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摘要：采用传统方法进行幕墙动画制作效率低下，且不能进行交互操作。采用UE4游戏引擎的C++及蓝图编程技术进行幕墙虚拟现实制作，不仅丰富视频层次、提高制作渲染效率、达到影视级实时漫游，还能实现互方式处理，并能以网页形式发布。提出的UE4游戏引擎对幕墙虚拟现实开发技术优势明显，具有推广应用价值。
关键字：幕墙;UE4;虚拟现实;可视化
1、概述
虚拟现实(Vituai Reality，VR)是一种具有三维立体效果的虚拟仿真环境，具有沉浸式交互多通道感知等特性。虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术、语音输入输出技术及仿真技术等，也是力学、数学、光学、机构运动学等学科的综合应用。虚拟现实的最大特点是可以与虚拟环境进行人机交互，将被动式观看变成更逼真的体验互动。
数字媒体时代，幕墙可视化制作手段和传播媒介均出现了巨大的变化，尤其是近几年因游戏行业的兴起，给三维动画领域带来了巨大的冲击。常规三维动画软件的操作难度大、视觉效果差，而游戏引擎另辟蹊径，采用多种先进技术，无论效果还是效率上都比常规三维动画制软件提高一个层次，在多个领域的应用中取得良好的业绩。
目前应用比较广泛游戏引擎有两种，下面简单加以介绍：
虚幻引擎4(Unreal Engine 4，UE4)是EpicGamas公司开发的一款游戏引擎，是以C++为核心代码的游戏开发集成工具，具有强大的建模和渲染能力。用于幕墙虚拟现实具有其它引擎无法比拟的优势。随着互联网的普及及其技术的不断成熟，采用UE4与VR技术结合，可以进行网络发布，实现VR网络体验。
Unity3D是由UnityTechnologies公司开发的专业跨平虚拟现实引擎。Unity3D具有精简、直观的工作流程，功能强大的工具集，使得虚拟现实模块的开发周期大幅度缩短。通过3D模型、贴图、图像、视频、声音等相关资源整合，借助Unity场景构件模块，可以轻松实现对复杂虚拟现实的创建，并可在Windows、Mac 0SX、Linux等平台上运行。
UE4游戏引擎和Unity3D游戏引擎的比较见表1。
表1UE4游戏引擎和Unity3D游戏引擎的比较
虚拟现实技术已在网上看房、房产建筑动画片、虚拟楼盘电子楼书、虚拟现实演播室、虚拟现实舞台、虚拟场景、虚拟写字楼、虚拟营业厅、虚拟商业空间、三维虚拟选房、虚拟酒店、虚拟现实环境表现等诸多项目中应用，本文以UE4游戏引擎为例，探讨幕墙虚拟现实及可视化实现技术问题。
2、传统方法幕墙三维动画制作的困境
2.1三维动画制作
三维动画是目前幕墙可视化的主要手段，是数字媒体时代发展的产物。三维动画从简单的几何体模型到复杂的人物模型，单个的模型展示，到复杂的场景如道路、桥梁、隧道、市政、小区等线型工程和场地工程的景观设计表现的淋漓尽致。制作流程为建模、材质设置、灯光、动画、摄影机控制、渲染等，这是三维动画的制作特色。
制作三维动画通常需要MAYA、3DSMAX等三维建模动画软件、ZBrash等雕刻（词条“雕刻”由行业大百科提供）软件，Photoshop和SubstancePainter等材质和纹理软件，渲染出镜头之后到AE和PR制作后期镜头的剪辑和音效。三维动画的后期合成，主要是将之前所做的动画片段、声音等素材，按照分镜头剧本的设计，通过非线性编辑软件的编辑，最终生成动画影视文件。
2.2三维动画的制作难点
三维动画在软件中创造一个虚拟世界，包括场景、角色、灯光、材质，特效等，能够制作出高写实的场景和角色，其场景调度、灯光材质、高光、反光、凹凸、粗糙度、纹理结构等需要在每秒钟24帧的画面镜头变化中进行逐帧测试和渲染，这种耗时和技术难度是三维动画制作的致命弱点，因此需要开辟更合适的技术路线，以解决三维动画制作的难题。
3、UE4游戏引擎制作幕墙虚拟现实的优势
3.1 UE4引擎的发展现状
UE4引擎从1998年发行至今，UE4共经历了UE、UE2、UE2.5、UE3、UDK、UE4多个版本，它的迭代速度极快，现在已经到了4.26发行版。UE4的底层由C++实现，但是UE C++经过Epic的封装，难度不大，甚至会变得有趣。目前在游戏、建筑、电影等行业已经得到了广泛应用。UE4具有非常强大的图形处理能力，包括高级动态光照、全新粒子系统等。利用游戏引擎制作建筑模型，可以将建筑漫游游戏化。UE4的蓝图集成代码为非编程技术人员提供了便利，视效处理功能强大，摄像机镜头使用灵活且具剪辑功能，让这款引擎成为游戏制作的新锐，也是近年来动画和交互媒体制作的最佳选择。
UE4游戏引擎不仅具有比现存三维模型更加绚丽、逼真的材质贴图、渲染效果，还具有三维软件不具备的脚本程序功能和二次开发功能。通过UE4制作的建筑模型，能够通过程序语言实现一些基础的人机交互功能，实现开门、开关灯、上下电梯等现实中的动作和功能。通过UE4引擎制作的建筑漫游模型也可以直接在Oculos公司的虚拟现实头戴式显示仪显示，进行虚拟建筑漫游。
截至到目前，UE4的为适应建筑应用而开发的模块见表2。Twinmotion界面显示效果见图1和图2。
