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統(tǒng)計(jì)指出，在疫情之前，許多企業(yè)員工有90%的時(shí)間都在室內(nèi)辦公。隨著疫情的全世界傳播，這一狀況正在加劇。這無疑對(duì)人們的健康產(chǎn)生了不利影響。沒有充足的日曬會(huì)導(dǎo)致維生素D和血清素水平降低，這最終會(huì)導(dǎo)致人產(chǎn)生抑郁情緒、生產(chǎn)力低下、睡眠質(zhì)量差，甚至增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。

大阪大學(xué)工程研究生院的建筑師兼研究員Muhammad Hegazy針對(duì)此問題提出了一項(xiàng)解決方案。自2018年以來，他與副教授Kensuke Yasufuku和教授Hirokazu Abe合作，探索如何使用虛幻引擎幫助建筑師在最大限度地利用自然光。

他的研究成果是以人為中心的照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)獲得了多個(gè)國際獎(jiǎng)項(xiàng)，并在眾多出版物和會(huì)議上亮相（其中包含IEEE虛擬現(xiàn)實(shí)會(huì)議，威盧克斯日光研討會(huì)、BuildSim北歐會(huì)議和《亞洲建筑和建筑工程雜志》）。

Hegazy解釋到：“一旦建筑建成，改善照明系統(tǒng)將變得復(fù)雜且昂貴。相反，如果在建筑設(shè)計(jì)初期就能明確地確定下整個(gè)建筑的照明系統(tǒng)，這樣建筑師就可以在施工開始前選擇較為合理的照明設(shè)計(jì)。”

為了找出什么樣的照明系統(tǒng)使人們以最為舒適光照進(jìn)行工作，建筑的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和研究人員通常會(huì)渲染一個(gè)建筑空間的全景HDR圖像，然后他們會(huì)向建筑使用者發(fā)送一份問卷，問卷中會(huì)提及使用者對(duì)不同照明類型的感受。而如今他們面臨的問題則是，2D的圖像和現(xiàn)實(shí)世界的建筑之間往往有很大的差異——尤其是隨天氣或一天中因不同時(shí)間等因素而實(shí)時(shí)變化的光照。

“我希望我們的項(xiàng)目能夠超越這些關(guān)于HDR研究的局限，”Hegazy繼續(xù)說道。“我意識(shí)到虛幻引擎正在成為實(shí)時(shí)建筑可視化的首選工具，我發(fā)現(xiàn)該引擎對(duì)基于物理的照明（包括陽光和天光）的實(shí)現(xiàn)在真實(shí)感方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何其他解決方案。由于此方案需要代替靜態(tài)的HDR圖像，我決定使用虛幻引擎來創(chuàng)建一個(gè)虛擬的環(huán)境，體驗(yàn)者們可以在其中穿行，互動(dòng)和進(jìn)行實(shí)時(shí)定制。我希望他們能夠在體驗(yàn)虛擬空間的同時(shí)為我們提供對(duì)此套照明系統(tǒng)的反饋。”

檢驗(yàn)理論

Hegazy創(chuàng)建了一個(gè)沉浸式可視化系統(tǒng)，用于在VR中感知日光，他認(rèn)為這將有助于照明設(shè)計(jì)師和建筑師更快地創(chuàng)造更健康的室內(nèi)空間。為了測試這個(gè)系統(tǒng)，他決定以路易斯·康的金貝爾藝術(shù)博物館為原型創(chuàng)建虛擬模型，該藝術(shù)博物館以精致復(fù)雜的照明設(shè)計(jì)而聞名。

“創(chuàng)建博物館的虛擬模型很棘手，”Hegazy回憶道。幸運(yùn)的是，由于博物館使用的是廢棄建筑建造而成，這讓Hegazy可以依靠大量可用的技術(shù)圖紙和文檔來為自己提供參考。通過使用這些參考，他在AutoCAD中創(chuàng)建了建筑的2D平面圖，然后將其導(dǎo)出到3ds Max以創(chuàng)建3D幾何圖形和初步材質(zhì)。

