Digitaalinen kaksonen ja arkkitehtuurimallin visualisointi pelimoottorilla

Digitaalisella kaksosella viitataan kiinteistön virtuaaliseen malliin, jonka keskeisenä osana on digitaalisessa maailmassa sijaitseva virtuaalinen näköiskopio. Toinen keskeinen osa digitaalista kaksosta on reaaliaikainen data kiinteistöstä, jota voidaan hyödyntää sekä visualisoinnissa että tekoälysovelluksissa. Tämä kirjoitus on tehty osana Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) rahoittamaa ÄlyKaupunki-hanketta.

Teknologian kehityksen myötä digitaalinen kaksonen on kehittynyt viime vuosina merkittävästi  ja sitä hyödynnetään useissa erilaisissa käytännön sovelluksissa. Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan digitaalisen kaksosen tarjoamia mahdollisuuksia kiinteistöissä ja keskitytään virtuaalisen näköiskopion visualisointiin ja sen mahdollistamiin erilaisiin toiminnallisuuksiin hyödyntämällä pelimoottoria.

Laadukkaat 3D-visualisoinnit antavat katsojalleen välittömästi tarvittavan tiedon kohteesta, jota halutaan esitellä. Tämä tarkoittaa yleensä kolmiulotteisen mallin näkymää oli sitten kyseessä arkkitehtuurinen malli tai esimerkiksi teollisuuden tuotekehityksen prototyyppi. Yksi visualisoinnin tärkeimmistä päämääristä on kuitenkin tukea lopputuloksessa katsojan omaa mielikuvaa. Visualisointi tuo paljon enemmän ymmärrystä katsojalle kuin pelkät tekniset piirustukset. Visuaalisen ilmeen lisäksi, 3D-mallinnettu rakennus auttaa katsojaa ymmärtämään miten suunniteltua tilaa on hyödynnetty, tai miten sitä voitaisiin hyödyntää parhaalla mahdollisella tavalla. Mallia esitellään yleensä havainnekuvilla ja videoilla.

Tietokoneavusteisen suunnittelun juuret juontavat 1960-luvulle. Ensimmäisistä tietokoneavusteisista suunnitteluohjelmista on tultu vuosikymmeniä eteenpäin ja nykyään arkkitehtuuriset visualisoinnit alkavat olemaan äärimmäisen realistisia. Nämä visualisoinnit ovat yleisesti tehty tietokoneavusteisella suunnitteluohjelmalla eli lyhyemmin CAD-ohjelmalla (engl. Computer-Aided Design). CAD-ohjelmilla voidaan siis tuottaa upean näköisiä ja realistisuutta hipovia visualisointeja, joten mitä lisäarvoa pelimoottorit voivat tuoda 3D-mallien visualisointiin?

UE4 Pelimoottorin hyödyntäminen arkkitehtuurimallin visualisoinnissa

Pelimoottori viittaa nimensä mukaisesti peleihin tai pelaamiseen ja tähän tarkoitukseen pelimoottoreita yleisesti käytetäänkin. Onneksi kuitenkaan pelimoottoreiden kapasiteetti ei ole ainoastaan pelialan ammattilaisten hyödynnettävissä, vaan pelimoottoreiden kehitystyökalut ovat tulleet myös arkkitehtien ja teollisuuden saataville; esimerkiksi Unity Technologiesin kehittämä Unity-pelimoottori tai visuaalisuudestaan tunnettu Epic Gamesin kehittämä Unreal Engine.

Jokaisen 3D-visualisoinnin taustalla ovat tekniset piirustukset. Samoin kuin arkkitehtuuripiirrosten perusteella tai niiden pohjalta rakennuttaja rakentaa rakennuksen, visualisoija tarvitsee näitä luodakseen kohteesta visualisoinnin. CAD-ohjelmistot ovat ihanteellisia arkkitehtuuriseen piirtämiseen, mutta jos tarkoituksena on simuloida mallia reaaliajassa, ovat koneen tehot koetuksella. Upeat visualisoinnit rakentuvat pikseli pikseliltä, mutta renderöinti kestää ajallisesti kauan.

Käytännössä vain mielikuvitus on rajana hyödynnettäessä pelimoottoria visualisointien toteutuksessa.

Pelimoottorin suurin hyöty on sen mukautuvuus ja reaaliaikainen muokattavuus; voit vaihtaa seinän materiaalia, väritystä tai jopa valaistusta helposti ja muutos on havaittavissa välittömästi (engl. real time rendering). Unreal Engine tarjoaa useita erilaisia työkaluja alustallaan tehdäkseen visualisointiprosessista tehokkaan. Arkkitehtuurisen visualisoinnin kannalta hyödyllisiä ominaisuuksia ovat muun muassa erilaisten mediatuotantolinjojen (engl. production pipeline) tuki. Tällaisia ovat esimerkiksi FBX (Filmbox) tiedostomuoto Autodeskiltä, jota Unreal Engine tukee sekä Datasmith -työkalu. Datasmithin avulla on mahdollisuus tuoda pelimoottoriin kokonaisia scenejä eli tapahtumapaikkoja animaatioineen, jotka on toteutettu eri ohjelmistoilla ja muuttaen ne pelimoottorin ymmärtämään muotoon – esimerkkinä tekstissä myöhemmin ilmi tuleva IFC-formaatti. Unreal Engine pelimoottori tarjoaa myös laajat vaihtoehdot sille, miten visualisointi halutaan tuottaa aina still-kuvasta videoon tai immersiiviseen kokemukseen.

