实时渲染技术在室内家居设计中的发展现状.pdf

Furniture001述综家具2023年第44卷第3期Furniture2023Vol.44No.3实时染技术在室内家居设计中的发展现状蒋叙，吴智慧（南京林业大学家居与工业设计学院，南京2 10 0 37）摘要：随着5G技术的不断发展，家居行业也利用了5C带来的便利，向着“所见即所得 这一目标发展。计算机技术正高速发展，实时染产品的画面质量也更加逼真，硬件、软件的不断优化使得产品制作变得简单、实时、高效，给用户带来更好的互动体验。将实时染技术融入到室内家居设计中，将给现代家居设计行业带来不一样的发展模式。结合消费者的真实体验，及时沟通家居场景的设定修改，将家装的全过程融入到展示设计平台中。从实时染技术的发展过程，结合虚幻引擎（Unreal Engine,UE)软件，对室内家居设计视觉真实感体验的可行性进行论述，并对其未来发展进行展望。关键词：实时染；虚拟现实；虚幻引擎；室内家居中图分类号：TS664文献标志码：A文章编号：10 0 0-46 2 9(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 6D0I:10.16610/ki.jiaju.2023.03.001The Development of Real-time Rendering Technologyin InteriorDesignJIANG Xu,WU Zhihui(College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)Abstract:With the continuous development of 5G technology,the home furnishing industry has developed towards thegoal ofwhat you see is what you getvia the convenience brought by 5G.With the rapid development of computer tech-nology,the image quality of real-time rendering products will become more realistic.The continuous optimization ofhardware and software will make the production of products simple,real-time and efficient,which will bring better inter-active experience to users.The integration of real-time rendering technology into interior design will bring a different de-velopment mode to the modern home design industry.In combination with the real experience of consumers and timelycommunicating the setting and modification of home scenes,the whole process of home decoration can be integrated intothe display design platform.The feasibility of visual reality experience of interior furniture design was discussed fromthe development process of real-time rendering technology in the paper.Its future development was also prospected incombination with UE(Unreal Engine)software.Key words:real time rendering;virtual reality;unreal engine;indoor furniture2021年一部名为失控玩家的电影走向大众眼帘，电影中主人公带上虚拟现实（VirtualReality，VR）头盔进入虚拟现实世界，再一次掀起虚拟现实体验的浪潮。