漫游动画及VR 沉浸式三维交互技术在工业项目上的应用研究

肖骁，常跃镡

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

科技推动建筑业各个方面的发展。人们可以看到建筑设计越来越精细，施工质量越来越好，同时，建筑表现也趋于多样化，传统的二维效果图等表现形式已经不能满足市场需求，毕竟再逼真的效果图或者模型，也比不上虚拟环境提供的真实的尺度感。因此，为了提高建筑设计能力，满足市场日益提高的审美及加强建筑方案表现力，必须应用动画和VR 技术这些建筑表现的新工具。

2 漫游动画和VR 的技术特点

VR 即虚拟现实技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感【1】。虚拟现实是多媒体技术的终极应用形式，它是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学领域飞速发展的结晶。通过特定的方式（戴上立体眼镜、数据手套、特制的传感设备等），能够在虚拟环境中完成观察、行走、探索等操作，就好像在真实世界里一样。其特点如下2.1～2.4 所述。

2.1 真实性

采用虚拟现实技术，能够很真实地模拟外部世界，体现现实因素，使人犹如置身3D 电影的感觉，以此使得非建筑专业人员也能对建筑工程有直观的理解。

2.2 参与性

虚拟现实技术比看3D 电影更进步的方式在于：作为项目的观察者，同时又是虚拟环境的参与者，可以“真实”地体验周围环境，或者说体现了以人为核心的自由：无论你是想观察哪里、观察哪个楼层或者观察多长时间，完全由个人决定。

2.3 交互性

在虚拟世界中，所见即所得。立体眼镜所看到的物体，理论上也可以通过数据手套抓取、移动等操作，能够得到触碰物体的反馈。在虚拟世界中直接调整建筑模型、材质，效果直观，方便快捷【2】。

2.4 引领性

对于非专业人士而言，如何引导他们按照建筑师设计的顺序观察建筑，往往会影响对建筑的评价，如何把自己的想法明明白白地展示给甲方，是一个很大的挑战。漫游动画就是VR 技术的实际应用之一，动画是VR 衍生出的生动的表达方式。建筑师可以提前设定好路线，在整个游览路径中，逐步展示整个项目的“起承转合”，同时辅助录制的语音讲解，在短时间内让甲方接收到最优质、最有逻辑的信息。

3 漫游动画和VR 的技术意义

虚拟现实技术生动直观地展现有关建筑的各种具有实在感的场景信息，全方位地展示建筑物内外部空间及功能，在项目前期投标、申报、审批、交流中，使目标受众产生强烈的兴趣，带来逼真的感官冲击，获得身临其境的体验。它的意义有以下5 个方面。

3.1 提高建筑设计的品质

在建筑设计阶段，能够直观反映建筑师的设想；和传统建模相比，看见的不是平面化的图形，而是自己站在已经建造完成的建筑环境中漫游。同时进行多方案比较，将不同的方案建模完毕，在虚拟世界中进行观察，利于建筑师对比各个方案的优劣，帮助设计师快速进行方案的决策。因为VR 是用体验的判断代替经验的判断，因此，VR 技术是建筑方案设计论证的有效途径。

3.2 降低风险，保护投资

建筑设计是一个复杂的过程，它的内涵包括：美学、人文、安全、功能等要素。建筑本身具有不可逆性，在前期设计时，只有不断分析方案的可行性、比较多个方案的特点并反复修改，才能避免在施工过程中出现问题，否则很可能导致资源浪费。运用VR 的前瞻性，就能降低能源消耗率，有效避免决策错误，有利于促进工业建筑健康稳定发展，为社会的绿色环保事业做出贡献；完备前期设计，也体现了绿色建筑设计理念。

3.3 变革工作方式

目前的设计工具有CAD、sketchup、犀牛等，VR 技术的快速发展，很可能会引起工作方式的变革，未来的设计师在完全虚拟的环境中建造，对建筑的观察不再是平面画的显示屏，而是“身临其境”。

3.4 帮助公司向研发型企业过渡

在信息时代，如果公司想要更好地生存和发展，向研发型企业过渡是一个重要途径。VR 技术的直观性可以让设计师把精力更多地投入到设计之中，而非亦步亦趋地修改设计图；同时虚拟建造的应用，可以提前预判各专业的配合度，减少碰撞。

3.5 有利于展示和宣传

鉴于目前虚拟现实技术的三维立体，虚拟仿真，实时渲染，视、听、触多维体感，自主交互等特点，正好符合建筑漫游的目的，便于观者多维度体验，填补传统漫游所无法实现的临场体验；这是建筑展示、宣传方式的一大革命。

4 漫游动画和VR 在工业项目上的应用

工业项目具有基地面积大、工艺要求复杂、厂区内包括民用和工业建筑的特点；这些特点决定了工业项目的设计具有修改次数多、工作量大的特性。应用漫游动画和VR 技术将有效提升和客户的沟通效率，达到降低设计修改次数，缩短项目周期的目的。在设计阶段，通过VR 技术进行展示设计，可以模拟真实的厂区环境、周边景观、内部场景等，为用户提供更加优质和个性化的服务。