Pelimoottorit voivat tuoda visualisointiin valtavasti lisäarvoa verrattuna perinteisiin CAD -ohjelmistoihin. Visualisointeihin voidaan pelimoottorin avulla tuoda ominaisuuksia, jotka lisäävät katsojan tai käyttäjän visuaalista kokemusta. Tulevia käyttäjiä voidaan osallistaa jo rakentamisvaiheessa esimerkiksi sovelluksella, jossa pystyy valitsemaan mieluisen sisustuksen tai värimaailman rakennettavaan kohteeseen. Kohteesta voidaan luoda vuorovaikutteinen virtuaalitodellisuuden kokemus, jossa käyttäjä voi kävellä mallin sisällä tutkien tiloja tai vaikkapa avata kaapin nähdäkseen sinne. Arkkitehtuurimallinnukseen voidaan liittää myös reaalimaailmasta kerättyä anturidataa näytettäväksi. Tällainen data voisi olla esimerkiksi sisäilman seurantaan liittyvää tai eri tilojen käyttöasteen esittämistä. Käytännössä vain mielikuvitus on rajana hyödynnettäessä pelimoottoria visualisointien toteutuksessa.

Unreal Engine 4 -pelimoottorin edut visualisoinnissa:

• Real time rendering
• Datasmith
• Mahdollisuus luoda fotorealistisia visualisointeja
• Mahdollisuus luoda animaatioita
• Mahdollisuus luoda interaktiivisia sovelluksia
• Ilmainen visualisointi käytössä

Vaikka pelimoottoreita ei alun perin ole suunniteltu arkkitehtuurimallien visualisointiin, niiden ominaisuudet tekevät niistä varteenotettavia sovelluksia hyödynnettäväksi arkkitehtuurisissa visualisoinneissa.

Älykaupunki – Valkeakoski-pilotti

ÄlyKaupunki-hankkeessa tavoitteena on luoda tekoälysovelluskehitystä kiihdyttävä tietoalusta, eli digitaalinen kaksonen, jonka visualisoinnit mahdollistavat myös kaupunkilaisten osallistamisen kiinteistön kehittämiseen eri elinkaaren vaiheissa. Digitaalinen kaksonen päätettiin hankkeen alussa tehdä suunnitteilla olevasta Valkeakosken vapaa-aikakeskuksesta, joka muodostuu vanhan rakennuksen peruskorjauksesta ja uudisrakennuksesta. Rakennuksen suunnittelun yhteydessä virtuaalinen malli mahdollistaa eri osapuolien osallistumisen virtuaalikokemuksen kautta. Yhdessä Valkeakosken vapaa-aikakeskuksen toimijoiden kanssa päädyttiin siihen, että visualisoidaan erilaisiin käyttötarkoituksiin sopiva monitoimisali ja sen moninaiset toiminnallisuudet.

Visualisointi toteutettiin Unreal Engine 4 -pelimoottorilla. Täysin tyhjästä kohteen mallia pelimoottorille ei tarvinnut kuitenkaan aloittaa rakentamaan, vaan saimme yhteistyökumppaniltamme käyttöömme kohteesta rakennuksen kolmiulotteisen tietomallin. Rakennusten tietomallit sisältävät informaatiota yleisesti rakennuksen geometriasta ja havainnollistavat sen kolmiulotteisesti, sekä määrittävät rakenteiden ominaisuuksia. Tässä tapauksessa käytettiin tietomallinnuksessa yleisesti käytettyä IFC-formaattia, jota UE4-pelimoottori tukee liitännäisen kautta.

Yhdessä kohteesta luodun IFC-mallin ja suunnitelmien perusteella kohde visualisoitiin ja elävöitettiin keskittyen erityisesti erilaisiin tilaisuuksiin mukautettavaan monitoimisaliin. Pelimoottorilla tehtyä visualisointia voi hyödyntää erityisesti markkinoinnissa, kohteen käyttöopastuksessa tai jatkojalostettuna esimerkiksi kiinteistönhallinnan apuna. Pelimoottorilla tehtyjen toteutuksien kanssa vain mielikuvitus on rajana.

Erityisesti visualisoitaessa kohdetta, jota ei ole vielä fyysisesti rakennettu saatetaan törmätä siihen, että lopputulos ei täysin vastaa todellisuutta. Monesti tämä johtuu siitä, että visualisoijalla ei välttämättä ole visualisointia aloittaessaan käytössään lopullisia rakennuspiirustuksia, tai niihin voi tulla muutoksia. Samoin on IFC-mallien kanssa. Tässä kohtaa korostuu erityisesti tiivis yhteistyö työntilaajan kanssa, jotta visualisoinnista saadaan realistinen ja tilaajaa mahdollisimman hyvin palveleva kokonaisuus.

Alla olevasta videosta voit tarkastella Unreal Engine 4 -pelimoottorilla toteutettua luonnosvaiheen visualisointia Valkeakosken vapaa-aikakeskuksesta: