虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在室內(nèi)家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

柯健 王敏 周德富 劉暢 夏振新 黃冬林

摘要：為解決傳統(tǒng)室內(nèi)家居設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)者與用戶之間缺乏有效溝通方式，用戶在設(shè)計(jì)過(guò)程中參與度不高、體驗(yàn)感不強(qiáng)，造成用戶對(duì)最終的設(shè)計(jì)效果認(rèn)可度不高等問(wèn)題，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)家居設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特征，通過(guò)人機(jī)交互使用戶在逼真的虛擬家居環(huán)境中了解室內(nèi)家居設(shè)計(jì)風(fēng)格井進(jìn)行日常生活體驗(yàn)，在用戶與設(shè)計(jì)者之間提供直觀的溝通渠道，為家居設(shè)計(jì)提供更快捷的反饋。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);室內(nèi)家居設(shè)計(jì);虛擬體驗(yàn)系統(tǒng);沉浸感;交互性;物理渲染

DOI：10.11907/ejdk.191051開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）010-0144-03

0引言

室內(nèi)設(shè)計(jì)是指為了滿足人們工作、生活、休息需要，提高室內(nèi)空間的生活環(huán)境質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)有建筑物內(nèi)部空間包括實(shí)質(zhì)環(huán)境和非實(shí)質(zhì)環(huán)境進(jìn)行規(guī)劃和布置。目前室內(nèi)設(shè)計(jì)研究主要集中在視覺(jué)形式方面，要求從人體工程學(xué)角度研究空間環(huán)境內(nèi)人的心理行為變化。在考察室內(nèi)環(huán)境與人的心理行為關(guān)系、人對(duì)環(huán)境認(rèn)知的方法、人對(duì)環(huán)境設(shè)計(jì)的心理評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，研究室內(nèi)環(huán)境的人際關(guān)系心理、室內(nèi)環(huán)境的隱私性心理、室內(nèi)環(huán)境的安全性與舒適性心理。從室內(nèi)設(shè)計(jì)功能角度滿足人的物質(zhì)層面需求、滿足綠色環(huán)保需求、滿足人體工程學(xué)需求。從軟裝飾角度根據(jù)室內(nèi)空間形狀、面積大小以及居室主人的生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)狀況、興趣愛(ài)好，對(duì)裝飾方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，將主人本身的個(gè)性和品味更好地體現(xiàn)出來(lái)，以現(xiàn)代室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)風(fēng)格類型滿足不同需求。

產(chǎn)品體驗(yàn)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)消費(fèi)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，企業(yè)以體驗(yàn)設(shè)計(jì)為先導(dǎo)，以用戶感受為中心進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。室內(nèi)設(shè)計(jì)特別是室內(nèi)家居設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思想以及設(shè)計(jì)方案能否滿足客戶需求至關(guān)重要。設(shè)計(jì)理念需要以視覺(jué)方式向客戶呈現(xiàn)。通常情況下客戶不具備專業(yè)的室內(nèi)設(shè)計(jì)知識(shí)，設(shè)計(jì)者與客戶之間存在溝通問(wèn)題，通常的解決方案是：①以樣板房形式進(jìn)行溝通，設(shè)計(jì)者根據(jù)戶型考慮空間構(gòu)造功能、實(shí)用功能，通過(guò)軟裝飾實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，包括藝術(shù)品裝飾設(shè)計(jì)、燈具造型與光色裝飾、布藝裝飾、家具的空間裝飾布局等。樣板房形式優(yōu)點(diǎn)是客戶置身其中，可以直接體驗(yàn)到視覺(jué)藝術(shù)設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是無(wú)法滿足不同客戶需求;②通過(guò)設(shè)計(jì)效果圖進(jìn)行溝通，這種方案便于設(shè)計(jì)者根據(jù)客戶需求調(diào)整設(shè)計(jì)方案，缺點(diǎn)是客戶難于在室內(nèi)空間產(chǎn)生沉浸感，也缺少與空間的交互;③采用虛擬仿真系統(tǒng)，客戶可以在電腦上通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤在室內(nèi)空間漫游，但不是720°沉浸式體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展起來(lái)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有3個(gè)基本特征：沉浸感、交互性和構(gòu)想性。沉浸感是指通過(guò)計(jì)算機(jī)的超逼真模擬，使用戶產(chǎn)生融入虛擬世界的幻覺(jué)，成為虛擬世界主動(dòng)的參與者，甚至可以通過(guò)操控改變虛擬世界中的虛擬物體。交互性指用戶通過(guò)VR交互設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，操作虛擬物體和從虛擬環(huán)境中得到反饋。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互的自然性，但是交互實(shí)現(xiàn)需要強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)支持。構(gòu)想性是用戶在虛擬環(huán)境中構(gòu)想虛擬的體驗(yàn)過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)具有十分開放的構(gòu)想性，用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，除了體驗(yàn)真實(shí)的自然感覺(jué)，還可模擬某些不可能發(fā)生的體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療、旅游、房地產(chǎn)、仿真等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也用于室內(nèi)家裝領(lǐng)域，但僅限于漫游系統(tǒng)。

