基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)研究

姜廣建

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)忽略了光照渲染，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效果真實(shí)感不強(qiáng)的弊端，提出一種新的基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)方法。確定室內(nèi)各物體外形輪廓與調(diào)理特征，確定關(guān)鍵二維坐標(biāo)點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，將二維坐標(biāo)變成三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場景的三維建模。通過截面環(huán)形調(diào)和法對(duì)室內(nèi)色彩進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過輻射方法求出室內(nèi)設(shè)計(jì)場景中各像素點(diǎn)的光照輻射亮度，對(duì)室內(nèi)場景光照進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)均勻亮度面光源的照明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法得到的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)結(jié)果真實(shí)感強(qiáng)，質(zhì)量高。

關(guān)鍵詞： 虛擬技術(shù)； 室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)； 截面環(huán)形調(diào)和法； 光照渲染； 光照輻射亮度； 三維建模

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0175?04

Research on interior color design based on computer virtual technology

JIANG Guangjian

（Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract： The illumination rendering is ignored in traditional interior color design， which leads to the poor sense of reality of design effect. Therefore， a new interior color design method based on computer virtual technology is proposed to determine the outline and conditioning features of each object in the room， and the key two?dimensional coordinate points. The computer is used to calibrate the 2D coordinates and transform them into 3D coordinates to realize 3D modeling of indoor scene. The cross section ring?shaped harmonic method is used to design the interior color. On this basis， the illumination radiance of each pixel point in the interior design scene is obtained by means of radiation method， and the illumination of indoor scene is rendered to realize the illumination of uniform brightness surface light source of the interior color design. The experimental results show that the interior color design results obtained by the proposed method have strong sense of reality and high quality.

Keywords： virtual technology； interior color design； cross section ring?shaped harmonic method； illumination rendering； illumination radiance； 3D modeling

0 引 言

近年來，多媒體技術(shù)發(fā)展迅速，便于人們交流，使得計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)更加普遍化，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)領(lǐng)域[1]。在室內(nèi)設(shè)計(jì)過程中，色彩設(shè)計(jì)是關(guān)鍵階段。室內(nèi)設(shè)計(jì)色彩主要取決于設(shè)計(jì)師與用戶的主觀意愿，為了使設(shè)計(jì)作品達(dá)到用戶滿意的程度，研究了一種基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)方法，從而協(xié)助室內(nèi)設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)CACD室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)方法通過二維圖像對(duì)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)作品進(jìn)行展示，真實(shí)感不強(qiáng)，且忽略了光的渲染，導(dǎo)致室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)效果不佳[2?3]。針對(duì)上述方法的弊端，本文提出一種新的基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)師以方便、快捷的展示方法對(duì)其設(shè)計(jì)意圖與實(shí)施效果進(jìn)行表達(dá)。

1 基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)

1.1 室內(nèi)場景建模

對(duì)室內(nèi)色彩進(jìn)行設(shè)計(jì)前，首先需確定室內(nèi)各物體外形輪廓與調(diào)理特征，為此，本節(jié)介紹室內(nèi)場景建模過程，建模重點(diǎn)在于關(guān)鍵二維坐標(biāo)點(diǎn)的確定，過程如下：

[a=a+εUl] （1）

[b=b+εUt] （2）

式中：[Ul]與[Ut]依次用于描述室內(nèi)場景輪廓變化模式矩陣與紋理變化矩陣；[ε]用于描述控制參數(shù)。通過改變參數(shù)[ε]獲取不同外形輪廓與物體紋理，以及室內(nèi)場景關(guān)鍵點(diǎn)的二維坐標(biāo)[4]。

關(guān)鍵特征二維坐標(biāo)得到后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。圖1描述的是攝像機(jī)機(jī)位示意圖。

攝像機(jī)安裝好以后，進(jìn)行室內(nèi)整體環(huán)境的圖像采集。圖1中，[Q]為室內(nèi)物體重要特征點(diǎn)；[Q1]與[Q2]為兩個(gè)成90°的攝像機(jī)成像點(diǎn)，[O1Q1]和[O2Q2]的交點(diǎn)與點(diǎn)[Q]重合。采集圖像時(shí)，令攝像機(jī)光軸和室內(nèi)物品坐標(biāo)系的[x]軸重合，令攝像機(jī)[z]軸和室內(nèi)物品坐標(biāo)系[z]軸重合。依據(jù)線性攝像機(jī)模型，通過下式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換：

[r1=fL-ab] （3）

[s1=fL-ac] （4）

[r2=fL-acosα+bsinαbcosα-asinα] （5）

[s2=fL-acosα+bsinαc] （6）

式中：[f]用于描述攝像機(jī)的焦距；[L]用于描述拍攝距離。實(shí)現(xiàn)上述二維坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的相應(yīng)轉(zhuǎn)換，即為[a，b，c]，連接這些坐標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場景三維模型的建立。

1.2 室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)

本節(jié)利用截面環(huán)形調(diào)和法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩的設(shè)計(jì)，截面環(huán)形調(diào)和法如圖2所示。

首先對(duì)三點(diǎn)調(diào)和進(jìn)行描述，設(shè)基色點(diǎn)為[Om0n0K0]，則與其調(diào)和的兩個(gè)色彩點(diǎn)[Om1n1K1]與[Om2n2K2]存在：[m1=m2=m0，][n1=n2=n0，][K1≠K2≠K0]。設(shè)過點(diǎn)[Om0n0K0]的色彩環(huán)半徑為[R，]則存在[5][a2+b2=R2，]且[c=c0]。計(jì)算與[b=0]平面的夾角[θ]：

[θ=arctan b0a0] （7）

對(duì)上述平面整色環(huán)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，公式如下：

[O′mnK=OmnK×Z] （8）

[O′m1n1K1=-32R，-12R，c0，1] （9）

[O′m2n2K2=32R，-12R，c0，1] （10）

當(dāng)頂點(diǎn)[Z=3]時(shí)，確定幾何框架與色彩環(huán)相對(duì)應(yīng)的調(diào)和點(diǎn)坐標(biāo)，即：

[Om1n1K1=O′m1n1K1×Z-1] （11）

[Om2n2K2=O′m2n2K2×Z-1] （12）

通過式（11），式（12）即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩的調(diào)和，達(dá)到室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)的目的。

1.3 光渲染方法

本節(jié)在上述分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行光渲染處理。在室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)布光原則，一個(gè)空間中通常存在主光照明、輻光照明和背景光照明，其中主光照明對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)的影響最大，是決定整個(gè)空間照明和亮度的關(guān)鍵性因素，因此對(duì)主光渲染進(jìn)行研究非常重要[6?7]。

本節(jié)通過輻射方法求出室內(nèi)設(shè)計(jì)場景中各像素點(diǎn)的光照輻射亮度，對(duì)室內(nèi)場景光照進(jìn)行渲染，主要包含光能直接輻射、光能反射與光能折射[8]。輻射亮度的計(jì)算公式為：

[Ox，τ=Ogx，τ+ΨOvx，τ，τcosβfrx，τ，τdτ] （13）

式中：[Ox，τ]用于描述物體表面某點(diǎn)[X]在[τ]方向射出的輻射度；[Ogx，τ]用于描述相同點(diǎn)、相同方向的直接光照；等式右側(cè)第二項(xiàng)用于描述反射與折射的間接光部分。

在室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)中，渲染燈光的模擬，可采用直接光組合對(duì)間接光的平均亮度值的方式進(jìn)行。盡管間接光的計(jì)算較為繁雜，然而其整體亮度差異小，所以可將其用亮度色階光照的形式進(jìn)行描述。通過直接光組合形成一個(gè)均勻亮度的面光源對(duì)間接光進(jìn)行模擬，渲染效果符合全局光照中間接光的特性，可滿足間接光照效果要求。為了獲取理想的室內(nèi)光照效果，可選用下列燈光陣列組合的形式：燈距與照射距離一致；遠(yuǎn)距離衰減距離是燈距的2倍。光照模型如圖3所示。

在燈光陣列光照模型中，通過泛光燈作距離相同的燈光陣列[9]，假設(shè)泛光燈燈照與平面之間的距離用[c]進(jìn)行表示，遠(yuǎn)距離衰減區(qū)域直徑用[d]進(jìn)行表示，陣列燈距用[e]進(jìn)行表示，在[x]軸取與光源垂直的線段，假設(shè)該線段上方存在[m]個(gè)光源，則通過式（14）求出線上所有點(diǎn)的光照亮度：

[Oxi=i=1mOixi，τi] （14）

通過上述方法即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)均勻亮度面光源的照明效果，從而完成對(duì)間接光的模擬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 本文方法設(shè)計(jì)結(jié)果

