基于UDK的虚拟现实技术在室内设计中的应用与研究.doc

基于 UDK 的虚拟现实技术在室内设计中的应用与研究刘康平（上海应用技术学院，上海201418）摘要：本文介绍了目前主流的可视化开发工具，结合 3ds Max 和 UDK（Unreal Development Kit）的虚拟现实技术问 题进行了研究，以一个客厅样板房为实际参考模型，探讨了三维场景管理、材质及模型导入等关键问题。重点介绍三维 场景中烘焙贴图的制作方法和用 UDK 实现漫游功能的技术问题，最终实现了一个三维虚拟样板房漫游系统，能使客户 直观的了解设计方案和切实效果，在室内设计领域内有着极其巨大的应用前景。关键词：UDK；虚拟现实技术；室内设计；漫游中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 18-0001-04当今的房地产业发展十分成熟，随之带动室内设计行业的竞争激烈，传统的平面效果图、沙盘模型、样板房及 漫游动画已不能满足消费者的需求，作为一种最直观的设 计表现的技术手段，虚拟现实技术已经成为设计师和客户 交流沟通、展示的平台，与传统的设计表现方法相比，设 计方案的交流更为高效，能更好的满足客户要求等特点。 虚拟现实技术也将成为室内设计表现和展示的最佳方式。1设计软件介绍1.1 UDK（Unreal Development Kit）UDK 是基于 Unreal3 引擎（虚幻游戏引擎第三代）的 免费版开发工具，是一套为 DirectX 9/10 PC、Xbox 360、 PlayStation 3 平台准备的完整的游戏开发构架，支持 64 位 HDR 高精度动态渲染、多种类光照和高级动态阴影特效， 可以在低多边形数量(通常在 500015000 多边形)的模型上 表现出数百万个多边形模型才有的高精度，这样就可以用最低的计算资源做到极高画质渲染，符合虚拟场景的真实感要求。在本次研究中，笔者运用 UDK 进行室内虚拟场景构 建及场景浏览功能的实现，是体现虚拟现实技术的最佳工 具之一。1.2 3ds Max3ds Max 是 3D Studio Max 软件的简称，是 Autodesk 公司开发的基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件。广 泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、 游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。2漫游系统的制作流程本次研究主要是针对虚拟现实技术的讨论与研究，笔 者在一套现成的三维室内客厅模型素材的基础上，进行针 对性的修改与制作以适应虚拟现实系统的需求。模型包括地板、墙壁、地板等主体部分形成客厅和餐厅的格局，配 合沙发、茶几、餐桌、饰品等模型丰富场景的细节。本系 统开发流程如图 2.1 所示。本系统采用 3dsMax、Photoshop、CrazyBump 等工具构建三维场景，利用 UDK 实现场景漫游。具体工作步骤 包括三维模形的修改、模型 UV（贴图坐标）的分展、光 影贴图的烘焙、法线贴图的制作、模型与贴图的导出、UDK 静态模型及贴图的导入、UDK 材质的制作、UDK 虚拟场 景搭建、场景漫游实现等。3系统制作流程的关键技术3.1 模型素材的修改（1）模型面数的简化。本次研究的三维室内模型雏形 是一套现成的 max 高精度模型，整体模型的面数高达 84万个面，由于原模型是以制作并渲染一张平面的效果图为目的，面数的高低对于单帧的效果图渲染来说并没有什么 问题；但是作为以实时渲染为渲染核心的虚拟现实技术来讲，并且只是表现一个室内客厅的小场景，84 万个面过高 了，显然增加了硬件的负担，成为累赘。所以，原模型面 数必须“瘦身”。以一个三人长发为例，原模型的面数大约 5.6 万个三角面，在保证原模型整体形态不变的前提下，尽量减少多 余的面数，最终将其控制在 1 万面左右。面数简化的方法 主要有两个：一是删除不起造型作用或作用不明显的面所 在的线段；二是删除看不到的面，如沙发的底面和坐垫的底面等，如图 3.1。图 3.1 删除多余的面（2）模型 UV 的修改.为了正确的显示贴图纹理，每个原模型都制定有一套 UV（贴图坐标），但满足不了之后 灯光贴图的烘焙要求，所以需要为每个模型增加制定一套图 2.1 系统的制作流程无重叠的，同时有又要保留原有的，其方法是为模型增加一个新的贴图通道“2”（默认的贴图通道为“1”）， 在“2”通道中运用“uvw 展开”命令展平，如图 3.2。 