玩家只需戴上VR头盔就能体验室内场景，获得逼真的现实体验感。而实时染技术让虚拟现实变为可能，“所见即所得”可以让家居行业在展示室内场景时，给予消费者更大程度的体验感，拉近与消费者之间的距离，增强消费者的购买欲。这种实时的效果显示加上一些漫游和交互体验，不仅能使消费者置身于真实购物环境，还能增强消费者购物的趣味性2 随着经济水平的提高，在追求个性化的同时，居住环境是否能保证方便快捷也是消费者所在意的重要因素。传统的家装展示形式主要包括文字、平面立面效果图、细节动画、产品演示等，然而这些传统的展示形式不能很好地展示所有产品细节，很难展示产品所用的材质，更无法随心所欲地实时搭配组合家具門1宣染技术的类型与特征1.1染技术的概念染（Rendering)是指在特定观察视角下的二基金项目：“十三五国家重点研发计划项目课题（2 0 18 YFD0600304）；教育部2 0 2 1年产学合作协同育人项目（2 0 2 10 1148 0 0 2）。作者简介：蒋叙（19 9 6 一），男，硕士研究生，研究方向为家具设计与工程。E-mail：j i a n g x u 8 40 16 3.c o m。通信作者：吴智慧（19 6 3一），男，教授，研究方向为家具设计与工程。E-mail:。引文格式：蒋叙，吴智慧.实时染技术在室内家居设计中的发展现状J.家具，2 0 2 3，44（3）：1-6.002FurnitureFurniture2023Vol.44No.3综述家具2023年第44卷第3期维投影图像生成三维场景，场景中的图形元素由一组代表形状、材质等属性的数据模型来描述3。即为将制作的模型经过纹理、绑定、动画和灯光处理，然后通过模拟计算灯光遇到障碍物的运动变化，如折射、反射、漫射等，得到模型和动画的最终显示效果。染作为三维制作中的最后一道重要的程序，建模软件自带的煊染器一般用于模型比较简单且材质单一的煊染，而那些材质复杂且场景宏大的模型的染需求就交由单独的煊染器进行处理，像KeyShot、T w i n mo t i o n、Lu mi o n、Ch a o s Va n t a g e 等独立染器，不与其他软件结合，做好模型或者场景后直接导出文件。还有一种是插件类型的，有VRay、Co r o n a、Fs t o r m、T h e a Re n d e 作为建模软件的插件进行煊染工作。染已在计算机仿真、电影或电视特效、游戏场景等领域被广泛应用。在家居行业，染技术也被用来表现家居产品的外观、材质、尺寸等个性化定制，而产品的个性化定制始于数字化设计软件的开发41.2染技术的类型目前，随着计算机软件的不断发展，染技术主要有离线染和实时染两种类型。（1)离线染（OfflineRendering）：从字面意思理解，是“断网”之后再做煊染，但是这种理解是不对的。离线染跟实时染是相对应的，简单说就是不需要实时地看到染效果的场景。这种场景最常见的就是家装效果图。较以往的技术，无法立刻看到家装效果图，需要等待周期，效果图染结束后，效果不好就需要重新染，会浪费消费者大量时间，效率不高。另外一个最常见的就是好莱坞影视大片、3D动画等影视场景。他们都需要达到非常逼真的染效果甚至是完全真实的场景复现，但是对实时性要求不高。所以，一般的好莱坞大片，尤其是特效非常好的，拍摄完成后的制作周期都非常长。比如电影阿凡达离线煊染了1个多月。(2)实时染(Real-timeRendering,RTR)：实时染指一边计算画面，一边输出显示。能实时操控和实时交互，并且以极高的速度对3D图像进行处理，同时实现了逼真的效果。实时染更多的是关注实时性与交互性，制作的场景通常是需要进行优化的，这样才可以提高计算画面速度，同时缩短延时。实时染的实时性十分重要，因为用户不论操作了什么，都需要得到实时的反馈结果，例如，用户在键盘的输人、鼠标的点击等操作，都会导致画面进行重新计算，得出新的结果。对离线染和实时染两种技术类型进行比较，其结果如表1所示。表1染类型对比Table 1 Rendertype comparison名称软件代表硬件要求染时间染效果及侧重点应用领域AutodeskMaya依赖中央处理器每一顿花数小时进a.获得更精细的画面效果；a.CG动画;离线谊染3ds MaxCPU行谊染b.