基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法研究

胡家強 吳鋒

摘 要： 平面效果圖以及動畫播放方法設(shè)計出的室內(nèi)景觀虛擬效果，存在實時交互性和真實沉浸感差的弊端，用戶滿意度低。因此，設(shè)計基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法，其采用VRML/X3D技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計，通過VRML語言模型塑造室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計的軟件架構(gòu)，給出方法的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計流程。分析室內(nèi)戶型以及樣本間主要場景的仿真實現(xiàn)。采用VRML瀏覽器實現(xiàn)室內(nèi)景觀虛擬漫游系統(tǒng)，通過X3D技術(shù)塑造室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計X3D函數(shù)流程，提高室內(nèi)景觀虛擬交互功能。實驗結(jié)果說明，所提方法設(shè)計出的室內(nèi)景觀虛擬效果更加真實，并且沉浸感強，具有較高的用戶滿意度。

關(guān)鍵詞： 三維視覺； 室內(nèi)景觀； 虛擬設(shè)計方法 ；VRML/X3D技術(shù)； 虛擬交互功能； 虛擬漫游系統(tǒng)

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0040?04

Abstract： The virtual effect of the indoor landscape designed by means of animation playback method and planar effect diagram has the disadvantages of poor real?time interaction and reality immersion， and low user satisfaction. Therefore， an indoor landscape virtual design method based on 3D vision is designed， in which the VRML/X3D technology is used to realize the virtual design of indoor landscape， and the VRML language model is adopted to establish the software architecture of indoor landscape virtual design. The flowchart of the indoor landscape virtual design is given. The simulation implementation of the main indoor scene of the prototype room and house type is analyzed. The VRML browser is used to realize the virtual roaming system of indoor landscape. The X3D technology is adopted to establish the module structure of virtual roaming system of indoor building landscape. The X3D function flow is designed to improve the virtual interactive function of indoor landscape. The experimental results show that the proposed method has real indoor landscape virtual effect， strong immersion and high user satisfaction.

Keywords： 3D vision； indoor landscape； virtual design method； VRML/X3D technology； virtual interaction function； virtual roaming system

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是當(dāng)前計算機領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)，其能夠在多維信息空間中塑造和諧的交互環(huán)境，在室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計中具有重要的應(yīng)用價值。當(dāng)前建筑行業(yè)的競爭壓力和多樣化需求逐漸提升，大量的建筑公司將直觀形象的三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計中，設(shè)計出用戶滿意度高的室內(nèi)場景，提高收益[1]。傳統(tǒng)平面效果圖以及動畫播放方法設(shè)計出的室內(nèi)景觀虛擬效果，存在實時交互性和真實沉浸感差的弊端[2]。而VRML/X3D技術(shù)是一種重要的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬展示設(shè)計，VRML（Virtual Reality Medaling Language，虛擬現(xiàn)實建模語言）對塑造虛構(gòu)的室內(nèi)三維場景模型語言進(jìn)行設(shè)置，X3D（Extensible3D，可擴展三維）對在多媒體中整合基于網(wǎng)絡(luò)傳感的交互三維圖像的國際規(guī)范實施了定義。因此，本文提出基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法，采用VRML/X3D技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計，完成室內(nèi)三維虛擬場景的漫游，提高室內(nèi)景觀逼真性建模以及交互功能。

1 基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法

1.1 軟件架構(gòu)

本文基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法的軟件架構(gòu)用圖1描述，其分為6個部分，分別是互聯(lián)網(wǎng)售房，樣板間預(yù)覽，整體室內(nèi)景觀虛擬化游覽，客戶的基本信息歸納整理等。利用三維視覺的虛擬化設(shè)計提高室內(nèi)景觀的真實沉浸感。