本節(jié)通過本文方法對(duì)室內(nèi)色彩進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先對(duì)室內(nèi)場景進(jìn)行建模，以客廳為例，構(gòu)建室內(nèi)三維模型。利用攝像機(jī)進(jìn)行二維圖像的采集，而后把平面圖形轉(zhuǎn)換成三維模型，完成其色彩的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行三維模型的渲染。三維建模要以符合實(shí)用功能為前提，要充分考慮平面布局中家具和室內(nèi)環(huán)境的空間關(guān)系。三維建模中的3D平面是室內(nèi)三維場景搭建的基礎(chǔ)，在3D平面上通過多邊形建模即可確定客廳空間，對(duì)客廳沙發(fā)、桌椅的位置和比例進(jìn)行確定，通過布爾計(jì)算獲取窗戶墻面形狀，如圖4所示。獲取空間比例和尺度后，需對(duì)室內(nèi)場景中其他道具進(jìn)行細(xì)節(jié)化處理。

針對(duì)沙發(fā)邊緣線，對(duì)倒角半徑與面數(shù)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沙發(fā)軟硬程度的調(diào)整。針對(duì)形狀特殊的椅子類道具，在建模時(shí)通過調(diào)點(diǎn)法完成對(duì)椅子形狀的調(diào)整，獲取所需擠出的面，得到椅子扶手形狀，通過不同工具與擠壓法確定椅子造型，如圖5所示。

增加物品點(diǎn)綴是室內(nèi)場景三維建模的最后一個(gè)階段。在特定模型面數(shù)下，可利用增加物品點(diǎn)綴的方式增添室內(nèi)場景的活躍性效果，本節(jié)添加了酒杯、書本等點(diǎn)綴，最終室內(nèi)場景三維建模效果如圖6所示。

為了使室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)效果更加直觀，本節(jié)為搭建客廳場景中的家具賦予不同材質(zhì)球，見圖7。圖7a）是建立的材質(zhì)球。為了加快運(yùn)行效率，通過顏色對(duì)材質(zhì)球進(jìn)行辨別，不對(duì)材質(zhì)球進(jìn)行疊加操作。把建立的材質(zhì)球添加至客廳的墻面、地板和沙發(fā)等。圖7b）為客廳添加材質(zhì)球后的效果圖。

通過材質(zhì)庫實(shí)現(xiàn)配色后，設(shè)置不同的光環(huán)境，對(duì)燈光環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角度、亮度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)場景光環(huán)境的調(diào)整，如圖8所示。

通過本文方法模擬各種材質(zhì)設(shè)計(jì)客廳家具后的效果，圖9給出的是替換家具顏色后室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)整體效果。分析本文方法室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)過程可知，通過本文方法能夠有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)，真實(shí)感強(qiáng)，有助于設(shè)計(jì)師更加直觀地展示設(shè)計(jì)作品。

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比測試

為了驗(yàn)證本文方法設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，選擇50個(gè)設(shè)計(jì)師，令設(shè)計(jì)師分別采用本文方法、CACD方法和色彩轉(zhuǎn)換關(guān)系方法對(duì)室內(nèi)色彩進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過評(píng)價(jià)梯度和UIQD對(duì)設(shè)計(jì)作品的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，取評(píng)價(jià)指標(biāo)測試結(jié)果的平均值作為評(píng)價(jià)結(jié)果。

平均梯度是圖像微小細(xì)節(jié)反差和紋理變化特征的體現(xiàn)，平均梯度越大，認(rèn)為其細(xì)節(jié)反差和紋理變化越小，公式描述如下：

[G=1M×Ni=0M-1j=0N-1ΔI2x+ΔI2y2] （15）

式中：[ΔIx]和[ΔIy]依次代表[x]和[y]方向的差分；[M，][N]代表像素。

UIQD為圖像質(zhì)量指數(shù)，是人眼視覺質(zhì)量的體現(xiàn)，其值越高，認(rèn)為人眼視覺質(zhì)量越高，可通過下式求出：

[UIQD=4σxyμxμyσ2x+σ2yμ2x+μ2y] （16）

式中：[σx，][σy，][σxy]分別表示圖像在不同方向的灰度方差和協(xié)方差；[μx，][μy]表示圖像色彩值。

三種方法室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，通過本文方法設(shè)計(jì)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)作品，平均梯度和圖像質(zhì)量指數(shù)均明顯高于CACD方法和色彩轉(zhuǎn)換關(guān)系方法，說明本文方法室內(nèi)色彩效果好，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

3 結(jié) 論

本文提出基于計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)方法。對(duì)室內(nèi)場景進(jìn)行三維建模，通過截面環(huán)形調(diào)和法對(duì)室內(nèi)色彩進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行光渲染。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用所提方法得到的室內(nèi)色彩設(shè)計(jì)結(jié)果真實(shí)感強(qiáng)，質(zhì)量高。

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