这样，场景的模型既拥有表现贴图纹理的 UV，又有表现 灯光贴图的 UV，并且两套 UV 并不冲突。这种“复合 UV” 的技术在当今的游戏领域十分流行，比较先进。最后，将 修改好的模型逐个导出为 ASE 模型文件，该格式是之后的 UDK 引擎支持的模型格式。中，贴图烘焙技术就是一个很好的解决方法，烘焙技术可以将 VRay 的光照信息渲染成贴图，得到的贴图就拥有较 好的灯光效果，同时支持在 UDK 引擎中的使用，使得能 在 UDK 中体现 VRay 级别的光影效果。如图 3.3图 3.3 地板的纹理贴图和烘焙的 Vray 灯光贴图以地板模型为例，贴图烘焙的基本方法是：1）在 max 文件中，选中地板模型，按快捷键“0”弹 出的烘焙命令面板（Render To Textures 命令），选择烘焙贴 图的贴图通道，即模型的第二套 UV 的通道“2”；2）选择需要烘焙的贴图类型，这里我们选择“VR 灯光贴图”；3）选择合适的贴图的大小，512*512（像素），进行“渲 染”，如图 3.4图 3.2 两个通道中的 UV3.2 贴图素材的制作与整理贴图是物体表面的纹理，利用贴图可以不用增加模型 的复杂程度而突出表现对象细节，同时增加模型的质感，完善模型的造型，使创建的三维场景更接近现实。（1）烘焙灯光贴图。贴图烘焙技术也叫 Render To Textures，简单地说就是一种把 max 光照信息渲染成贴图 的方式，而后把这个烘焙后的贴图再贴回到场景中去的技 术。这样的话光照信息变成了贴图，不需要 CPU 再去费时 的计算了，只要计算普通的贴图就可以了，所以速度极快。 贴图烘焙技术对于静帧来讲意义不大，这种技术主要应用 于游戏、虚拟现实、建筑漫游动画领域。原始 max 模型素材中采用 VRay 渲染插件进行渲染。 VRay 特点是渲染速度快，在表现一些特殊的效果，如次表 面散射、光迹追踪、焦散、全局照明等效果十分突出，所 以，在室内设计、建筑设计、灯光设计、展示设计等多个 领域应用广泛。然而，这种高级的渲染插件并不支持实时 渲染，所以在游戏和虚拟现实等领域并不支持。为保留 VRay 强大的渲染效果，同时又能将其应用于虚拟现实技术图 3.4（2）制作法线贴图.法线贴图（Normals Map）是可以应用到 3D 表面的特殊纹理，不同于以往的纹理只可以用于 2D 表面。作为凹凸纹理的扩展，它包括了每个像素的高度值，内含许多细节的表面信息，能够在平平无奇的物体上，创建出许多种特殊的立体外形。法线贴图是最近比 较被关注的技术，也将成为以后 CG 领域的一大主流技术， 也就是游戏界被称为的次世代技术。法线贴图是一种显示三维模型更多细节的重要方法，它解算了模型表面因为灯光而产生的细节。这是一种二维的效果，所以它不会改变模型的形状，但是它可以表现出轮廓线内的丰富细节。制作法线贴图的方法主要有两种：一种是将具有高细 节的模型通过映射烘焙出法线贴图，贴在低端模型的法线贴图通道上；另一种是通过专用软件将原有的材质纹理贴 图转化成法线贴图，根据案例的情况而言，笔者在主要采 用了后者。利用 CrayBump 软件可以将表面有细微凹凸效 果的材质纹理，如皮革，转化成法线贴图，如图 3.5如图 3.6图 3.6 内容浏览器面板和素材导入（2）UDK 基础材质的制作与应用.UDK 中新导入的静态模型并没有材质来表现贴图，所以需要为每个模型创建对应的材质，并将对应的贴图载入材质，将制作完成的材质制定给对应的静态模型。基本方法为：1）打开内容浏览器，在对应的资源包中创建新的材质“CreatNewMaterial”；2）在弹出打开的材质编辑器中将对应的贴图载入，并 将其连接至材质对应“Diffuse”即漫反射通道，如图 3.7 所示。完成一个材质的制作后，需要将该材质应用于场景中所对应的静态模型：选择并双击对应的静态模型，打开其 属性面板即“StaticMesh Actor Properties”，在材质插槽位 置填入对应的材质路径名称，如图 3.8图 3.5Crazybump 制作的皮革的法线贴图和效果（3）贴图的整理。UDK 支持 TGA 格式的 2D 贴图和3D 贴图，由于 TGA 格式的贴图可以保存 4 个通道即 R、 G、B 和 Alpha 通道，这样可以表现出更好的材质效果，故 笔者采用 TGA 格式，并且贴图尺寸大小只支持见方为 2的 N 次幂，如 256*256、512*512.，以此类推，所以所有 的贴图包括表现质感纹理贴图和表现光照效果的灯光烘焙 贴图都经 Photoshop 的修改和调整为 TGA 格式。根据室内场景的实际情况，将贴图类型简单分为：家具、地板、金属、墙壁、玻璃、皮质、布衣等。