譚征

摘 要： 沙盤在展示虛擬建筑時(shí)，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細(xì)節(jié)處理上效果差，缺乏有效渲染以及動(dòng)畫呈現(xiàn)方式，導(dǎo)致建筑空間仿真效果差。提出三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，在對(duì)建筑空間進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真設(shè)計(jì)時(shí)，基于構(gòu)建的建筑空間坐標(biāo)系和比例尺，采用構(gòu)件的位置和參數(shù)構(gòu)建建筑空間構(gòu)件數(shù)學(xué)模型，對(duì)各構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型實(shí)施融合后構(gòu)建總體建筑空間的數(shù)學(xué)模型。采用OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于目標(biāo)建筑空間數(shù)學(xué)模型對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行擴(kuò)展加工，給目標(biāo)建筑賦予材質(zhì)和紋理特征，獲取理想的建筑空間三維虛擬視圖，將建筑空間三維虛擬視圖進(jìn)行三維渲染處理，呈現(xiàn)出生動(dòng)形象的建筑空間三維虛擬效果圖，使用動(dòng)畫設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)建筑空間三維虛擬效果圖進(jìn)行動(dòng)畫展示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提設(shè)計(jì)方法的點(diǎn)線渲染和整體渲染效果佳，能得到更加逼真的三維虛擬建筑空間仿真設(shè)計(jì)成果，并且具有較高的交互性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬建筑空間； 仿真設(shè)計(jì)； 三維渲染； 三維建模； 動(dòng)畫設(shè)計(jì)； 數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)： TN812?34； TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0168?04

Abstract： Virtual building exhibition on the sand table has poor detail processing effect of virtual building space due to space constraint， and poor simulation effect of building space due to lack of effective rendering and animation presentation mode. Therefore， a simulation design and implementation method of 3D virtual building space is proposed. During the virtual implementation and simulation design of building space， the position and parameter of the component are used to construct the mathematical model of the building space component based on the constructed building space coordinate and proportional scale. The mathematical model of the whole building space is constructed after fusing mathematical models of various components. The OpenGL virtual reality technology is used to perform extend processing of the target building based on the mathematical model of target building space. The material and texture feature of the target building are given to obtain the optimal 3D virtual view of building space. The 3D rendering for the 3D virtual view of building space is performed to present a vivid 3D virtual effect image of building space. The animation design technology is used to conduct animation display of the 3D virtual effect image of building space. The experimental results show that the proposed design method has good effects of dot?line rendering and whole rendering， can obtain a vivid simulation design result of 3D virtual building space， and has high interaction and practicability.

Keywords： 3D virtual building space； simulation design； 3D rendering； 3D modeling； animation design； mathematical model

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是通過(guò)計(jì)算機(jī)制作出的一種虛擬環(huán)境，其通過(guò)各種傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)與使用者的互動(dòng)。如今，在軍事、建筑和教育等不同領(lǐng)域上已開始逐漸使用VR技術(shù)[1]。當(dāng)前許多設(shè)計(jì)院的人員在進(jìn)行建筑仿真設(shè)計(jì)時(shí)，普遍使用Auto CAD軟件或在此平臺(tái)上再次開發(fā)的其他協(xié)助設(shè)計(jì)軟件。由于建筑仿真模型單一，在展現(xiàn)三維實(shí)體時(shí)的效果有所欠缺。傳統(tǒng)沙盤的方式在展示虛擬建筑空間的設(shè)計(jì)上，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細(xì)節(jié)上處理效果差，缺乏有效渲染以及動(dòng)畫呈現(xiàn)方式，導(dǎo)致建筑空間仿真效果差[2]。因此，本文提出三維虛擬建筑空間仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，得到形象逼真的建筑空間三維虛擬效果圖，可廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域中。

1 三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 仿真設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本文的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程，為使熟悉Auto CAD，3ds MAX等軟件的設(shè)計(jì)者能夠參與進(jìn)來(lái)，本文方法的設(shè)計(jì)與開發(fā)選用面向?qū)ο蟮乃枷雭?lái)實(shí)施。本文方法有著虛擬現(xiàn)實(shí)的效果，設(shè)計(jì)出的三維效果圖具有真實(shí)感和逼真性，設(shè)計(jì)出的路徑動(dòng)畫質(zhì)量高，便于相關(guān)人員更好地進(jìn)行視覺資源管理和設(shè)計(jì)方案的研究[3]?；窘?、專業(yè)建模、施工圖、工程量統(tǒng)計(jì)渲染及動(dòng)畫制作等部分構(gòu)成本文方法結(jié)構(gòu)圖。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 構(gòu)建建筑空間數(shù)學(xué)建模

1） 空間坐標(biāo)系和比例尺的構(gòu)建。將規(guī)格相同的磚塊鋪滿建筑物的外墻，基礎(chǔ)單位選擇單個(gè)磚塊的長(zhǎng)寬，渲染整體建筑的同時(shí)，所有磚塊也得到渲染[4]，通過(guò)此方法獲取合適的比例尺。

