基于虛擬現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)景觀重建技術(shù)

王剛

摘 要： 在提高設(shè)計(jì)效率方面，對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行重建具有重要作用，傳統(tǒng)室內(nèi)景觀重建技術(shù)，不能完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形重建，無(wú)法滿足用戶視覺真實(shí)感要求。對(duì)此，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)景觀重建方法，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與VR?GIS理論結(jié)合的方法，對(duì)室內(nèi)景觀信息及圖像進(jìn)行繪制，生成室內(nèi)景觀重建全景圖，建立室內(nèi)景觀重建數(shù)字模型，完成室內(nèi)景觀重建。分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，室內(nèi)景觀重建數(shù)字模型，可以構(gòu)建動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景，完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形重建；也可以實(shí)現(xiàn)虛擬室內(nèi)景觀錨點(diǎn)轉(zhuǎn)換，滿足用戶視覺真實(shí)感要求。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)； 室內(nèi)景觀； 重建技術(shù)； 圖像繪制； 全景圖重建； VR?GIS理論

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）04?0147?03

Abstract： The indoor landscape reconstruction plays an important role in improving design efficiency. The traditional indoor landscape reconstruction technology cannot complete the 3D image reconstruction of complex real scenes to meet users′ visual reality requirement. In this regard， an indoor landscape reconstruction method based on virtual reality is proposed. The method of combining virtual reality technology and VR?GIS theory is adopted to draw the indoor landscape information and image， generate the indoor landscape reconstruction panorama， and establish the indoor landscape reconstruction digital model to complete the indoor landscape reconstruction. The contrast experimental results are analyzed. The results show that the indoor landscape reconstruction digital model can build dynamic virtual scenes and complete 3D image reconstruction of complex real scenes， and also achieve the transformation of virtual indoor landscape anchors to meet users′ visual reality requirement.

Keywords： virtual reality； indoor landscape； reconstruction technology； image drawing； panorama reconstruction； VR?GIS theory

應(yīng)用計(jì)算機(jī)、多媒體以及大規(guī)模存儲(chǔ)手段作為基礎(chǔ)技術(shù)支持，并通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)作為鏈接紐帶，對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行時(shí)空、種類的空間描述，是現(xiàn)有室內(nèi)景觀重建技術(shù)的建模方法。但由于操作手段上的局限性，常常導(dǎo)致這種方法不能完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形重建，進(jìn)而滿足用戶視覺真實(shí)感要求[1]。本文針對(duì)該問題，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與VR?GIS理論相結(jié)合的方法，完成室內(nèi)景觀重建的數(shù)字建模。又通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所建立的數(shù)字模型，不僅可以構(gòu)建動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景，進(jìn)而完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形的重建，也能夠在虛擬室內(nèi)進(jìn)行景觀的錨點(diǎn)轉(zhuǎn)換，滿足用戶視覺真實(shí)感要求。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)與VR?GIS的結(jié)合

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和VR?GIS理論是搭建三維視覺模型的基礎(chǔ)工具。為了更好地建立二者之間的聯(lián)系，進(jìn)而保證室內(nèi)景觀數(shù)字模型的建立，本文從如下幾個(gè)方面進(jìn)行了分析。

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)與VR?GIS對(duì)景觀重建圖像的繪制

為了保證虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的整體穩(wěn)定性，本文通過(guò)基于圖像和基于模型兩種方法，對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)?；趫D像法首先要通過(guò)全景圖對(duì)整體室內(nèi)景觀進(jìn)行水平空間和經(jīng)緯空間的全方位環(huán)繞瀏覽，然后應(yīng)用無(wú)縫連接和紋理映射技術(shù)[2]，完成空間范圍內(nèi)的視線任意切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀圖像的三維重建?；谀Ｐ头▌t是根據(jù)室內(nèi)景觀的實(shí)體位置，建立與之相對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)境，經(jīng)過(guò)3D Studio等建模工具的渲染后，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式輸出景觀重建圖[3]。VR?GIS理論強(qiáng)調(diào)可視化模擬能力與三維空間數(shù)據(jù)分析的結(jié)合，為了保證該理論的順利實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)疊置遙感獲得室內(nèi)景觀影像圖，然后應(yīng)用Silicon Graphics GL圖形庫(kù)中的工具包，完成重建圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)，最后通過(guò)Microsoft DirectX工具，完成室內(nèi)景觀重建圖像的繪制。

