照時運算量過大而導致操作的卡頓，在場景的局部添加反射捕獲進行適當補光，用來增強場景的真實性。
3．3藍圖編程環節
建筑結構可視化交互系統分為兩個互動關卡進行制作，兩者之間通過Character和Pawn的碰撞事件進行相互聯系，并都是依靠UE4的藍圖模式進行后臺控制。第一關卡是自由場景漫游模式，在軟件中搭建完場景后引入用戶能夠憑借鍵盤與鼠標進行簡單操作的Character，在Charater的編輯藍圖中添加慢走、快走、跳躍和視角轉換等適當的操作節點，并且將人物的動作幅度調控成實際人類的行為尺度，用以增強用戶在虛擬世界中漫游的真實體驗。當用戶操作的Character觸發場景中的Pawn碰撞后，用戶便可進入第二關卡———結構互動。此關卡主要是對建筑結構進行細致的再現與表達。小滄浪亭的建筑結構主要是梁柱體系和起承擔屋架重量的宋式斗?。通過藍圖將結構部件與Actor進行聯系，再用節點進行事件的編輯，讓用戶可以利用鼠標的滑動與點擊對模型結構進行縮放、更換與分解等互動操作(重要節點如圖4所示)。兩個關卡中都配有一定的UI設計，主要是操作說明界面和文字描述界面，用來補充三維模型表達的不足之處。最后待兩個關卡設計好后，啟動制作的藍圖程序，對UE4文件進行整體場景的運行編譯，并對模型的表現和互動效果進行校驗優化，確定無誤后便可將文件導出為自己想要的文件格式。
4結論與展望
目前全國計算機行業在不斷的發展，將虛擬現實技術運用到建筑結構設計領域是必然的趨勢，在總結UE4輔助建筑可視化的基礎上，進一步探究了UE4應用于建筑結構可視化交互應用設計的一些具體流程和操作方法。本文研究的結構形式較為基礎，對于實踐性較強的工程結構領域，其課題研究內容較多，對結構的受力特性與分析要求也較高，所以在虛擬現實技術的應用領域還需更加積極的研究與探索。其他領域方面，UE4虛幻引擎還可作為制作授教課件的輔助工具，打破高實踐性課堂的文字與圖片的單一教學模式，健全教學體系，加強理論和實踐的聯系，并在一定程度上提升發展學生的計算機能力，達到學以致用的教學目的。
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作者:馬紹江 傅睿 單位:常州工學院