2） 構(gòu)件的表示。建筑構(gòu)件在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)即為構(gòu)件的位置，根據(jù)z軸、x軸和y軸的優(yōu)先順序選取最小值的坐標(biāo)點(diǎn)，也就是構(gòu)件的位置[5]。建筑物通過(guò)構(gòu)建后可當(dāng)成是一系列的構(gòu)件進(jìn)行求和處理。建筑空間數(shù)學(xué)模型為：

建筑實(shí)體的造型通過(guò)三維建模來(lái)設(shè)計(jì)完成，但建模后的建筑物體，其具有輪廓特點(diǎn)，但顏色、質(zhì)感、紋理和環(huán)境等這些視覺效果還不具備，因此，此時(shí)的建筑物體還不具有真實(shí)感。為使最終效果更加真實(shí)，需在三維模型基礎(chǔ)上采取更深入一層的設(shè)計(jì)[6]，制作出更加逼真的建筑空間三維虛擬效果圖。

1.2.2 采用OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展加工

本文方法采用OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于獲取的目標(biāo)建筑空間數(shù)學(xué)模型，對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行擴(kuò)展加工，給目標(biāo)建筑賦予材質(zhì)和紋理特征，并且在這之前為場(chǎng)景布置光源、調(diào)整視點(diǎn)、設(shè)置相機(jī)。為獲取理想的建筑空間三維虛擬視圖，需要對(duì)三維虛擬建筑空間模型進(jìn)行特殊效果的處理[7?8]。本文中采用OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的擴(kuò)展技術(shù)實(shí)現(xiàn)該效果，這些擴(kuò)展技術(shù)有：復(fù)合紋理集深度紋理的應(yīng)用；脫屏渲染環(huán)境的建立與使用；基于蒙版測(cè)試的陰影體技術(shù)；基于視覺貼圖坐標(biāo)的投影貼圖。

1.2.3 三維渲染

為了獲取預(yù)期的渲染效果，在渲染前需先修正相關(guān)參數(shù)，修正模型所處的環(huán)境，可概括成以下步驟：

1） 材質(zhì)的確定。確定材質(zhì)、貼圖坐標(biāo)計(jì)算方式，對(duì)環(huán)境光、漫反射、透明度等主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將材質(zhì)紋理添加到關(guān)鍵實(shí)體，后期還可利用修改器等工具根據(jù)各實(shí)體的材質(zhì)信息實(shí)施修正。

2） 光源的建立。電光、錐光、平行光、柱光和面光都可由本文系統(tǒng)供應(yīng)，需因環(huán)境的不同而選用合適的光源，光源的位置確定好后，達(dá)成光源的建立。

3） 視點(diǎn)和相機(jī)的建立。規(guī)劃人員安置目標(biāo)相機(jī)后確定觀察角度，視點(diǎn)安放在最優(yōu)位置，使被渲染的關(guān)鍵目標(biāo)明顯，保證環(huán)境的呈現(xiàn)效果好，這一構(gòu)圖的籌備為后期的渲染成圖做好鋪墊。

4） 配景的建立。配景的加入可以在制作渲染圖時(shí)使三維虛擬建筑更加逼真，比如增添行人、交通工具、標(biāo)牌等配景[9]。系統(tǒng)配景庫(kù)中的圖像在插入渲染圖時(shí)需選擇實(shí)際尺寸。

整體三維虛擬建筑空間的渲染，需在以上這些步驟完成后運(yùn)行渲染引擎，具體過(guò)程見圖2。

1.2.4 動(dòng)畫設(shè)計(jì)

本文方法為獲取復(fù)雜的相機(jī)動(dòng)畫和場(chǎng)景切換效果，在動(dòng)畫制作上建立折線或Bezier曲線相機(jī)路徑，通過(guò)多視窗交互方式實(shí)現(xiàn)，把路徑所有重要點(diǎn)的參數(shù)寫入。在建筑空間場(chǎng)景瀏覽模擬時(shí)，采用OpenGL動(dòng)畫與渲染動(dòng)畫技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑空間三維虛擬動(dòng)畫的呈現(xiàn)。為獲得較高分辨率的動(dòng)畫，需擴(kuò)張MPEG圖像標(biāo)準(zhǔn)并選擇MPEG壓縮算法。利用外界播放器可播放最終獲得的.avi文件，對(duì)建筑空間三維虛擬動(dòng)畫效果進(jìn)行閱覽[10]。動(dòng)畫設(shè)計(jì)的制作流程如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的三維虛擬建筑空間仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法的效果和性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 渲染效果檢測(cè)

2.1.1 點(diǎn)線渲染

渲染構(gòu)件的點(diǎn)線模型，如圖4所示。這一步是在檢查構(gòu)件的幾何空間有無(wú)錯(cuò)誤，也是建立視角的基礎(chǔ)，建立視角時(shí)需在有渲染圖形基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)已渲染的圖像得到。圖4可以看出渲染結(jié)果太嚴(yán)重，選取合適的視角觀察渲染的圖形，如圖5所示。

