王波 李憲鋒 張丹

摘? 要： 傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)由于軟件技術(shù)的局限性，無法完全實(shí)現(xiàn)復(fù)雜真實(shí)場景的三維圖形重建，不能滿足用戶的視覺真實(shí)感體驗(yàn)需求。為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率，呈現(xiàn)真實(shí)的室內(nèi)空間設(shè)計(jì)，拉近設(shè)計(jì)與用戶之間的距離，提出基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和VR-GIS理論相結(jié)合，繪制室內(nèi)空間信息和圖形，生成室內(nèi)空間重建全景圖，創(chuàng)建室內(nèi)空間重建數(shù)字模型，達(dá)到真實(shí)呈現(xiàn)室內(nèi)空間場景的目的。最后，利用位置對比得到室內(nèi)空間重建的數(shù)字模型，并以此模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建動態(tài)虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)復(fù)雜場景三維圖形的重建，并且通過轉(zhuǎn)換虛擬室內(nèi)空間點(diǎn)錨點(diǎn)，滿足用戶在使用過程中的真實(shí)體驗(yàn)需求。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng); 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 圖像處理; VR?GIS繪制; 室內(nèi)景觀重建; 人性化設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN911.73?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0068?04

Research on interior design system with virtual reality technology

based on image processing

WANG Bo1， LI Xianfeng2， ZHANG Dan1

（1. North China Institute of Science and Technology， Langfang 065201， China; 2. Academy of Art， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract： The traditional interior design technology fails to achieve 3D graphic reconstruction of complex real scenes， thus it can not effectively meet users′ sense of visual reality. Therefore， an interior design system with virtual reality technology based on image processing is proposed to improve the design efficiency and reconstruct the interior design. In combination with the virtual reality technology and VR?GIS （virtual reality geographic information system） theory， the indoor landscape information and image are drawn to generate the panorama and digital model of the indoor landscape reconstruction， and to reconstruct the indoor landscape. It is verified with comparison that the digital model of indoor landscape reconstruction can create dynamic virtual scenes， thus it can reconstruct the 3D graphics of complex scenes. In addition， the anchor point of virtual indoor scene can be converted to meet the needs of users′ reality sense during application.

Keywords： interior design system; virtual reality technology; image processing; VR?GIS rendering; indoor landscape reconstruction; humanized design

0? 引? 言

在計(jì)算機(jī)圖形處理能力與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，圖形學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸結(jié)合，在此背景下產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在工程領(lǐng)域信息化中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析具有重要意義?，F(xiàn)代社會人們對于居住環(huán)境的需求在不斷提高，這就對室內(nèi)設(shè)計(jì)前期方案的用戶體驗(yàn)提出了新的要求，即通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大化呈現(xiàn)空間設(shè)計(jì)效果。優(yōu)秀的室內(nèi)設(shè)計(jì)能夠提高建筑空間的質(zhì)量，并且為人們留下美好的印象，充分發(fā)揮建筑的社會功能，展現(xiàn)科學(xué)技術(shù)成就。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程是設(shè)計(jì)師圍繞用戶需求進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，利用設(shè)計(jì)圖紙的反復(fù)修改確定最終方案，這個(gè)過程中，由于非專業(yè)的用戶對于最終方案缺乏直觀的認(rèn)知，所以最終的設(shè)計(jì)結(jié)果與用戶的需求可能會產(chǎn)生脫節(jié)。另外，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程具有周期長、成本高的特點(diǎn)，這也在無形中增加了設(shè)計(jì)師的工作量，導(dǎo)致設(shè)計(jì)師不能夠很好的把精力用在設(shè)計(jì)問題的解決上。本文利用圖像處理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)的空間方案再現(xiàn)，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供一個(gè)基于虛擬三維環(huán)境的室內(nèi)空間規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并且還能夠通過動態(tài)與交互方式實(shí)現(xiàn)未來室內(nèi)空間身臨其境的全面體驗(yàn)與審視。對比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間更少，節(jié)約的資金更多，同時(shí)還能夠滿足用戶進(jìn)行空間切身體驗(yàn)的消費(fèi)需求[1]。

1? 系統(tǒng)需求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要功能如下：

1） 可視化模擬真實(shí)的室內(nèi)環(huán)境。在現(xiàn)實(shí)生活中的室內(nèi)環(huán)境要求有鮮明色彩與燈光，通過色彩的冷暖和燈光的聚散創(chuàng)造氣氛。