美学和视觉效果b.建筑室内效果图虚幻引擎(Unreal依赖图形处理器每顿通常要在1/30 sa.实时调整，随时显示画面；a.游戏画面；实时谊染Engine,UE)GPU内完成绘制b.交互性和实时性b.VR漫游1.3实时染技术的特征（1）实时煊染流程的本质设定目标顿率目标场景在不煊染对象时，性能才会达到最高，也就是意味着获得最高性能时，就是场景完全空白的时候。之后在场景中做的任何事情都会损耗一些性能。RTR流程的本质是管理性能损耗。但是性能损耗的多少取决于想要获得画面质量的高低，如图1所示，Y轴表示性能，X轴表示画面质量，设定一个目标帧率，蓝线的性能并不是很好，在经过一系列操作后，蓝线掉落在了目标帧率之下，因此，设定一个目标顿率是构建一个优秀场景的重要前期工作。（2）实时染效果的理想状态平衡3种因素目前RTR不可能以一种完美的方式呈现,所要做的就是在性能和损耗之间寻求最佳平衡，总需要在得与失之间进行妥协。如图2 所示，可以把性能、画质和功能组成一个简单的三角形，未来寻求的就是RTR场景既能运行流畅，又能效果出众。以当前的RTR技术水平而言，可能性甚微，三者中总会缺少一个或两个，现在能做的就是在性能、画质和功能之间找到完美平衡。Furniture003述综第44卷第3期家具2023年第44卷第3期Furniture2023Vol.44No.3100%/利50好目标顿数坏050100画面质量/%图1RTR性能与画质对比分析折线图Fig.1 RTR performance and image quality comparisonanalysislinechartQuality画质Performance性能Function功能图2 RTR场景的三角性能、画质、功能平衡状态Fig.2 Triangle performance,image quality,functionbalancestateofRTRscene2实时染技术在家居行业的发展现状2.1国外发展现状(1)基于UE的建筑与室内可视化表现。UE虚幻引擎是Epic Games公司的产品，国外的游戏开发者主要通过UE进行端游或者手游等的开发。随着实时染和像素流传输技术的进步，UE被应用于VR游戏的开发，对于无太多计算机编程语言知识的设计师而言，UE的蓝图系统给予极大的方便以实现漫游交互功能的设计开发5-6。让游戏的沉浸感再次加强，仿佛身临其境。逐渐，有人想到了将游戏中的真实感带人到了室内家居真实体验项目中来，并根据游戏的互动性，加大了家居室内展示的交互感。国外对于UE室内可视化互动表现的研究相对比较成熟，在YOUTUBE网站上有很多相关视频,如PLYWOODinterior.UE4、U E4+H T CVI VE-Interior Visualization、A r c h it e c t u r e Re a l-t im e-U n r e a lEngine4Archviz/71等。(2)基于实时技术快速迭代和用户体验的建筑效果设计。总部位于英国的建筑工作室ZahaHad-id Architects(ZHA)凭借独特的设计而闻名全球,其使用实时技术快速迭代的概念并与客户沟通。ZHA着眼于用户体验，正在尝试重现人们穿越空间时的视角。之前，该公司只在流程的特定阶段染复杂的场景，供客户进行评审，因为如果在最开始就这样做，将太过耗时。而现在，该事务所能够使用实时技术在流程的早期阶段添加更多细节，如图3所示。图3ZahaHadidArchitects提供的建筑效果图Fig.3Architectural renderings provided by Zaha Hadid Architects(3)基于UE像素流功能的室内效果设计。位于波兰的独立建筑可视化专家Pawel Rymsza重点关注大型住宅项目，其通过制作视频帮助建筑行业的客户推销房产。其认为：实时染是提升其作品质量的好方法；另一方面，通过使用UE像素流的功能可以轻松地向任何地方的任何人展示其作品，对004FurnitureFurniture2023Vol.44No.3述综家具2023年第44卷第3期方无需准备高配置电脑。这种沉浸式体验也有助于客户更便捷地以可视化方式查看空间，如图4所示。图4PawalRymsza提供的室内效果图Fig.4 Interior effect pictureprovidedbyPawal Rymsza2.2国内发展现状(1)基于D5染器的实时染技术。