本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3個(gè)特征，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為室內(nèi)家居設(shè)計(jì)提供了一種全新的模式。通過(guò)構(gòu)建虛擬的三維環(huán)境，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建三維室內(nèi)場(chǎng)景，借助虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、手柄等硬件設(shè)備，客戶可以沉浸在虛擬的室內(nèi)場(chǎng)景中，身臨其境體驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)格。將傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題作為關(guān)切點(diǎn)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，真實(shí)地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)完成后的效果?？蛻舨粌H可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中體驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格，選擇適合自己需求的室內(nèi)設(shè)計(jì)方案，還可體驗(yàn)日常家居生活。

設(shè)計(jì)步驟：先根據(jù)某一樓盤的戶型圖進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，然后分析和記錄需要用到的家具家電等硬裝飾、軟裝飾以及室內(nèi)場(chǎng)景，并進(jìn)行等比例建模;再根據(jù)設(shè)計(jì)要求為模型制作貼圖;最后將這些模型及貼圖導(dǎo)入到Unity3D開發(fā)平臺(tái)，對(duì)H7C Vive虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備編程，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家居設(shè)計(jì)操作。

2系統(tǒng)開發(fā)步驟

2.1室內(nèi)模型設(shè)計(jì)

室內(nèi)建模工作主要包括戶型結(jié)構(gòu)模型和家具、家電、裝飾物等模型創(chuàng)建，采用3Ds Max作為建模工具，所建立的模型需要滿足以下幾個(gè)技術(shù)要求：

（1）在3Ds Max中設(shè)置1單位等于1cm，顯示單位為m，按照1：1的比例制作模型，保證體驗(yàn)者在VR設(shè)備中看到的室內(nèi)場(chǎng)景符合正常視覺(jué)比例。模型完成后導(dǎo)出，與Unity3D進(jìn)行數(shù)據(jù)交互格式為fbx，導(dǎo)出單位為cm，這樣把fbx導(dǎo)入到Unity3D中的模型比例就是1：1，不需要再作縮放匹配處理。

（2）建模方式一般采用多邊形建模，模型面數(shù)不宜過(guò)多，否則影響在Unity3D中的實(shí)時(shí)渲染速度。模型制作完成后，需要檢查是否是三邊面或四邊面，是否存在虛焊的點(diǎn)或孤立點(diǎn)，模型的法線方向是否正確等，模型檢查完成后一般需要整理一下歷史紀(jì)錄。

（3）為了正確顯示場(chǎng)景中的模型貼圖，一般需要對(duì)模型展開UV，根據(jù)正確的UV制作貼圖。常用的貼圖種類有：漫反射貼圖表現(xiàn)物體表面的顏色和反射，凹凸貼圖可以增加模型的立體感，但不改變模型的形狀，法線貼圖用來(lái)定義模型表面的傾斜度，高度貼圖是一種黑白圖，用來(lái)定義模型表面的高度，高光貼圖用來(lái)表現(xiàn)模型在光線照射條件下其表面屬性的質(zhì)感，AO貼圖用來(lái)模擬模型各個(gè)面之間的距離，生成環(huán)境遮擋貼圖。這些不同類型的貼圖根據(jù)實(shí)際情況而定，并不是每個(gè)模型都需要所有的貼圖。

（4）貼圖的長(zhǎng)度、寬度一般為2ⁿ個(gè)像素，這是便于在Unity3D中優(yōu)化使用。

2.2PBR技術(shù)應(yīng)用

為了提高模型的真實(shí)性，在將模型導(dǎo)入到Unity3D后，利用物理動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)處理材質(zhì)、環(huán)境、燈光?；谖锢淼匿秩荆≒hysically Based Rendering，簡(jiǎn)稱PBR）是一種著色與渲染方法，現(xiàn)在的PBR算法支持Cook Torrance Microsoft的BRDF理論，并在直接照明與間接照明的Shading Model中使用。PBR是基于真實(shí)世界光照物理模型的渲染技術(shù)，使用一種更符合物理學(xué)規(guī)律的方式來(lái)模擬光線，達(dá)到更真實(shí)的渲染效果，可直接調(diào)節(jié)物理參數(shù)生成新的PBR貼圖傳遞給Shader，大大提升了貼圖的適用范圍和工作效率。

