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摘要：采用傳統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++及藍圖編程技術進行幕墻虛擬現實制作，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，還能實現互方式處理，并能以網頁形式發布。提出的UE4游戲引擎對幕墻虛擬現實開發技術優勢明顯，具有推廣應用價值。
關鍵字：幕墻;UE4;虛擬現實;可視化
1、概述
虛擬現實(Vituai Reality，VR)是一種具有三維立體效果的虛擬仿真環境，具有沉浸式交互多通道感知等特性。虛擬現實是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術、語音輸入輸出技術及仿真技術等，也是力學、數學、光學、機構運動學等學科的綜合應用。虛擬現實的最大特點是可以與虛擬環境進行人機交互，將被動式觀看變成更逼真的體驗互動。
數字媒體時代，幕墻可視化制作手段和傳播媒介均出現了巨大的變化，尤其是近幾年因游戲行業的興起，給三維動畫領域帶來了巨大的沖擊。常規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，無論效果還是效率上都比常規三維動畫制軟件提高一個層次，在多個領域的應用中取得良好的業績。
目前應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公司開發的一款游戲引擎，是以C++為核心代碼的游戲開發集成工具，具有強大的建模和渲染能力。用于幕墻虛擬現實具有其它引擎無法比擬的優勢。隨著互聯網的普及及其技術的不斷成熟，采用UE4與VR技術結合，可以進行網絡發布，實現VR網絡體驗。
Unity3D是由UnityTechnologies公司開發的專業跨平虛擬現實引擎。Unity3D具有精簡、直觀的工作流程，功能強大的工具集，使得虛擬現實模塊的開發周期大幅度縮短。通過3D模型、貼圖、圖像、視頻、聲音等相關資源整合，借助Unity場景構件模塊，可以輕松實現對復雜虛擬現實的創建，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
虛擬現實技術已在網上看房、房產建筑動畫片、虛擬樓盤電子樓書、虛擬現實演播室、虛擬現實舞臺、虛擬場景、虛擬寫字樓、虛擬營業廳、虛擬商業空間、三維虛擬選房、虛擬酒店、虛擬現實環境表現等諸多項目中應用，本文以UE4游戲引擎為例，探討幕墻虛擬現實及可視化實現技術問題。
2、傳統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，是數字媒體時代發展的產物。三維動畫從簡單的幾何體模型到復雜的人物模型，單個的模型展示，到復雜的場景如道路、橋梁、隧道、市政、小區等線型工程和場地工程的景觀設計表現的淋漓盡致。制作流程為建模、材質設置、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”由行業大百科提供）軟件，Photoshop和SubstancePainter等材質和紋理軟件，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計，通過非線性（詞條“非線性”由行業大百科提供）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造一個虛擬世界，包括場景、角色、燈光、材質，特效等，能夠制作出高寫實的場景和角色，其場景調度、燈光材質、高光、反光、凹凸、粗糙度、紋理結構等需要在每秒鐘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實的優勢
3.1 UE4引擎的發展現狀
UE4引擎從1998年發行至今，UE4共經歷了UE、UE2、UE2.5、UE3、UDK、UE4多個版本，它的迭代速度極快，現在已經到了4.26發行版。UE4的底層由C++實現，但是UE C++經過Epic的封裝，難度不大，甚至會變得有趣。目前在游戲、建筑、電影等行業已經得到了廣泛應用。UE4具有非常強大的圖形處理能力，包括高級動態光照、全新粒子系統等。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存三維模型更加絢麗、逼真的材質貼圖、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功能。通過UE4制作的建筑模型，能夠通過程序語言實現一些基礎的人機交互功能，實現開門、開關燈、上下電梯等現實中的動作和功能。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的為適應建筑應用而開發的模塊見表2。Twinmotion界面顯示效果見圖1和圖2。