2） 數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)主要包括運(yùn)動物體模型、家具模型、房屋模型、裝飾模型。設(shè)計(jì)人員通過上述四種常見模型實(shí)現(xiàn)模型庫的創(chuàng)建，同時(shí)，能夠使模型調(diào)入到三維虛擬場景中進(jìn)行反復(fù)的搭配與設(shè)計(jì)，直到實(shí)現(xiàn)理想的空間設(shè)計(jì)效果。

3） 交互性。在本文設(shè)計(jì)過程中，交互性需求包括：用戶能夠以設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行漫游，對方案進(jìn)行確定;設(shè)計(jì)人員能夠通過用戶的需求對調(diào)入到三維虛擬場景的模型參數(shù)進(jìn)行修改。以上的交互性都是通過Java和VRML通信機(jī)理實(shí)現(xiàn)的。Java對VRML場景控制過程中，通過附加封裝類EAI進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，Java通過此類能夠動態(tài)化地實(shí)時(shí)控制VRML場景。

根據(jù)VRML?Java虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建室內(nèi)系統(tǒng)，主要目的就是輔助設(shè)計(jì)與空間效果漫游。輔助設(shè)計(jì)工作主要包括：通過首次分析用戶的需求，對調(diào)用模型庫的模型進(jìn)行分析，生成初始場景和用戶的漫游結(jié)果;然后通過客戶的反饋信息進(jìn)行修改，對最終的方案進(jìn)行確定。為了將結(jié)果漫游展現(xiàn)出來，要利用窗口展現(xiàn)所生成的三維虛擬場景，并且以戶型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)漫游路徑，方便設(shè)計(jì)人員與用戶觀察設(shè)計(jì)結(jié)果。以功能進(jìn)行劃分，系統(tǒng)包括漫游模塊與輔助設(shè)計(jì)模塊[2]，系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 虛擬現(xiàn)實(shí)和VR?GIS繪制室內(nèi)空間

為了提高虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的整體穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合模型與圖像兩種方法?；趫D像方法利用全景圖對整體室內(nèi)經(jīng)緯空間和水平空間環(huán)繞瀏覽，之后通過無縫連接與紋理映射技術(shù)隨意地切換空間范圍中的視線，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間圖像的三維重建?；谀Ｐ头椒ㄖ饕峭ㄟ^室內(nèi)空間的實(shí)體位置創(chuàng)建虛擬環(huán)境，通過建模工具中的渲染功能與統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式，輸出空間重建圖。VR?GIS理論能夠?qū)⑷S空間數(shù)據(jù)分析與可視化模擬能力進(jìn)行重建，為了有效實(shí)現(xiàn)此理論，就要利用遙感重置得出室內(nèi)空間的影像圖，之后利用GL圖形庫工具對圖像進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)重建，最后利用相應(yīng)的工具繪制室內(nèi)空間的重建圖形[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合VR?GIS理論主要包括功能一體化、功能結(jié)合與數(shù)據(jù)結(jié)合。VR?GIS屬于后臺數(shù)據(jù)管理平臺，所以要求室內(nèi)空間信息能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的相互交流，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互能力綜合分析室內(nèi)景觀的分布，從而能夠在不同位置中都能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)，對景觀重建圖像進(jìn)行繪制，虛擬現(xiàn)實(shí)和VR?GIS的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3? 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的使用

終端/主機(jī)結(jié)構(gòu)通過一臺大型主機(jī)與多臺相互連接終端構(gòu)成，大型主機(jī)為主要核心。在此結(jié)構(gòu)中，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)工作，終端只是輸入/輸出設(shè)備。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢為用戶能夠有效使用共享資源，但是因?yàn)橹鳈C(jī)包攬數(shù)據(jù)處理工作，因此要求其具備高性能。

為了彌補(bǔ)終端/主機(jī)的不足，基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中間添加一層，使原本用戶機(jī)負(fù)責(zé)的功能在中間層實(shí)現(xiàn)，此中間層就是Web服務(wù)器層。因此，用戶端就不負(fù)責(zé)原本數(shù)據(jù)的存取，人們只需要將瀏覽器安裝在用戶端即可。之后，將原本服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安裝[4]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4? 人性化設(shè)計(jì)