在Unity3D中使用PBR材質(zhì)流程如圖2所示：在3DsMax中制作低精度模型，然后正確展開模型的UV，把低精度模型輸出到ZBrush進(jìn)行雕刻，生成高精度模型。在Sub-stance Painter中把低精度模型和高精度模型導(dǎo)入烘焙法線貼圖、AO貼圖等。在Substance Painter中導(dǎo)入低精度模型，繪制base color貼圖、金屬度貼圖、粗糙度貼圖。把上面的各種貼圖在Substance Designer中制作PBR材質(zhì)，生成sbsar文件。把sbsar文件導(dǎo)入到Unity3D后即可動(dòng)態(tài)生成PBR貼圖。

2.3系統(tǒng)功能開發(fā)

系統(tǒng)采用Unity3D作為開發(fā)引擎。Unity3D引擎是一款跨平臺(tái)的開發(fā)引擎，常用于游戲開發(fā)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的推出，現(xiàn)在也用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?；赨nity3D游戲引擎開發(fā)的室內(nèi)家居設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)者與客戶之間提供了一種直觀便捷的溝通方式，客戶可在虛擬的室內(nèi)設(shè)計(jì)場(chǎng)景中720°全方位體驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。

使用Unity3D開發(fā)的室內(nèi)家居體驗(yàn)系統(tǒng)，一是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，使人能產(chǎn)生沉浸感、構(gòu)想性，二是要實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)操作，使人能與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

利用Unity3D的實(shí)時(shí)渲染，能產(chǎn)生真實(shí)世界的光影效果，對(duì)于提升沉浸感至為重要。Unity3D通過(guò)在三維場(chǎng)景中放置Light Probe光照探頭捕捉各個(gè)方向的光線，實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)物體接收間接光功能。通過(guò)放置Reflection Probe反射探頭，使室內(nèi)物體獲得周圍環(huán)境的反射信息，光照探頭和反射探頭都可使場(chǎng)景的光影效果更為真實(shí)，如圖3、圖4所示。

利用Unity3D的腳本功能可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互操作。通過(guò)編寫C#代碼，客戶可使用HTC Vive手柄觸摸板實(shí)現(xiàn)瞬移操作，在虛擬室內(nèi)場(chǎng)景中任意漫游，從各個(gè)不同角度體驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，就像在真實(shí)的樣板房中體驗(yàn)一樣?？蛻粢部墒褂檬直系奈粘职粹o，按照自己的想法擺放家具以及裝飾物品，這是傳統(tǒng)的樣板房、效果圖或者漫游動(dòng)畫難以實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)操作?？蛻暨€可通過(guò)手柄上的扳機(jī)實(shí)現(xiàn)燈光的開關(guān)控制，體驗(yàn)在不同光線亮度下室內(nèi)設(shè)計(jì)的效果。客戶甚至可以像真實(shí)的家居一樣進(jìn)行開啟煤氣灶、開關(guān)門、淋浴等身臨其境的操作。

2.4系統(tǒng)操作

系統(tǒng)采用一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)作為主機(jī)（CPU為E51620v2，顯卡為Nvidia 1070）和H7C Vive虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，體驗(yàn)者在激光定位器的有效范圍內(nèi)（一般3m*3m即可），頭戴HTC Vive頭盔，使用HTC Vive手柄作為人機(jī)交互工具，在虛擬室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)操作，如圖5所示。

3結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)家居設(shè)計(jì)體驗(yàn)系統(tǒng)是新技術(shù)與傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)的結(jié)合，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)設(shè)計(jì)的虛擬仿真，突破了傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)間和空間的限制。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的室內(nèi)家居設(shè)計(jì)體驗(yàn)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)者與客戶之間提供了直觀的溝通橋梁，一方面設(shè)計(jì)者可以把自己的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念傳遞給客戶，另一方面客戶也可以把自己的個(gè)性化需求反饋給設(shè)計(jì)者，本文為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代室內(nèi)家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了可借鑒的思路。