图片由Muhammad Hegazy提供

让光芒普照:虚幻如何帮我们设计更健康的空间

Pierre-Felix Breton |
2022年2月25日
研究表明,即使是在疫情爆发前,我们有90%的时间都是在室内度过的。这无疑会对我们的健康产生负面影响。接触到的阳光减少会导致维生素D和血清素水平降低,从而引发抑郁、工作效率低、睡眠质量差等问题,甚至还会增加患癌风险。

幸运的是,建筑师兼大阪大学工程学研究生院项目的研究员Muhammad Hegazy给出了解决方案。从2018年以来,他就与安福健祐副教授以及阿部浩和教授合作,探索在最大程度利用自然光时,虚幻引擎如何帮助建筑师做出更明智的决定。
图片由Muhammad Hegazy提供
如今,他的研究成果造就了一个以人为本的照明系统,该系统不仅收获了多项国际大奖,还成了各种出版物和大会上的焦点,其中就包括IEEE虚拟现实大会、卢克斯日光研讨会、BuildSim北欧大会和《亚洲建筑与建筑工程》杂志。

创意的火花

“当建筑物施工完毕后,改善照明通常是复杂而昂贵的,”Hegazy解释说,“相反,最好能够准确地预先设想空间的外观,以便建筑师在开始施工前选择能够改善大多数人的幸福感的设计。”

为了弄清楚对人们最有利的设计,照明设计师和研究员通常会为空间渲染一套全景HDR图像,然后请未来的住户在问卷中详细描述他们对不同类型照明的看法。问题是,2D图像和真实建筑之间往往存在着很大的差异,尤其是,受天气或当日时间等因素的影响,同一建筑物的外观和感觉可能会变得不同。

“我希望我们的项目能够超越这些HDR研究的限制,”Hegazy继续说,“我知道虚幻引擎已开始成为实时建筑可视化的首选工具,也发现当要实现阳光和天窗等基于物理的照明时,它在真实感方面要远远优于任何其他解决方案。我决定不使用静态HDR图像,而是通过虚幻引擎创建一套虚拟环境,让住户实时穿行、互动和定制。我希望他们能够在体验虚拟空间的同时对照明提出反馈意见。”

检验理论

Hegazy很快就创建了一套沉浸式可视化系统,用于在VR中感受日光,他认为,这在理论上将帮助照明设计师和建筑师更快地创造更健康的室内空间。为了测试这个系统,他决定为路易斯·康的金贝尔艺术博物馆创建一个虚拟模型,该博物馆凭借精巧而复杂的照明设计而闻名。
图片由Muhammad Hegazy提供
“创建博物馆的虚拟模型是件很困难的事。”Hegazy回忆说。幸运的是,该博物馆作为一座建筑遗产得到了高度认可,Hegazy可以依靠大量现有的技术图纸和记录来帮助自己完成这件事。利用这些参考资料,他在AutoCAD中创建了该建筑物的2D平面图,然后导出到3ds Max中创建3D几何体和初步材料。

下一步是将模型从3ds Max转移到虚幻引擎中。“使用Datasmith插件,这就很容易了,它可以正确地将所有网格体导出到虚幻引擎,并且无需做太多优化,”Hegazy解释说,“然后我们使用SunSky在虚幻引擎中准确地设置了太阳的位置、亮度和色调。之后,我们使用蓝图为虚拟博物馆的所有体验者创建了一系列互动,例如行走、跳跃或改变当日时间。这意味着无需编写C++代码,我们就可以在不同的照明条件下提供更丰富的空间体验。
 
图片由Muhammad Hegazy提供

除了跑步、跳跃和切换时间外,在VR中体验Hegazy虚拟博物馆的用户还可以为空间拍摄快照,然后针对每个镜头中的照明感受提出实时反馈。作为必要的验证步骤,项目的第二阶段对真实博物馆中的日光感受展开了对比研究,Hegazy将其与使用了相同时空设置的虚拟副本做了比较。

创建更健康的环境

当博物馆项目结束时,Hegazy发现,尽管VR硬件在视野和亮度方面存在限制,但人类在虚拟空间和真实空间中所感受到的日光并无明显不同。两种环境中的参与者都准确地指出了类似的关注区域,并在亮度方面给出了相似的评价。

“这项发现意义重大,因为它证实了虚拟环境可用于准确改善建筑空间的照明,”Hegazy解释说,“这不仅有可能在现实世界中为我们的身心健康带来巨大好处,还意味着当我们在元宇宙的虚拟环境构中建新一代人类体验时,已经能达到足够的真实性和互动性水平。”
 
图片由Muhammad Hegazy提供

在Hegazy看来,随着Lumen(虚幻引擎5的动态全局光照和反射系统)的推出,这一切还将走得更远。
“Lumen不仅是游戏行业的颠覆者,它革命性的方法也可广泛应用于建筑可视化和照明设计中。”Hegazy说,“在我们的行业中,要获得正确的反馈,准确地表示光线并提高人们的沉浸感是十分必要的。有了Lumen,我们能得到实时的动态照明,并且不需要像过去那样,因为在性能上做出妥协而受到阻碍。”

最直接的使用案例包括模拟场景中一整天的光照和天空状况,不再需要将一切都固定到某个日光场景中。虽然这些变化最初可能是由团队推动的,但Hegazy认为在未来,互动工具会被内置到模拟中,参与者可以随时改变条件,使用更广泛的变量进行测试并登记反馈。
 
设计与模型由Safdie Architects提供

“我们制作的场景越具动态性,就能获得越多的数据,了解人们如何与之互动。Lumen将帮助我们更快地实现这一目标。”

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