當(dāng)一切都創(chuàng)建完成，下一步就是將模型從3ds Max轉(zhuǎn)移到Unreal Engine。“使用DataSMIth插件非常容易，它可以正確地將所有網(wǎng)格從從3ds Max導(dǎo)出到虛幻引擎，而不需要太多優(yōu)化，”Hegazy解釋道。“然后，我們使用SunSky在虛幻引擎中精確設(shè)置太陽的位置、亮度和色調(diào)。在此之后，我們使用藍(lán)圖功能為體驗(yàn)我們虛擬博物館的人們創(chuàng)建了大量的可互動(dòng)選項(xiàng)，如行走、跳躍或改變一天內(nèi)的時(shí)間等。這意味著我們可以在不同的照明條件下提供更豐富的空間體驗(yàn)，而無需編寫C++代碼。”

除了奔跑、跳躍和時(shí)間轉(zhuǎn)換，在VR中體驗(yàn)Hegazy虛擬博物館的用戶還可以拍攝空間快照，然后他們可以對(duì)每個(gè)鏡頭中的照明感知給出實(shí)時(shí)反饋。作為必要的驗(yàn)證步驟，該項(xiàng)目的第二階段是對(duì)真實(shí)博物館中的日光感知進(jìn)行比較研究，Hegazy使用相同的時(shí)空設(shè)置將其與虛擬復(fù)制品進(jìn)行比較。

創(chuàng)造更健康的室內(nèi)環(huán)境

在博物館項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，Hegazy發(fā)現(xiàn)，盡管VR硬件在視野和亮度方面有所限制，但體驗(yàn)者們在對(duì)虛擬空間的日光感知與真實(shí)空間中并沒有明顯差異。兩種環(huán)境中的體驗(yàn)者們都指出了相似的興趣區(qū)域，并根據(jù)亮度對(duì)它們進(jìn)行了相似的評(píng)級(jí)。

“這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因?yàn)樗C實(shí)了虛擬環(huán)境是改善建筑空間照明的一種準(zhǔn)確方式，”Hegazy解釋道。“這不僅有可能極大地有益于現(xiàn)實(shí)世界中我們的精神和身體健康。這也意味著我們現(xiàn)在擁有了在元宇宙中通過虛擬環(huán)境構(gòu)建下一代體驗(yàn)所需的現(xiàn)實(shí)主義和互動(dòng)水平。”

在Hegazy看來，隨著虛幻引擎5的動(dòng)態(tài)全局照明和反射系統(tǒng)Lumen的引入，這項(xiàng)研究將得到進(jìn)一步的推動(dòng)。

“Lumen不僅是游戲行業(yè)的規(guī)則改變者，它的革命性方法也可以在archviz和照明設(shè)計(jì)方面有很好的應(yīng)用，”Hegazy說。“在我們的工作中，光表現(xiàn)的準(zhǔn)確性和個(gè)人體驗(yàn)的沉浸感對(duì)于準(zhǔn)確的反饋是至關(guān)重要的。借助Lumen，我們可以獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)照明，而不會(huì)像過去那樣影響性能。”

虛幻引擎直接的用例包括模擬一整天的光照和天氣條件，這讓我們不再局限于正常的日光場景。雖然這些變化最初可能是由團(tuán)隊(duì)推動(dòng)的，但Hegazy認(rèn)為，在未來，交互式工具將內(nèi)置于模擬中，因此體驗(yàn)者可以隨時(shí)改變條件，并方便研究者在更廣泛的變量下記錄體驗(yàn)者的體驗(yàn)反饋。

“我們創(chuàng)造的場景越有活力，我們就能獲得越多關(guān)于人們?nèi)绾闻c場景互動(dòng)的數(shù)據(jù)。虛幻引擎將幫助我們更快地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”Hegazy說道。