最近非常火爆的国产染软件D5染器就是基于实时染技术研发产生的。D5染器深耕于实时煊染技术，在实时光线追踪染算法领域中取得重大突破，自研了业内领先的D5GI和AI降噪算法，获得多项自主知识产权。D5采用的是最新的GPU谊染引擎技术，在实时染方面非常优秀。随着版本2.0的到来，也增加了很多新功能，例如3D草地绘制功能，以及进一步丰富了各种植物、贴图材质和粒子素材库。这些功能都让设计师在三维动画制作环节有更多的选择。目前D5染器致力于研发一款基于物理真实光线追踪的实时GI染器。不仅拥有实时染器毫秒级的染效率和交互体验，同时得到与离线谊染器一般逼真的煊染结果，帮助设计师最简单高效的表达自己的设计创意，如图5所示。图5D5染器出品的室内效果图Fig.5Interior effect picture produced byD5 renderer(2)基于VR漫游的3D虚拟展厅设计。躺平设计家打通了设计师方、门店设计方以及生产商品方的全线路，将设计方案、材料定购、产品销售、物流配送等服务融为一体，这样不仅提高了家居设计行业的工作效率，也推动了设计全流程的数字化进程8。数据统计表明家居家装行业只有10%的数字化率，相较于其他产业而言，数字化程度较低。由于疫情阻断等特殊背景，2 0 2 2 年线上经济迅速增长，大量以前被认为无法在线消费的商品也开始重构线上消费场景，但对于数字化程度很低的家装行业，该门槛极高。然而，在躺平设计家助力下，2 0 2 2年“双11 期间，天猫家装3D场景购迎来爆发式增长，累计产生了3D样板间超10 万个，设立3D虚拟展厅的商家新增30 0 0 多家，家居家装商品和呈现方式与3D场景的深人整合，正在重塑消费者的购物方式，并带领商家向线上崛起。事实上，躺平设计家基于实时染技术，用3D场景购物技术、3D虚拟直播、VR漫游等家居行业新兴科技搭建的仿真实体验的新场景，让逛家居城从苦活累活，变成可以利用手机和碎片化时间“云逛”的新体验，正在逐渐成为消费者的主流选择，如图6 所示。图6 躺平设计家的染效果图Fig.6Rendering effect picture oflyingflatdesigner（3)基于造易软件的前端设计染到后期工厂生产制造一体化解决方案。造易软件致力于为所有工业化定制家居品类，提供设计制造一体化解决方案，如今已涵盖：橱柜、全屋家具、木门、墙板、系统门窗、吊顶、淋浴房、浴室柜等，为企业提供各定制品类从效果订单设计、自动核价、工业化智能解析、结算管理、订单与计划，生产执行管理、全数字加工、防错验证体系、企业产品核心数据平台等一体化解决方案。为企业创造真实价值、帮助企业规范产品核心数据、解决行业关键痛点瓶颈、降低人员专业性依赖、缩短交付周期、杜绝差错漏以及提升整体运行效率，以降低人工、材料和生产成本为使命。目前造易软件已和多家企业达成合作关系，如图7 所示。Furniture005No.3综述第44卷第3期家具2023年第44卷Furniture2023Vol.44造易软件Zoweetn年产值10 0 亿服务的用户现代筑美ZBOV品家店年产值50 亿定制规模化制造的见证年产值10 亿OPPEIN动派FAENZA年产值2 0 多亿OULinSCISKYCM环格全属定材NCA崇直家水性科天索菲尼洛FAENZANOBeePIANORRsovno韩丽柜造易软件九牧ARROW科嘉家居CHIFFOWINBEJOMOOHANEXZoweesoft牌卫活ROOEECACAR精乐RebonFTEETI飞宇门菜MUROPENHOMELEGOOPPUR欧ERE怡发门窗年产值2 亿VenetaCucine#店Gabor#宝阳好光头阳柜年产值1亿RARAATIS解迪斯TEMINGWRannwa精于制造易在设计图7 造易软件合作品牌Fig.7Cobrandingof Zaoyi software（4)国内现有实时染技术应用问题。目前，实时染技术在游戏行业已广泛运用，但在家居行业运用不多，国内多家公司都开始研制基于UE实时染技术的家装软件，但还存在许多技术上的壁垒。如何既拥有实时煊染器毫秒级的煊染效率和交互体验，同时还得到与离线染器一般逼真的染结果。如何在保证画面质量的同时，优化软件性能？如何实现从设计谊染到生产系统实时对接？这些都是未来呕需解决突破的难点。