為獲取與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景最貼切的圖形，需多次修改視角，將得到的圖形采取光照和材質(zhì)的制作，如圖6所示。

2.1.2 圖書館整體渲染

圖書館實(shí)物圖如圖7所示。添加大理石紋理后的圖書館如圖8所示。添加木質(zhì)紋理后的圖書館如圖9所示。分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文方法對(duì)實(shí)驗(yàn)圖書館建筑空間的點(diǎn)線渲染以及整體渲染都能獲取令人滿意的效果，并且在不同度雜操作下，反復(fù)測(cè)試后都表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和安全可靠性，也符合相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，說(shuō)明本文方法的有效性和實(shí)用性。

2.2 功能檢測(cè)

在城市建筑空間規(guī)劃領(lǐng)域中設(shè)計(jì)的展示方法以往大都采用傳統(tǒng)沙盤、效果圖、三維動(dòng)畫等方法。實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析本文方法和其他方法在成熟建筑空間規(guī)劃過(guò)程中的性能情況，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可以看出：傳統(tǒng)沙盤的方式由于空間受約束，因此在細(xì)節(jié)上處理效果差；平面的效果圖展示效果時(shí)不全面，有局限性；三維動(dòng)畫只是種閱覽模式，缺少嚴(yán)謹(jǐn)性和客觀性。以上問題通過(guò)本文方法都能得到解決，在本文方法建立的三維虛擬空間中擁有無(wú)限的地點(diǎn)和時(shí)間，即使是任意地點(diǎn)和時(shí)間都能實(shí)時(shí)查看三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計(jì)效果，本文方法具有較高的交互性和實(shí)用性。

3 結(jié) 論

本文提出三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)OpenGL虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維渲染以及動(dòng)畫設(shè)計(jì)等獲取形象逼真的建筑空間三維虛擬效果圖，并對(duì)該效果圖進(jìn)行了動(dòng)畫展示，在建筑領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊文博，宋銀灝，趙新.空間布局仿真虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27（10）：2575?2581.

YANG Wenbo， SONG Yinhao， ZHAO Xin. Development of a virtual reality system for space planning simulation [J]. Journal of system simulation， 2015， 27（10）： 2575?2581.

[2] 朱傳林，王學(xué)良，范宏飛，等.閃電數(shù)據(jù)三維可視化統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象科技，2017，45（1）：59?63.

ZHU Chuanlin， WANG Xueliang， FAN Hongfei， et al. Three?dimensional visualization and statistical analysis system of lightning data [J]. Meteorological science and technology， 2017， 45（1）： 59?63.

[3] 石敏，王俊錚，魏家輝.真實(shí)感三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建與漫游方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014，26（9）：1969?1974.

SHI Min， WANG Junzheng， WEI Jiahui. Virtual scene construction and roaming [J]. Journal of system simulation， 2014， 26（9）： 1969?1974.

[4] 王永志，劉鵬彧，楊路生，等.鹽巖地質(zhì)三維建模及分析平臺(tái)研發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016，12（6）：1586?1592.

WANG Yongzhi， LIU Pengyu， YANG Lusheng， et al. Geological 3D modelling of salty rock and development of its analysis and application platform [J]. Chinese journal of underground space and engineering， 2016， 12（6）： 1586?1592.

[5] VIOLANTE M G， VEZZETTI E. Design and implementation of 3D Web?based interactive medical devices for educational purposes [J]. International journal on interactive design & manufacturing， 2017， 11（1）： 31?44.

[6] 邢慧寧，秦華，王丁玎.虛擬三維環(huán)境下的靜態(tài)距離知覺[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（20）：124?128.

XING Huining， QIN Hua， WANG Dingding. Static distance perception in virtual 3D environment [J]. Science technology and engineering， 2017， 17（20）： 124?128.

[7] JIANG Y， GUO R， HU J. Design and implementation of 3D Qipao display system based on virtual reality technology [J]. Open automation & control systems journal， 2014， 6（1）： 1785?1792.

[8] 潘文斌，劉坡，周潔萍，等.基于房屋輪廓與紋理的三維建筑模型分層次聚類研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，18（3）：406?415.

PAN Wenbin， LIU Po， ZHOU Jieping， et al. 3D building model hierarchical generalization based on building contour and texture [J]. Journal of geo?information science， 2016， 18（3）： 406?415.

[9] 楊俊.基于三維視覺的居室空間虛擬設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（23）：55?58.

YANG Jun. Virtual design and realization of room space based on 3D vision [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（23）： 55?58.

[10] 邢丹丹，郭勝國(guó)，楊志曉.大型建筑的多角度圖像三維建模仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（11）：255?258.

XING Dandan， GUO Shengguo， YANG Zhixiao. Three dimensional modeling and simulation analysis for multi?angle image of huge buildings [J]. Computer simulation， 2015， 32（11）： 255?258.