基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)研究

程曉曉

摘? 要： 傳統(tǒng)的虛擬家具展示操作流程復(fù)雜，且在進(jìn)行家具角度變換時(shí)成像模糊，為解決這一問(wèn)題，提出基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)。利用3D Studio MAX建模軟件在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上確定各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的位置變化建立模型結(jié)構(gòu)，在對(duì)數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上疊加計(jì)算數(shù)字高程數(shù)據(jù)，生成具有視差的左右立體圖像對(duì)，最后建立原型節(jié)點(diǎn)機(jī)制，引入虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言動(dòng)態(tài)映射技術(shù)，完成基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行任務(wù)測(cè)試的結(jié)果可知，使用基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示成像效果清晰度為5 MP，比傳統(tǒng)方法的成像效果清晰度高出4 MP，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示的有效性。

關(guān)鍵詞： 家具虛擬展示; 用戶(hù)體驗(yàn); 3D建模; VRML動(dòng)態(tài)映射; 立體圖像對(duì)生成; 設(shè)計(jì)研究

中圖分類(lèi)號(hào)： TN99?34; TP391.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）05?0065?03

Design research on furniture virtual presentation based on user experience

CHENG Xiaoxiao

（Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： The design on furniture virtual presentation based on user experience is proposed in view of the facts that the traditional virtual furniture display operation process is complex， and the imaging is fuzzy when the angle of furniture is changed. The 3D Studio MAX modeling software is used to determine the coordinates of each point on the development platform and build the model structure according to the change of position of each point. The superposition calculation of digital elevation data is executed on the basis of calibrating the digital orthoimage data to generate left and right stereo image pairs with parallax. Finally， the prototype node mechanism is established and the virtual reality modeling language （VRML） dynamic mapping technology is introduced to complete the design of furniture virtual presentation based on user experience. The results of task test on users show that the definition of imaging effect of furniture virtual presentation on the basis of user experience is 5 MP， which is 4 MP higher than that of the traditional method. The test results verify the effectiveness of furniture virtual presentation designed on the basis of user experience.

Keywords： furniture virtual presentation; user experience; 3D modeling; VRML dynamic mapping; stereo image pair generation; design research

0? 引? 言

隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)于家具的選擇也有著更高的要求。國(guó)內(nèi)外家具市場(chǎng)發(fā)展迅猛，信息化技術(shù)在其中有著不可或缺的作用，大多數(shù)的家具軟件最初主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)、制圖方面。由于家具本身種類(lèi)多、體積大等特點(diǎn)，展廳的面積有限而不能將所有的家具都呈現(xiàn)在顧客面前[1]。為了更好地展示產(chǎn)品，近年來(lái)家具軟件逐漸趨近于展示方面的發(fā)展，主要以圖片或是Flash動(dòng)畫(huà)為主要展現(xiàn)方式，逐漸融入了人機(jī)互動(dòng)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，但是由于家具虛擬展示是剛剛興起的與高科技結(jié)合的一個(gè)項(xiàng)目，在用戶(hù)體驗(yàn)方面還不是特別完善，操作流程繁瑣復(fù)雜，且在進(jìn)行家具角度轉(zhuǎn)換時(shí)成像模糊，用戶(hù)體驗(yàn)差。

為了提高家具虛擬展示的應(yīng)用性，研究一種基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)，在保證展示功能的基礎(chǔ)上，使操作流程簡(jiǎn)化，使用門(mén)檻低，更適合投放在家具市場(chǎng)中供顧客體驗(yàn)。利用3D Studio MAX建模軟件在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上確定各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的位置變化建立模型結(jié)構(gòu)，在校準(zhǔn)數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加計(jì)算，生成具有視差的左右立體圖像對(duì)，最后建立原型節(jié)點(diǎn)機(jī)制，引入虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言動(dòng)態(tài)映射技術(shù)，完成基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)。

1? 基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示方法設(shè)計(jì)

