三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

潘磊

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的效果圖線條過多的問題，文中設(shè)計(jì)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需硬件，處理器以單片機(jī)為主，外接傳感器與儲(chǔ)存器，對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存處理，將控制器與運(yùn)算器組合為中央處理單元，處理記錄環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中;軟件部分設(shè)計(jì)兩個(gè)端口，服務(wù)器端口與客戶端口，服務(wù)器端口利用變換矩陣將二維圖像信息轉(zhuǎn)化為三維虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，客戶端口使用C語言將矩陣變換結(jié)果轉(zhuǎn)換為代碼輸入到計(jì)算機(jī)中。綜合硬件與軟件設(shè)計(jì)，完成對(duì)三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需軟硬件相關(guān)參數(shù)，使用三種設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)山體進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與AutoCAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)與Sketch UP設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的山體效果相比，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的山體效果圖線條更少，更適合環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境藝術(shù); 設(shè)計(jì)系統(tǒng); 三維虛擬現(xiàn)實(shí); 仿真實(shí)驗(yàn); 線條使用; 效果圖線條

中圖分類號(hào)： TN99?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）11?0125?03

Environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology

PAN Lei

（Hubei University of Technology Engineering And Technology College， Wuhan 430068， China）

Abstract： Since there are too many lines on the effect picture designed by the traditional environmental art design systems， an environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology is designed. The system hardware is designed first. The processor is based on MCU， the external sensor and memory are used to store and process the design data， and the controller and calculator are combined into a central processing unit to process and record the environment design data into the design system. In terms of the software， two ports named the server port and the client port are designed. For the server port， the two?dimensional image information is converted into three?dimensional virtual reality data by the transformation matrix. For the client port， the converted results are transformed into codes， and the codes are input into the computer by C language. The above hardware and software designs achieve the environmental art design system based on the three?dimensional virtual reality technology. The relevant software and hardware parameters required are prepared for the experiment. The three design systems are used to design the mountain. The experimental results show that， in comparison with the effect pictures of the mountain of the AutoCAD design system and the Sketch UP design system， the effect picture of environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology has fewer lines and is more suitable for the environment art design.

Keywords： environmental art; design system; three?dimensional virtual reality; simulation experiment; line using; line of effect picture

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種多種技術(shù)融合的綜合體，其中包括三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]。三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生三維的虛擬世界，提供給使用者身臨其境的感覺，并且可以無權(quán)限地觀察三維空間內(nèi)的事物。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)使用一定的組織和圍合手段對(duì)空間進(jìn)行藝術(shù)處理，運(yùn)用人工照明或是自然光等一些設(shè)計(jì)語言對(duì)建筑物室內(nèi)外的空間環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出特定的氛圍和一定的風(fēng)格，來滿足人們的功能使用及視覺審美上的需要[2?3]。

環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)可以為環(huán)境設(shè)計(jì)師們展現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計(jì)的平臺(tái)。引入了三維虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以將待設(shè)計(jì)的事物整合到一個(gè)立體空間中，使整體的設(shè)計(jì)更加立體逼真，能夠?qū)⒎爆嵉脑O(shè)計(jì)過程簡單化，促進(jìn)了環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)手法向多樣化的趨勢(shì)發(fā)展，為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)方式。

1? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用單片機(jī)為主控制器，控制處理一些特殊的環(huán)境計(jì)算過程。設(shè)計(jì)輸入環(huán)境指標(biāo)單元、輸出單元，兩個(gè)單元承載虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸入與輸出[4]。總的硬件設(shè)計(jì)電路框架圖如圖1所示。

根據(jù)圖1，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件，主要包括中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、設(shè)計(jì)設(shè)備、通信接口以及電源?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)為主的微控制器，單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，擁有強(qiáng)大的編程功能，可以承載不斷變化的環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[5]。

數(shù)據(jù)功能模塊設(shè)計(jì)為地形數(shù)據(jù)模塊、建筑物模塊和植物位置模塊，三個(gè)模塊分別采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。將三個(gè)模塊統(tǒng)一連接數(shù)據(jù)傳輸單元，方便轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸、統(tǒng)一處理[6]。為保證處理過程的安全性、可靠性，傳感器采用SP12多功能傳感器，設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部時(shí)鐘，在傳感器內(nèi)部放置2個(gè)振蕩器，將振蕩頻率為2.5 kHz的低功耗振蕩器放置內(nèi)部時(shí)鐘里，將振蕩頻率為2 MHz的振蕩器用于數(shù)據(jù)功能模塊中[7]。具體的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器外接拓展接口，幫助實(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到中央處理模塊，中央處理模塊外部輸入部分連接計(jì)算機(jī)鍵盤，由鍵盤輸入數(shù)據(jù)完成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的輸入[8]。存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)分為兩個(gè)模塊，系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器與用戶程序儲(chǔ)存器。系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存編程器得出的系統(tǒng)數(shù)據(jù);用戶程序儲(chǔ)存器用來記錄設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)[9]。為了克服因計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間過長計(jì)算機(jī)發(fā)熱，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，硬盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)接口采用SATA接口，至此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完成，軟件設(shè)計(jì)部分用以支持設(shè)計(jì)系統(tǒng)正常運(yùn)行[10]。

2? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分，即服務(wù)器端和客戶端，通過Internet將兩個(gè)端口相連，服務(wù)器端口為設(shè)計(jì)者提供需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等資源，客戶端可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求與服務(wù)器端口通信，整體構(gòu)架圖如圖3所示。

由圖3可知，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的服務(wù)器端融合了三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、SQL Server數(shù)據(jù)庫、Virtools Multiuser Server服務(wù)器以及環(huán)境模型庫 [11]。三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，對(duì)設(shè)計(jì)者請(qǐng)求的數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改、添加、刪除等操作。為了提高系統(tǒng)的拓展性和靈活性，將環(huán)境設(shè)計(jì)中的二維圖形信息經(jīng)過幾何變換呈現(xiàn)出三維虛擬現(xiàn)實(shí)效果[12]。將維度轉(zhuǎn)換過程當(dāng)作環(huán)境圖形在坐標(biāo)系內(nèi)的變化，使用齊次坐標(biāo)表示二維圖形，不斷變換坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實(shí)效果。此時(shí)假設(shè)變維之前的坐標(biāo)為[[x，y，1]]，變換后坐標(biāo)為[[x?，y?，1]]，此時(shí)的二維變換矩陣可表示為：

[T2D=adgbehcfi] （1）

式中[a]，[d]，[g]，[b]，[e]，[h]，[c]，[f]，[i]都表示二維圖像的坐標(biāo)點(diǎn)。進(jìn)行變換時(shí)，將式（1）分為4個(gè)子矩陣[13][abde]，[c，f]，[gh]和[[i]]。子矩陣[abde]是縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱變換;[c，f]是平移變換;[gh]為投影變換，[g]可以在[x]軸上[1g]處產(chǎn)生一個(gè)滅點(diǎn)，[h]則可以在[y]軸上[1h]處產(chǎn)生一個(gè)滅點(diǎn);[[i]]可以將整個(gè)二維圖形進(jìn)行伸縮變換。所以，[1 0 0]可表示為[x]軸的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，[0 1 0]表示[y]軸上的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，[0 0 1]則表示原點(diǎn)[14]。此時(shí)，維度變換就可以通過下式實(shí)現(xiàn)：

[[x?，y?，1]=[x，y，1]100010TxTy1] （2）

式中[Tx]，[Ty]表示坐標(biāo)軸中的維度變化量[15]。

將維度轉(zhuǎn)換處理過程記錄到計(jì)算機(jī)中，至此三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1? 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)硬件軟件的參數(shù)如下所示：

CPU ：Intel Celeron D 2 GHz或者同檔次AMD CPU以上;內(nèi)存：512 MB以上;顯卡：ATI Radeon 8500 64 MHz獨(dú)立顯卡或是GeForce MX440 64 MHz;硬盤：至少留有1 GB的硬盤剩余，操作系統(tǒng)：Windows 2003及以上;建模軟件：3DMAX 6;場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)軟件：Multigen Vega Prime 1.2.2;程序開發(fā)軟件：圖形開發(fā)庫，以環(huán)境設(shè)計(jì)中的山體為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別使用AutoCAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)、Sketch UP設(shè)計(jì)系統(tǒng)和三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)山體進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)比設(shè)計(jì)出的山體效果圖使用線條的數(shù)量。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用三種設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)山體的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。

由圖4可以看出：使用AutoCAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的山體效果圖使用線條過多;使用Sketch UP設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的山體效果圖在一定程度上減少了線條的使用，但還是存在大部分的線條，影響設(shè)計(jì)效果;而使用了三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的山體效果圖沒有使用直觀的線條，而是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法的線條，將山體與地面進(jìn)行分界。在這三種設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的山體效果圖線條使用最少，更適合在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)中使用。

4? 結(jié)? 語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)已經(jīng)擺脫了只用紙和筆設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的情況，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)師的主要設(shè)計(jì)工具，在一定程度上縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。其中，最為出色的就是三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它將環(huán)境中存在的待設(shè)計(jì)元素更加真實(shí)地體現(xiàn)出來，為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)提供了新思路。

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