1.2 完成虛擬現(xiàn)實(shí)與VR?GIS的結(jié)合

虛擬現(xiàn)實(shí)與VR?GIS理論結(jié)合，大致需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)結(jié)合、功能結(jié)合、功能一體化三個(gè)階段[4]。首先VR?GIS作為后臺(tái)數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)，提供虛擬現(xiàn)實(shí)與室內(nèi)景觀信息之間的交流渠道，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互能力，對(duì)整體室內(nèi)景觀分布進(jìn)行綜合分析，將不同景觀位置反映到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境當(dāng)中，完成景觀重建圖像的繪制。其具體結(jié)合詳情如圖1所示。

2 利用VR?GIS完成室內(nèi)景觀重建的數(shù)字建模endprint

2.1 室內(nèi)景觀重建全景圖的生成

室內(nèi)景觀全景圖的重建，以人眼正常的有效視角或雙眼余光視角，對(duì)整個(gè)室內(nèi)景觀進(jìn)行全范圍的拍攝。通常情況下，為了保證重建全景圖的真實(shí)性，應(yīng)用球面、圓柱面、立方體表面三種形式，對(duì)不同的室內(nèi)景觀進(jìn)行表達(dá)，處于對(duì)本文所設(shè)計(jì)數(shù)字模型的綜合考慮，以下過(guò)程均采用圓柱全景圖對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行表示[5]。本文使用造景師軟件生成室內(nèi)景觀重建全景圖，操作步驟如圖2所示。

2.2 基于VR?GIS理論的室內(nèi)景觀三維地形建模

室內(nèi)景觀三維地形模型的搭建，可以概括為信息的數(shù)字化和生成DEM兩個(gè)部分[6]。在信息的數(shù)字化過(guò)程中，利用VR?GIS錄入數(shù)據(jù)，并對(duì)已錄入的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯[7?8]。DEM數(shù)字高程模型是一種以數(shù)值形式存儲(chǔ)的方式，通過(guò)空間坐標(biāo)[x，y，z]將室內(nèi)區(qū)域劃分成形狀、大小都相同的網(wǎng)格。應(yīng)用固定矩陣的行列號(hào)表示室內(nèi)各景觀的地理空間定位，矩陣元素灰度值的不同，表示對(duì)應(yīng)景觀的具體類型。其具體建模方案如圖3所示。

2.3 基于VR?GIS理論室內(nèi)景觀重建數(shù)字模型的實(shí)現(xiàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

[f1]條件下所有室內(nèi)景觀擺放位置均固定且不可變，該條件為本文所設(shè)。為了方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，以下實(shí)驗(yàn)也是在[f1]條件下進(jìn)行的。選定以面積為100 m2的普通民居作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該民居內(nèi)冰箱、床、洗衣機(jī)、電視機(jī)、熱水器5種家用設(shè)備進(jìn)行景觀重建檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

以上述5種家用設(shè)備額定功率為依據(jù)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，定義床的額定功率為0。

表中：[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]分別為室內(nèi)景觀[X]，[Y]，[Z]方向的指數(shù)分量，這三個(gè)指數(shù)分量均由式（1）計(jì)算得來(lái)；[Tidx]為三個(gè)指數(shù)分量之和，該項(xiàng)參數(shù)也是如下實(shí)驗(yàn)中的主要參考指標(biāo)。

3.2 構(gòu)建動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景對(duì)比

實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行，在該民居內(nèi)找到上述5個(gè)室內(nèi)景觀的位置，分別應(yīng)用數(shù)字模型和普通模型對(duì)這5個(gè)景觀進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪制重建全景圖，與真實(shí)位置進(jìn)行對(duì)比，如圖4、圖5所示。

通過(guò)圖4與圖5的對(duì)比，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用普通模型對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行重建監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間誤差較大，且隨著[Tidx]指數(shù)的增大，這種誤差也在持續(xù)增大；而應(yīng)用數(shù)字模型對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行重建監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間誤差較小，且隨著[Tidx]指數(shù)的增大，這種誤差也并沒有出現(xiàn)增大趨勢(shì)。因此，可以證明本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字模型，能夠更好地構(gòu)建動(dòng)態(tài)虛擬場(chǎng)景，完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形重建。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與VR?GIS理論結(jié)合的方法，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀重建數(shù)字模型的建立。本文通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明該數(shù)字模型既可以完成復(fù)雜真實(shí)場(chǎng)景三維圖形重建，也可以滿足用戶視覺真實(shí)感要求，具有極大的發(fā)展前景[9?10]。

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