工业项目一般分为厂前区和主厂区2 个部分。厂前区为配套民用建筑，包括办公楼、研发楼、职工宿舍和食堂等，同时作为企业的形象展示，兼顾美观；主厂区基本为工业厂房，为生产服务。

工业建筑的特点有：（1）需要满足生产工艺的要求。厂房建造的目的是为了生产，需要按照工艺要求和流程调解体量大小构造做法和比例，而且生产工艺不同的厂房具有不同的特征。例如，医药厂房、电子厂房、物流厂房等，对开窗形式、洁净度、结构荷载、厂房类别等的要求是不一样的。（2）构造处理较复杂。主要体现在采光、通风、屋面排水等节点构造处理较复杂。大多数厂房主要以钢结构为主，这就决定了节点构造的复杂性，比如，屋面采光带、屋顶天窗、高低跨伸缩缝等，都需要满足采光、保温、节能、美观等功能。（3）对美观的要求越来越高。工业建筑对美观的要求，在未来是和民用相差无几的；工业建筑设计不能像以前那样仅仅满足工艺要求就行了，现在越来越流行的工业旅游和技术的发展，使得厂房的外观发生了很大变化。（4）单体建筑体量大。工业建筑体量巨大、层高较高、占地面积广是一个很直观的特点。这个特点有助于建筑师对空间的改造和划分，充分发挥自己的主观能动性。以上这些内容和细节的展示，都可以用动画演示来实现。

4.1 建模

模型是进行渲染和VR 观察的物质基础，在进行导出动画或者VR 观察之前，需要使用建模软件把模型建立起来。而所使用的建模软件为sketchup。

sketchup 建立模型流程如下：（1）首先整理CAD 文件，删除不必要的线条，仅保留建筑要素；最后在sketchup 中导入CAD 文件。（2）把CAD 线条推拉成立体模型，再进行修改细化，使素模基本满足设计预期。（3）在sketchup 中赋予模型特定材质，完成从素模到具有颜色和质感的模型的转换。（4）地形制作：主要有2 种方法，一种是和建筑建模一样，导入地形CAD，把线条转换成立体模型，再进行修改和完善；另一种是在地图工具中，抓取对应基地的实景航拍图片，在sketchup 中导入图片。第二种方法简便快捷，效果也较好。为了解决导入图片模糊问题，需要用到PS 的切片工具；把提取出的高清大图在PS 中切成若干份，然后再把这组图片导入sketchup 中，这就解决了基地图片失真的问题。（5）将建筑移动到地形中的正确位置，然后插入树木、灌木、人物、车辆等配景模型，增加环境的丰富度和尺度感；最后调整光影，完善环境气氛。

4.2 渲染和 VR 观察

模型完工以后，已经具备了进行渲染的条件，选用的实时渲染软件是enscape。相比较传统渲染软件，在满足效果的同时，极大节省渲染时间。

enscape 可以看作是sketchup 兼容的一款插件，所谓实时渲染，就是所见即所得，在打开的enscape 窗口中，可以直接看见渲染效果，在sketchup 中调整模型，就会以渲染完成的结果出现在enscape 窗口中，这种效果可以直接反映在VR 观察上。无论是模型角度、形态，还是材质颜色的调整，都能即时反映。VR 技术可以通过文字、图片、声音和动画多种媒体形式展示项目，突破平面的局限性，使受众更加深入和全面地了解项目信息，在项目和体验者之间建立良好的互动，有效解决项目展示中真实感不足的问题。

打开enscape 以后，可以导出图片，就成了传统意义上的“效果图”。这种静态效果图有助于加深观察者的印象，所以也是有价值的。如果对渲染效果不太满意，可以在sketchup 中调整模型，在enscape 中实时反馈调整结果，直到符合要求。

VR 技术的衍生，可以很方便地生成动画和效果图。导出的效果图可以在photoshop 中进行完善，最终完成汇报文本的制作。运用VR 技术可以提升设计展示的丰富度，无论是经典的二维静态效果图，还是方案介绍动画，或者客户自己亲身体验设计成果，都能够“一条龙”服务。

5 结语

虚拟现实技术实际应用效果较好，在建筑设计和沟通展示方面都有独特的优势，但目前还没有一个统一的标准和数据库。此外，头戴VR 头盔的使用者如果运用不当，可能会给用户带来头晕恶心的感觉。在虚拟世界中的交互和行走应该更加人性化，可以把客户想象成玩家，项目就是一个体验的游戏；如何让用户使用起来舒服，是VR 技术需要克服的挑战。但随着技术的进步和市场的成熟，虚拟现实在建筑领域必将普及开来，充分发挥其特有的功能。