1.2 工作方式

互聯(lián)網(wǎng)B/S結(jié)構(gòu)是室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在服務(wù)器端（Server）所給的VRML文件中也包括其他要素，如動畫、影像、聲音等，這些都與客戶計算機平臺毫無關(guān)系。Clicnt端能使用本機瀏覽器中的VRML插件做出虛擬現(xiàn)實場景，并且能依靠網(wǎng)絡(luò)下載所需要的文件。為了更方便快捷地在本地電腦里實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實工作，VRML文件可以依靠本身數(shù)據(jù)量小，縮減傳輸量來完成[3]。如圖2所示，設(shè)計師使用個人電腦在其中進(jìn)行虛擬環(huán)境和建造模型的設(shè)計，并用虛擬的產(chǎn)品模型與之融合，在此基礎(chǔ)上利用外部程序操控開展現(xiàn)實交互。將這些數(shù)據(jù)整合歸納，連接服務(wù)器。這樣就可以讓參觀者從Intemet連接服務(wù)器，對其所用數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，其中的模型可以利用瀏覽器進(jìn)行實時渲染，此時這臺電腦就可以作為一個桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬漫游。

在關(guān)于真實感受方面，虛擬構(gòu)造的展示場景更容易讓人接受。與常規(guī)的展示設(shè)計相比，虛擬空間展示可以全部模擬出現(xiàn)實場景，參觀者可以完全參與其中，與其互動，大大增加了場景的真實性[4]，而不是單一靜止地展示環(huán)境。

1.3 室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計流程

可以按照軟件工程的思想指導(dǎo)來劃分項目，用以實現(xiàn)系統(tǒng)。其目標(biāo)分別為需求分析，可行性分析，系統(tǒng)分析，詳細(xì)設(shè)計，開發(fā)，交付，試運行等。從室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計要求來說，首先要建立小區(qū)環(huán)境場景建模。使用VRML語言編輯和可視化虛擬設(shè)計軟件[5]，二者搭配使用分批建造幾何模型；其他大場景再使用部分小場景拼合。室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計流程如圖3所示，具體描述為：

1） 采集數(shù)據(jù)。關(guān)于各種參考數(shù)據(jù)的采集，用于數(shù)據(jù)建模期。

2） 房地產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的基本模式建立。房地產(chǎn)開發(fā)小區(qū)的構(gòu)成分為三大類：樓房，分別為基腳模型、戶型模型和樓梯模型等；各個房屋戶型，分別為地面、窗戶、墻面、門等；還有小區(qū)環(huán)境，分別為小區(qū)大門模型、小區(qū)樓房模型、小區(qū)內(nèi)公共設(shè)施模型[6]和小區(qū)內(nèi)景觀模型等。

3） 展示模型可以用ISB軟件或者編程方式合并出來的一些基本模型，如組合小區(qū)環(huán)境模型、組合樓房模型、組合樓梯模型等。

4） 在建筑環(huán)境的體驗中，對于小區(qū)大門新增的自動感應(yīng)功能和模擬現(xiàn)實小區(qū)常見的電動伸縮門等，都更強烈地加深了與展示對象的互動感。

5） 建立網(wǎng)絡(luò)主頁、主體網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)站，還應(yīng)連接虛擬文件（*.wrl）。

6） 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，上傳系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計的收尾工作。

2 主要場景仿真實現(xiàn)

2.1 戶型

門、窗、墻面、地面等基礎(chǔ)模型構(gòu)成戶型模型。一套房屋的立體模型由ISB模型基礎(chǔ)組合而成。把墻面顏色的改變功能和其他互動效果集中在一起展示，彌補了模型數(shù)小的缺點。VRML的觸摸傳感器節(jié)點是完成這項功能的核心技術(shù)。圖4為戶型效果圖。

2.2 樣板間仿真實現(xiàn)