3.3 利用 UDK 制作虚拟场景（1）静态模型及贴图的导入与场景建构。在 UDK 编 辑器中由 Content Browser(内容浏览器)来管理静态模型、贴图和材质等资源，在静态模型浏览器中，可以打开任何 一个资源包，进入其中查找自己想要的模型，也可以创建 一个个人与案例相关的资源包，在新建的资源包中将上一 小节中导出的多个 ASE 模型导入其中，方便管理；同样在资源包中也能导入 TGA 格式的贴图资源。其基本方法为：1）在 UDK 的菜单上选择“View”-“BrowserWindows”-“ContentBrowser”，打开内容浏览器；2）点击内容浏览器的 Import 按钮，创建一个新的资 源包（Packge），导入利用 3dsMax、Photoshop 等制作的静态模型及贴图资源。静态模型导入后，新建一个空白场景，可以直接将模 型从内容浏览器中拖放至场景，将静态模型属性中的位置（Location）都归零，此时的模型位置与 max 中该模型的位置想对应，然后调整其模型的显示大小（Display）即可。图 3.7 漫反射通道的贴图连接和模型赋予材质的效果图 3.8 材质应用与模型（3）复合 UV 技术的应用与材质制作与应用。在本文 的前小节（3.1（1）中我们提到的“复合 UV”的技术， 这种技术使模型拥有表现贴图纹理信息和表现灯光贴图的信息的两套或两套以上的 UV，这样使得模型在没有任何 光照的情况下，既能高精度地体现贴图的纹理，又能表现 突出的光影效果。所以我们在制作材质时，要将纹理贴图 和烘焙的灯光贴图分别指定模型对应的 UV 通道中，其基本方法为：1）在上一步的基础上，分别载入纹理贴图和灯光贴图共两张，右单击鼠创建一个“Add”（相加）的材质表达式，以此合并两张贴图。2 ） 分 别 在 两 个 贴 图 后 面 创 建 两 个 名 为“TextureCoordinate”（贴图坐标）的材质表达式，将其中对应光影贴图的贴图通道由“0”改为“1”，这里的“1”通道就是对应 max 中该 UV 贴图通道“2”。3）将合并后的“Add”表达式链接至对应的材质通道，完成制作。4）如果该材质有凹凸效果，则将对应的法线贴图链接至“Normal”的材质通道即可，如图 3.9 所示。其材质的应用方法与基础材质一致。UDK 引擎 提 供 几 种 场景 漫游的 运 行模 式 如 ：“ UDKGame ” 模 式 ， 用于 第一 人 称 的漫游模 式 、“UTDeathmatch”模式，用于第一人称的战斗模式等十余种，同样支持用户自定义的模式，这种模式需要用户编写UDK 的脚本语言来实现，笔者在这方面就不做介绍了。实现室内 场景 的 浏览 ， 可以 利 用引擎 自 带的 “UDKGame 模式”即第一人称的漫游模式即可：打开场 景的“世界属性”即“World Properties”在“游戏模式” 即“GameType”一栏中选择“UDKGame”模式，如图 3.11 所示。图 3.9 沙发材质的制作和沙发的效果（4）发射效果的材质制作。在客厅场景中有许多反射 的材质效果，比如玻璃的透明与反射，金属的反射等，而 且这些效果必须随着漫游的过程实时更新，这就需要制作一种特殊的动态反射的材质和贴图来表现该效果。 以客厅茶几玻璃为例，制作一个带有透明和反射效果的材质，其基本方法为：1）首先在茶几玻璃的表面位置创建一个可以动态反射 场景信息的“Actor”，即“SceneCaptureRelectActor”，该 组件就像一面镜子可以实时反射当前位置的反射信息。2 ） 在 内 容 浏 览 器 中 新 建 一 个 名 为 “TextureRenderTarget2D”反射贴图，将其配置给之前创 建的“SceneCaptureRelectActor”组件中，这样这张贴图就 能实时地反射该组件所在位置的反射信息。3）为“TextureRenderTarget2D”贴图创建对应的材质， 将该贴图链接至材质的 Diffuse 通道；再添加两个材质表达 式来调整该反射贴图的 UV ，即“ComponentMask ”和 “ScreenPosition”。4）在其 Opacity 通道即“透明”通道中链接一个浅灰 色的常数，材质有半透明效果，材质的透明效果以黑、白、灰分别代表透明、不透明和半透明。完成的玻璃材质如图3.10 所示。反射效果的材质的应用方法与基础材质一致。图 3.11 场景漫游的运行模式选择和漫游预览图4总结本次研究构建虚拟现实系统的工作主要包括：制作适合虚拟现实技术应用的三维模型、贴图制作、场景构建、自动浏览等。本系统通过应用 UDK 工具，通过 UV 贴图、法线贴图等手段，利用低多边形建模实现了