3基于实时宣染技术的展示平台设计在家居行业发展的难点3.1开发过程对染系统要求过高现阶段室内空间效果展示大多都是单个空间的建模染，其根本原因就是计算机运行性能跟不上。如果将整个室内空间完整的搭建出来，大多计算机会出现卡顿甚至死机的情况，染时间也随着空间模型的增多成倍上涨，文件的大小也会增加，因此优化图形计算能力以及图形煊染方式是发展的重要环节9。使用计算机进行染时，有两种流行的系统：基于中央处理单元(CPU)以及基于图形处理单元（GPU）。CPU 煊染利用计算机的CPU来执行场景并将其染到接近完美。这也是执行染的更传统方式。然而，随着GPU的出现，基于GPU的煊染获得了很大的普及。这些GPU是特定用途的芯片，在某些情况下提供与CPU染相当的结果。在价格方面，与性能级CPU相比，GPU接近价格范围的低端。一个好的GPU，如RTX3090,可以花费约150 0 美元，而像Threadripper3990 x这样强大的CPU的价格是50 0 0 美元。因此，同时满足实时染的速度和质量的染系统也是一个有待升级的方面。3.2开发成本过高目前家居行业所用的大部分还是三维家、酷家乐等设计软件，在成本方面，家居企业每年要向设计软件公司支付大额使用费，受制于人。而UE作为一款开源软件，是免费的，对于使用者来说UE公司是非常欢迎和鼓励在不同行业进行开发与运用的。但是在家居企业中，如何将设计出来的家装效果图，通过系统进行生产出来，连接BIM系统，精准算量、产出施工图，并且与ERP系统打通，实现工厂快速下单，真正地形成家装产业闭环。3.3相关从业人员稀缺目前国内实时染技术在游戏中运用较多，在家居行业中运用游戏引擎作为煊染软件进行实操的不多，从业人员更是寒寒无几。但是游戏公司的相关从业人员有很多，技术是通用的，可以通过借鉴游戏设计与家居设计的关联性寻求突破。大多数家居设计师都是运用3dsMax进行染出图，很少有运用UE进行染出效果展示的，更是没有一个家居展示平台是基于实时染技术流行起来的，没有典型案例可以参考，行业内暂时没有出现领军企业。006Furniture阅迎利登信Furniture2023Vol.44No.3综述家具2023年第44卷第3期4未来发展趋势展望4.1企业定位与软、硬件升级游戏企业的标准化与信息化建设在其他行业中应用广泛，且不乏成功的典范，可以以其作为参考，归纳总结普遍规律，以应用于家居行业。为了提高用户的舒适性，无线传输会是主流，但是漫游文件大小相比原先会扩大不少，因此传输速度是需要考虑的问题0。5G技术的发展会给传输速度问题带来新的解决方案。同时外设硬件存储空间的大小以及其中运算的处理能力和速度也有待提高，如何更快地完成漫游流程的展示，是提高用户体验感的关键。在软件方面，画面染延时导致用户佩戴VR眼镜时会出现眩晕的情况，这是限制VR技术普及的重要原因。如今游戏引擎内置的实时染技术很大程度地改善了上述问题2。4.2急需大量从业家居展示研究的技术人员传统家居行业从业者大多基于传统染软件，对于手绘、色彩搭配、家具理论等都有所了解，但对于信息技术了解程度不高。在信息技术高速发展的时代背景下，家居行业需要跟上时代步伐，在传统行业与新型技术行业寻求合作4.3消费者逐渐接受家居展示方式随着元宇宙热潮的袭来，越来越多的消费者愿意去接受不一样的科技体验，不仅是在电影院和游戏中，更需要在传统行业中。家居生活与每个人息息相关，选取满意合适的家居产品事关生活品质，通过新型的实时染技术与消费者互动，实时看到家居场景中的各种组合搭配，激发消费者的兴趣。也要鼓励消费者积极参与购买互动中，获得不一样的消费感受。5结语随着信息技术的高速发展，硬件和软件不断更新升级，实时染技术也趋于成熟。目前在家居设计行业，最主要的展示方式还是效果图的展示，消费者对于家居环境展示的概念还停留在传统的谊染体验上，但随着实时煊染技术的发展，家居环境的体验不局限于只能看，还体现在可以“玩”，增强了消费者在定制家居环境的参与感与融人感，并且在设计师与消费者沟通的有限时间内，可以快速做出修改并展现在消费者面前，无需等待较长时间。相信未来随着实时染技术的更好发展，将会给家居设计行业带来不一样的全新体验，克服遇见的一切困难，将传统行业与信息技术更好地结合，为家居设计行业带来新的发展方向与成就。参考文献：1史羽天.基于UE4的虚拟现实家装仿真应用技术的研究与实现D.北京：北京印刷学院，2 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