摘要:借助目前对虚拟现实技术的研究与应用，以具体案例作为载体，用AutoCAD，Skechup，UE4引擎作为实施工具，探索建筑结构在表达方面更多的可能性，完成一套可以在多平台的建筑结构可视化交互的操作程序，以期进一步降低建筑设计师在建筑结构表现方面应用虚拟现实技术的成本。
关键词:结构可视化，虚拟现实技术，UE4
1UE4的概述及特点
UnrealEngine4是EPIC公司旗下一款强大的游戏引擎，主要供游戏开发人员使用，但因其强大的建模和渲染功能，也被用作建筑可视化的技术手段，进而成为设计师在进行建筑设计时不可或缺的辅助工具。在建筑可视化方面，UE4较其他建筑设计软件具有以下几点优势:1)实时渲染和PBR材质系统:能够使体验者与设计者在真实的建筑场景中进行创作。2)C++模式和蓝图模式:其独具的蓝图模式能够让设计者在没有C语言的基础下快速的掌握引擎运作性能并进行高仿真度的模型交互模拟。3)多平台兼容:传统建筑漫游软件用户需凭借固定的引擎打开文件，而UE4能够HT-ML5，Android和Windows等多种格式供给用户使用。
2建筑结构可视化交互的意义
结构作为保持建筑物的外部形态与形成内部空间的骨架，其设计表达却还处于半自动化状态。从概念到方案设计师要不断地将三维模型向二维图纸转换，供客户或者其他专业的设计师进行分析与优化。整个设计过程给设计师带来了不小的难度和不必要的重复性劳动。近几年，因城市空间的极具缩减，对建筑结构的设计要求更高，设计也更加的复杂。仅凭二维的图纸表现，不足以在建筑的大环境中对多个结构方案进行优劣的对比。为使建筑结构的分析环境更加逼真，将虚拟引擎系统应用到结构的设计表达中，从而增加结构表达直观性与真实性。通过Skechup建立三维模型，利用蓝图程序，使用纹理，相机，UI等节点，使建筑结构以三维虚拟模式在场景中显现出来，并实现模型的交互设计。最终实现一个，能看，能听，能互动的建筑结构可视化交互环境。
3UE4实现结构可视化交互的方法
对于小沧浪亭的建筑结构可视化交互系统的建立主要分为两个部分，漫游部分和交互部分，漫游部分主要是通过建筑设计师常用的Skechup软件建立三维模型，并导入到UE4中利用引擎中的材质和纹理对模型进行处理，使建筑结构能够以三维虚拟模式在场景中显现出来;交互部分则是将导入UE4的模型进行蓝图编程处理，利用纹理、相机、UI等节点实现模型的交互设计。最终实现一个，能看，能听，能操作的建筑结构可视化交互环境。其具体实现的方法和环节主要分为三大部分:三维建模环节、UE4优化模型环节和蓝图编程环节。具体流程如图1所示，笔者以苏州沧浪亭为例，对UE4实现建筑结构交互功能的方法进行阐述。
3．1建立三维模型环节
在结构可视化系统的建立中，总体分两个部分———建筑部分和场景部分;小沧浪亭的建筑部分自上而下主要分为坡屋面、椽、斗?和梁柱，其他还有家具与铺地，在此由使用最频繁操作最简单的二维软件AutoCAD和三维软件Skechup对其进行图纸的绘制和模型的建立(模型效果如图2所示)。建筑外部的场景部分则是由UE4本身具有的场地绘制系统进行建立，可以有效减少模型的面数，避免因模型文件内存过大而导致运行效果不佳。其主要操作事项有以下几点:1)建模简化:使用Skechup软件中简单的几何体对小沧浪亭的建筑结构、建筑围护和室内家具等物体进行建模;2)法线检查:建模过程中注意开启单色显示模式，保证模型的正面朝外;3)分类分组:根据制作需求在建模软件中将建筑构件进行分类与打组，并以英文进行组的命名;4)模型导出:以FBX格式导出模型文件。
3．2模型优化环节
将导出的FBX文件导入UE4后在出现的选项卡中取消自动生成碰撞选项，并对世界大纲界面里的Mesh进行分类Group管理。针对模型的材质部分，通过登录专业的网站搜寻下载需要的材质贴图。将贴图导入CrazyBump软件中，对材质进行法线纹理编辑和一定的高光处理，再将导出的纹理贴图结合UE4中蓝图模式的材质节点编辑功能，便足以在虚拟引擎中重现实景中的材质属性的表现效果，包括表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、折射率和发光度等等。例如小沧浪亭的主体材质主要为木材和石材，其材质表现的是自身的纹理及色彩，对外部周围环境的反射能力较弱甚至是没有(材质节点如图3所示)。对于场景内部的灯光布置，应尽量选择静态的PointLight，避免构建场景光照时运算量过大而导致操作的卡顿，在场景的局部添加反射捕获进行适当补光，用来增强场景的真实性。
3．3蓝图编程环节
建筑结构可视化交互系统分为两个互动关卡进行制作，两者之间通过Character和Pawn的碰撞事件进行相互联系，并都是依靠UE4的蓝图模式进行后台控制。第一关卡是自由场景漫游模式，在软件中搭建完场景后引入用户能够凭借键盘与鼠标进行简单操作的Character，在Charater的编辑蓝图中添加慢走、快走、跳跃和视角转换等适当的操作节点，并且将人物的动作幅度调控成实际人类的行为尺度，用以增强用户在虚拟世界中漫游的真实体验。当用户操作的Character触发场景中的Pawn碰撞后，用户便可进入第二关卡———结构互动。此关卡主要是对建筑结构进行细致的再现与表达。小沧浪亭的建筑结构主要是梁柱体系和起承担屋架重量的宋式斗?。通过蓝图将结构部件与Actor进行联系，再用节点进行事件的编辑，让用户可以利用鼠标的滑动与点击对模型结构进行缩放、更换与分解等互动操作(重要节点如图4所示)。两个关卡中都配有一定的UI设计，主要是操作说明界面和文字描述界面，用来补充三维模型表达的不足之处。最后待两个关卡设计好后，启动制作的蓝图程序，对UE4文件进行整体场景的运行编译，并对模型的表现和互动效果进行校验优化，确定无误后便可将文件导出为自己想要的文件格式。
4结论与展望
目前全国计算机行业在不断的发展，将虚拟现实技术运用到建筑结构设计领域是必然的趋势，在总结UE4辅助建筑可视化的基础上，进一步探究了UE4应用于建筑结构可视化交互应用设计的一些具体流程和操作方法。本文研究的结构形式较为基础，对于实践性较强的工程结构领域，其课题研究内容较多，对结构的受力特性与分析要求也较高，所以在虚拟现实技术的应用领域还需更加积极的研究与探索。其他领域方面，UE4虚幻引擎还可作为制作授教课件的辅助工具，打破高实践性课堂的文字与图片的单一教学模式，健全教学体系，加强理论和实践的联系，并在一定程度上提升发展学生的计算机能力，达到学以致用的教学目的。
参考文献:
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作者:马绍江 傅睿 单位:常州工学院