1.1? 構(gòu)建3D虛擬模型

目前在設(shè)計(jì)方面的三維軟件發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛，3D虛擬建模也是普及最廣的三維動(dòng)畫(huà)和建模軟件[2]。本文采用的建模軟件選擇3D Studio MAX，可以在PC上開(kāi)放運(yùn)行，同時(shí)利用它集成大量的第三方插件，因此其特效制作能力和三維動(dòng)畫(huà)非常強(qiáng)大，根據(jù)家具的成像屬性，其建模流程如圖1所示。

構(gòu)建模型所用到的平臺(tái)選擇了OSG開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)的本質(zhì)實(shí)際上是一個(gè)跨平臺(tái)的C++庫(kù)。在OSG開(kāi)發(fā)平臺(tái)上要實(shí)現(xiàn)家具的虛擬展示，就要在特定環(huán)境下對(duì)家具進(jìn)行擺放并搭配，在展示的過(guò)程中體現(xiàn)建筑的美感[3]。在建模過(guò)程中，利用不同戶(hù)型作為特定環(huán)境，搭配燈具、壁紙等作為模型裝飾，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中的模型變換主要體現(xiàn)在空間組成的位置數(shù)據(jù)，空間組成是3D空間的特定位置和方向的排列。圖形空間采用常規(guī)三維坐標(biāo)系，點(diǎn)坐標(biāo)表示為[（x，y，z）]，用來(lái)定義虛擬空間中的每個(gè)點(diǎn)。為了在虛擬空間中正確擺放家具，需要建立家具和OSG平臺(tái)之間的關(guān)系[4]，因此在3D空間當(dāng)中，可以用簡(jiǎn)單空間關(guān)系來(lái)描述兩物體的空間關(guān)系。兩者之間的基本關(guān)系為平移和旋轉(zhuǎn)，可以表示為：

[X=RSX+T]? ?（1）

式中：[X=（x，y，z）T]為家具3D虛擬模型的擺放點(diǎn);[X=（x，y，z）T]，為OSG平臺(tái)中的點(diǎn);[R，S，T]分別為OSG平臺(tái)對(duì)家具的旋轉(zhuǎn)變換矩陣、比例變換矩陣和平移變換矩陣。利用生活中表示具體意義的詞匯對(duì)家具之間的關(guān)系進(jìn)行定義，至此完成了3D虛擬模型的構(gòu)建。

1.2? 生成立體圖像對(duì)

三維場(chǎng)景主要通過(guò)3D虛擬模型的數(shù)據(jù)來(lái)表現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)了3DMAX插件來(lái)校準(zhǔn)數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），在此基礎(chǔ)上疊加數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)（DOM），將校準(zhǔn)后的DEM數(shù)據(jù)和疊加的DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]，得到OSG平臺(tái)下的FBX格式文件。空間家具的3D模型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)FBX格式的文件能夠進(jìn)行部分設(shè)置，包括顏色、位置擺放等，并最終對(duì)整體效果進(jìn)行渲染。根據(jù)人眼的立體視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了左右眼分像，從而使虛擬場(chǎng)景產(chǎn)生立體感。立體圖像對(duì)的快速生成算法如圖3所示。

圖3中，假設(shè)三維空間中任一點(diǎn)[P]在左右像平面中的成像為[P1（x1，y1）]和[P2（x2，y2）]，點(diǎn)[P]的視差[d]可以用[P2-P1]來(lái)計(jì)算，得到：

[（x，y，z）=（x1，y1，f）Ld] （2）

式中：[L]代表左右焦點(diǎn)之間的間距;[f]代表焦距;[d]代表兩眼的視差。[d]與[z]之間滿足：

[d=L·fz] （3）

按照上述關(guān)系式，能夠根據(jù)左右眼不同的視線向量，即由不同的[R，S，T]來(lái)定義[6]。視線左右眼圖的同步計(jì)算，減少了復(fù)雜的操作，最終生成具有視差的左右立體圖像對(duì)。

