基于UE4藍圖編程的建筑結構可視化交互應用設計研究

　　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，完成一套可以發布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

　　1 UE4 的概述及特點

　　Unreal Engine 4 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 能夠發布 HTML5，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。

　　3 UE4 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。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、斗栱和梁柱，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。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。對于場景內部 的燈光布置，應盡量選擇靜態的 Point Light，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栱。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。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。

　　建筑結構論文投稿期刊：《自動化與儀器儀表》雜志創刊于1981年，是由重慶市自動化與儀器儀表學會和重慶工業自動化儀表研究所主辦,其特點是學術水平高、實用性強、覆蓋面寬、發行量大、廣告效果好。

　　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。

　　參考文獻:

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　　[3] 張 博，剛芹果. 虛擬現實技術在結構分析中的應用 [D]. 保定: 河北大學碩士論文，2019.

　　作者：馬紹江

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