表2UE4建筑功能應用模塊簡介
圖1Twinmotion顯示界面 圖2Twinmotion顯示細節
3.2 UE4引擎渲染和后期效果
對于幕墻虛擬現實動畫來說UE4引擎藍圖集成代碼制作方式比較便捷且效率較高。主要表現在以下幾個方面：
(1)材質創建。在UE4材質創建節點的展開中顏色、高光亮度、金屬度、粗糙度和UV紋理等都和Maya中的節點使用和參數調整一致，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、場景深度和高質量透明物體的反射折射等，采用與常規動畫軟件幾乎一致的參數設置，效果也基本相同。
(3)后期視覺效果不需要渲染和構建。在UE4中，功能調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、風格怎樣變化都不需要進行場景渲染和構建。UE4內置的鏡頭模塊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建、調度和應用。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畫面進行再編輯，操作靈活方便。再經過后期處理，能讓視覺畫面層次更多，在快速切換風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引擎經過不斷更新進化，已經具有強大的視覺效果和VR開發功能，與傳統動畫制作相比，使用UE4引擎渲染能節省大量時間，最近更新的軟件和插件能夠直接導入外部快速渲染的燈光和深度環境，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入，材質的節點參數仍然是基于程序代碼開發，比較程序化且不夠直白;軟件交叉導入和參數要求有些復雜，并且尚未實現實時關聯，在與建筑類軟件交互制作方面還需不斷完善相關功能。
3.4UE4游戲引擎制作幕墻虛擬現實
虛擬現實能夠滿足幕墻設計、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根據設計圖或設計師的構想制作1:1三維立體場景，通過佩戴專業的頭戴式顯示儀讓人身臨其境，在虛擬場景中仔細觀察設計的細節，對結構構造、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據，再次進行分析和比較，無需通過二維圖與三維模型的反復轉換，將設計的精力集中在設計構思上，充分發揮設計靈感。虛擬現實能幫助設計師表達設計構想，也能為決策者提供參與原創設計的機會，這是以往的平面圖等表現手法無法做到的。虛擬現實能讓參建各方參與細節問題討論，避免出現決策失誤，這對幕墻各個階段來說是非常有價值的。
4、幕墻虛擬現實的設計與實現
(1) 構建零部件三維模型
基礎零件、部件是幕墻可視化展示及交互、并運行其他功能的基礎，可采用熟悉的數字創作軟件DCC軟件進行構建，模型的質量及精細化程度直接影響幕墻展示的效果，并對幕墻漫游的速度產生較大的影響。對于不同類型幕墻應創建相應零件、部件模型，示例見圖3-7。
(2) 制作材質、貼圖及場景
將構建好的幕墻基礎三維模型直接在UE4中進行材質編輯，正確設置材質信息;然后在UE4引擎中構建燈光、環境等場景，以便燈光和環境獲得更逼真的效果。
(3) 基于UE4的虛擬交互設計
幕墻虛擬現實的交互控制功能主要在UE4引擎中進行設置和開發，這也是整個虛擬環境的最關鍵和復雜的部分。將準備好的模型文件導入UE4引擎中，采用C++編程或藍圖技術進行交互設計。UE4支持C+ +腳本語言，可通過腳本實現模型對象或其他按鈕之間的交互邏輯控制，同時也可通過調用API接口對輸入輸出進行控制。將腳本掛載至對應的Game Object并設置相應的觸發方式即可實現模型的裝配、拆卸及相關參數測量的交互功能。對于一些簡單的交互功能也可以通過藍圖直接設計。
(4) 項目網頁發布。
UE4支持多個平臺的項目發布。通過設置發布網頁相關參數，即可將功能完整的幕墻拆裝過程發布成網頁的形式。
(5) 結合現有硬件設備，搭建基于網絡的虛擬
實現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，比以往更快地將設計構想以視覺化方式呈現，并減少團隊理解上的分歧。
5、結語
UE4游戲引擎具有豐富的編輯功能及設置功能，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，彌補了傳統軟件可見效果和輸出效果不一致的缺點，在虛擬現實動畫制作的質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實動畫中的應用具有無限廣闊的前景。
參考文獻
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作者單位：中國建筑科學研究院有限公司