1.3? 引入虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)映射技術(shù)

若要引入虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)映射技術(shù)，首先要利用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）對(duì)左右立體圖像對(duì)進(jìn)行定義，以層次結(jié)構(gòu)的形式將實(shí)物圖像組織成VRML動(dòng)態(tài)映射，利用這些動(dòng)態(tài)映射來(lái)表示場(chǎng)景中的各類(lèi)家具，這是本文的設(shè)計(jì)中優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。本文方法的核心就是建立簡(jiǎn)化的VRML操作步驟，因此需要將3D模型的左右立體圖像對(duì)映射成VRML虛擬世界[7]。由于數(shù)據(jù)體量大，為了減少VRML的源代碼規(guī)模，需要避免相似節(jié)點(diǎn)的重復(fù)生成。為此建立基于VRML 2.0的EXTERN PROTO原型節(jié)點(diǎn)機(jī)制，利用其特性結(jié)合已有節(jié)點(diǎn)，對(duì)家具原型進(jìn)行參數(shù)化，引用PROTO文件對(duì)新節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行自定義。VRML的映射流程如圖4所示。

在圖4中，對(duì)于VRML庫(kù)的應(yīng)用，需要嚴(yán)格限制數(shù)據(jù)的傳輸量和安全性[8]。為了利用Applet程序的優(yōu)勢(shì)，在服務(wù)器應(yīng)用程序上實(shí)現(xiàn)兩者的通信。傳輸產(chǎn)生VRML代碼的參數(shù)，進(jìn)一步再轉(zhuǎn)換為整個(gè)VEML文件[9?10]。在本系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)中以房間位置作為UCS坐標(biāo)系，其他各類(lèi)物體的相對(duì)位置屬性定義參見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中各類(lèi)標(biāo)識(shí)的屬性特征，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)映射技術(shù)，能夠在有效展示虛擬家具的同時(shí)，注重了整體設(shè)計(jì)的美感，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)操作也較為簡(jiǎn)便。至此完成了基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)的研究。

2? 基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示方法測(cè)試

在方法設(shè)計(jì)完畢后，需要開(kāi)展可用性測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示方法的有效性。選取空間中某家具，分別利用傳統(tǒng)的家具虛擬展示方法和設(shè)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行虛擬旋轉(zhuǎn)展示，并在期間記錄成像效果，分別對(duì)成像效果清晰度進(jìn)行分析。

2.1? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)

為了消除測(cè)試中由于設(shè)備配置不夠帶來(lái)的誤差，兩次測(cè)試均配備了相同高配置的計(jì)算機(jī)來(lái)支撐家具虛擬展示的流暢運(yùn)行，具體參數(shù)如表2所示。

2.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，測(cè)試者分別使用傳統(tǒng)方法和設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行家具旋轉(zhuǎn)多角度展示的測(cè)試任務(wù)，測(cè)試對(duì)象選取的是一個(gè)單人家用沙發(fā)椅，在旋轉(zhuǎn)之前成像如圖5所示。

圖6和圖7中的6個(gè)圖像是分別經(jīng)過(guò)0°，30°，60°，90°，120°和150°旋轉(zhuǎn)得到的成效效果。經(jīng)過(guò)清晰度比對(duì)程序的數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)方法成像效果清晰度平均為1 MP，本文方法成像效果清晰度平均為5 MP，驗(yàn)證了基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)的有效性。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的虛擬家具展示操作流程復(fù)雜，導(dǎo)致用戶(hù)在體驗(yàn)時(shí)的成功率低的問(wèn)題，本文提出了基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行任務(wù)測(cè)試的結(jié)果可知，使用設(shè)計(jì)基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示成像效果清晰度為5 MP，比傳統(tǒng)方法的成像效果清晰度高出4 MP，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的基于用戶(hù)體驗(yàn)的家具虛擬展示的有效性。

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