表2UE4建筑功能应用模块简介
图1Twinmotion显示界面 图2Twinmotion显示细节
3.2 UE4引擎渲染和后期效果
对于幕墙虚拟现实动画来说UE4引擎蓝图集成代码制作方式比较便捷且效率较高。主要表现在以下几个方面：
(1)材质创建。在UE4材质创建节点的展开中颜色、高光亮度、金属度、粗糙度和UV纹理等都和Maya中的节点使用和参数调整一致，使用比较方便。
(2)提高软件效率。在UE4游戏引擎中，对比较高阶和很耗时的粒子特效、全局光照、光线追踪、场景深度和高质量透明物体的反射折射等，采用与常规动画软件几乎一致的参数设置，效果也基本相同。
(3)后期视觉效果不需要渲染和构建。在UE4中，功能调试和屏幕显示就是最终输出效果。UE4的后期处理模块能够做到无论光线、风格怎样变化都不需要进行场景渲染和构建。UE4内置的镜头模块Matinee非线性编辑功能十分强大，在视频制作中进行相机镜头的创建、调度和应用。其动画编辑器提供了剪辑软件编辑功能，输出文件还可以再次加载到引擎中作为动态画面进行再编辑，操作灵活方便。再经过后期处理，能让视觉画面层次更多，在快速切换风格和相机镜头变化的过程中均不需要再次渲染，提高后期处理效率。传统三维软件渲染几周的效果，在UE4只需要几天甚至几个小时就能完成。
3.3 UE4引擎制作动画的效果
UE4引擎经过不断更新进化，已经具有强大的视觉效果和VR开发功能，与传统动画制作相比，使用UE4引擎渲染能节省大量时间，最近更新的软件和插件能够直接导入外部快速渲染的灯光和深度环境，在软件耗时方面性能提高了一个层次。
但UE4引擎制作动画也有不足之处，例如模型的搭建和动画制作需要从外部导入，材质的节点参数仍然是基于程序代码开发，比较程序化且不够直白;软件交叉导入和参数要求有些复杂，并且尚未实现实时关联，在与建筑类软件交互制作方面还需不断完善相关功能。
3.4UE4游戏引擎制作幕墙虚拟现实
虚拟现实能够满足幕墙设计、施工和验收等各个阶段的可视化需求，提供最佳的解决方案。UE4根据设计图或设计师的构想制作1:1三维立体场景，通过佩戴专业的头戴式显示仪让人身临其境，在虚拟场景中仔细观察设计的细节，对结构构造、材料、颜色和位置等都可以进行全面直观的了解和分析，并且可以直接更改模型数据，再次进行分析和比较，无需通过二维图与三维模型的反复转换，将设计的精力集中在设计构思上，充分发挥设计灵感。虚拟现实能帮助设计师表达设计构想，也能为决策者提供参与原创设计的机会，这是以往的平面图等表现手法无法做到的。虚拟现实能让参建各方参与细节问题讨论，避免出现决策失误，这对幕墙各个阶段来说是非常有价值的。
4、幕墙虚拟现实的设计与实现
(1) 构建零部件三维模型
基础零件、部件是幕墙可视化展示及交互、并运行其他功能的基础，可采用熟悉的数字创作软件DCC软件进行构建，模型的质量及精细化程度直接影响幕墙展示的效果，并对幕墙漫游的速度产生较大的影响。对于不同类型幕墙应创建相应零件、部件模型，示例见图3-7。
(2) 制作材质、贴图及场景
将构建好的幕墙基础三维模型直接在UE4中进行材质编辑，正确设置材质信息;然后在UE4引擎中构建灯光、环境等场景，以便灯光和环境获得更逼真的效果。
(3) 基于UE4的虚拟交互设计
幕墙虚拟现实的交互控制功能主要在UE4引擎中进行设置和开发，这也是整个虚拟环境的最关键和复杂的部分。将准备好的模型文件导入UE4引擎中，采用C++编程或蓝图技术进行交互设计。UE4支持C+ +脚本语言，可通过脚本实现模型对象或其他按钮之间的交互逻辑控制，同时也可通过调用API接口对输入输出进行控制。将脚本挂载至对应的Game Object并设置相应的触发方式即可实现模型的装配、拆卸及相关参数测量的交互功能。对于一些简单的交互功能也可以通过蓝图直接设计。
(4) 项目网页发布。
UE4支持多个平台的项目发布。通过设置发布网页相关参数，即可将功能完整的幕墙拆装过程发布成网页的形式。
(5) 结合现有硬件设备，搭建基于网络的虚拟
实现幕墙拆装过程的虚拟3D展示与交互。使用UE4生成的交互式VR实景漫游可用于从最初概念图到最终客户评审的整个流程，比以往更快地将设计构想以视觉化方式呈现，并减少团队理解上的分歧。
5、结语
UE4游戏引擎具有丰富的编辑功能及设置功能，尤其是实时渲染功能十分强大，所见即所得，在视觉效果上能达到影视级别的渲染精度和光感，弥补了传统软件可见效果和输出效果不一致的缺点，在虚拟现实动画制作的质量和效率方面均是巨大的飞跃，因此UE4游戏引擎在幕墙虚拟现实动画中的应用具有无限广阔的前景。
参考文献
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[2] 姜仁 王严艺 韩智勇等.幕墙BIM模型定制技术及其应用.全国幕墙门窗行业论文集，2015.3
[3] 姜仁 付震 韩智勇等.BIM助力幕墙工业化.建筑门窗幕墙创新与发展(2017年卷).北京：中国建材工业出版社，2018.2
[4]刘征宏林芸邵红雁.基于UE4的机械设计网络虚拟实验平台设计.贵阳学院学报(自然科学版).第14卷第3期,2019年9月
作者单位：中国建筑科学研究院有限公司