只有在戶型實現(xiàn)的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)樣板間模型仿真。利用VrmlPad（或X3D?Edit）軟件的Transform節(jié)點編程來完成對模型地面、墻面的添加材質(zhì)（拍攝好的實木地板瓷磚等）的影像。模型外觀屬性可以利用模型節(jié)點造型來完成。其中，某個使用于造型的紋理映象被Texture域所定義，某個二維紋理坐標(biāo)被TextureTransform域定義在紋理映射中作為造型時，為了使映射出的模型更具備真實感，必須再三調(diào)試scale的坐標(biāo)變換值。若要依循設(shè)計師的設(shè)計為房屋添加裝飾品、家裝用品，則等需要在地面和墻面映射結(jié)束以后（之前需要的基礎(chǔ)模型制作已經(jīng)結(jié)束）利用ISB軟件可視化來確定這些模型組合在房間里的位置[7]。同樣地M1pad（或X3D—Edit）軟件的Transform節(jié)點編程也可以做到這些。樣板房模型界面截圖如圖5所示。

2.3 室內(nèi)景觀虛擬漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.3.1 VRML瀏覽器

瀏覽器能夠自由地在移動狀態(tài)模式和靜止查看模式之間實施切換，原因是瀏覽器設(shè)置有非?？茖W(xué)的控制面板，并且在兼容性、速度、質(zhì)量和擴展能力等方面也具有先進(jìn)水平。例如，本地硬盤可以使用播放插件下載上一節(jié)所列的VMRL資源站點。瀏覽器播放插件在被準(zhǔn)確安置后，雙擊資源管理器中的.wrl文件，隱藏的播放插件頁面便可以打開，針對其中的三維場景實施各種設(shè)置[8]，播放插件的控制面板控制著三維場景目前的操作，其中分為運動行走模式和審視觀察模式兩個部分。

2.3.2 室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

本文通過X3D技術(shù)塑造室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，程序函數(shù)包括顯示、數(shù)據(jù)鏈表更新建立、控制消息捕獲、輸入X3D格式文件等[9]，室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文通過X3D函數(shù)中的X3D數(shù)據(jù)接口和碰撞檢測模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和更新，提高室內(nèi)景觀虛擬交互功能。針對數(shù)據(jù)的訪問和更新，可以由碰撞檢測完，再由X3D函數(shù)端口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)更新。而建立程序本身的數(shù)據(jù)鏈表最初階段依據(jù)X3D的數(shù)據(jù)格式創(chuàng)建，用戶控制消息由消息捕獲模塊進(jìn)行收獲，然后直接由碰撞檢測模塊對消息實施解析[10]，顯示器直接顯示輸出結(jié)果。X3D函數(shù)流程圖如圖7所示。

3 實驗分析

3.1 運行效果

采用Virtual Reality Platform軟件和本文方法對某酒店房間室內(nèi)景觀虛擬運行效果進(jìn)行設(shè)計，模型導(dǎo)入如圖8所示。

為了獲取建筑漫游系統(tǒng)更準(zhǔn)確的優(yōu)劣區(qū)別，劃分了5個不同的場景漫游。詳細(xì)場景數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9是某酒店房間室內(nèi)景觀運行效果圖。分析圖9可得，本文方法塑造的室內(nèi)景觀虛擬效果真實有效，并且具有較高的沉浸感。

3.2 性能檢測

實驗采用用戶調(diào)查問卷措施，檢測采用本文設(shè)計方法和傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的某酒店房間的室內(nèi)景觀后，不同用戶對該室內(nèi)場景的感興趣度。實驗對入住該酒店房間的100個客戶發(fā)放調(diào)查問卷，收回有效率是100%，通過不記名的百分制進(jìn)行打分，調(diào)查問卷中存在用戶對室內(nèi)景觀的直觀感受評分、使用簡便性評分、藝術(shù)效果評分以及感興趣度評分等，將調(diào)查問卷分割成10組，對10組調(diào)查問卷的平均分進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2和表3所示。

4 結(jié) 論

本文提出基于三維視覺的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計方法，采用VRML/X3D技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計，提高了室內(nèi)景觀的真實沉浸感和用戶滿意度。

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