空內(nèi)空間的布局尤為重要，其和用戶入住之后的便捷性、舒適性密切相關(guān)。如果布局不合理，會給用戶日后的生活工作帶來諸多的不便。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)入到服務(wù)器網(wǎng)頁之后，能夠選擇不同的家具模型，但是最合理、最科學(xué)的選擇也許并不是最可取的，這其中還要考慮每個(gè)用戶的個(gè)人喜好、情感投入、文化需求等因素，尊重用戶個(gè)人的風(fēng)格喜好和情感需求也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述需求，本文實(shí)現(xiàn)人性化模塊設(shè)計(jì)。用戶在進(jìn)入到網(wǎng)頁后對此模塊進(jìn)行選擇，根據(jù)提示內(nèi)容實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的輸入，規(guī)劃理想戶型。在得出初步模型之后，用戶就能夠單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)房間，最后將此房間進(jìn)行組合，從而使其成為滿足需求的戶型[5]。

5? 室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析

5.1? 室內(nèi)空間重建的全景圖

在室內(nèi)空間全景圖重建過程中，利用人眼雙眼余光或者正常視角拍攝室內(nèi)的空間。為了保證全景圖重建的真實(shí)性，通過圓柱面、球面、立方體等各種方式有效表達(dá)室內(nèi)的空間，考慮本文中的數(shù)字模型，下述過程為室內(nèi)空間通過圓柱全景圖的展現(xiàn)，本文利用造景師軟件實(shí)現(xiàn)重建全景圖的生成，空間重建全景圖的生成過程如圖4所示。

5.2? 模型素材的修改

1） 簡化模型面數(shù)。本文研究的室內(nèi)模型雛形指的是現(xiàn)成max高精度模型，模型的整體主要包括84萬個(gè)面，因?yàn)橥ㄟ^平面效果圖制作與渲染展現(xiàn)平面高度，面數(shù)高度并不會影響到單幀效果圖的渲染，但是基于實(shí)時(shí)渲染為核心的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，要高于室內(nèi)空間小場景的面數(shù)，就會增加硬件的負(fù)擔(dān)。那么，就要對原模型的面數(shù)進(jìn)行瘦身。比如，三人長的沙發(fā)，原本的模型面數(shù)共有5.6萬個(gè)三角面，基于原本模型整體的形態(tài)不變，使多余的面數(shù)去除，使面數(shù)控制到1萬面左右。面數(shù)簡化的主要方法包括刪除沒有作用的面數(shù)線段，或者將看不到的面刪除[6]。多余面的刪除如圖5所示。

2） 修改模型UV。為了將貼圖紋理正確地展現(xiàn)出來，每個(gè)原模型都要制定貼圖坐標(biāo)UV，使每個(gè)模型中都設(shè)置無重疊UV，將原本UV保留，為模型設(shè)置新貼圖通道2，在此通道中使用uvw開展命令展平UV。兩個(gè)通道的UV如圖6所示。場景模型不僅包括貼圖紋理UV，還具有燈光貼圖UV，兩者并不會沖突。最后，逐一導(dǎo)出修改模型，將其作為ASE模型文件，并且還是UDK引擎的支持模型格式。

5.3? 制作貼圖素材

貼圖為物體表面紋理，貼圖無法提高模型復(fù)雜程度，此步驟能夠突出對象細(xì)節(jié)重點(diǎn)，從而提高模型質(zhì)感，完善模型造型，使所創(chuàng)建的三維場景更接近現(xiàn)實(shí)。

1） 烘焙燈光貼圖。貼圖烘焙技術(shù)指的是渲染max光照信息作為貼圖的方式，然后使烘焙后貼圖在場景中貼圖。光照信息就是貼圖，不需要CPU耗時(shí)進(jìn)行計(jì)算，只需要計(jì)算普通貼圖就行，具有較快的反應(yīng)速度。貼圖烘焙技術(shù)對靜幀來說并沒有太大的意義，此技術(shù)主要是在建筑漫游動畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲等領(lǐng)域中使用。

2） 原始max模型素材使用VRay渲染插件實(shí)現(xiàn)渲染，此插件具有較快的渲染速度。為了保留其強(qiáng)大渲染效果，并且將其應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，使VRay光照信息渲染成為貼圖，得出貼圖的燈光效果良好。地板紋理貼圖與烘焙Vray燈光貼圖如圖7所示。

3） 制作法線貼圖。法線貼圖是能夠在3D表面應(yīng)用的特殊紋理，與傳統(tǒng)紋理不同，只能夠應(yīng)用到2D表面。其屬于凹凸紋理擴(kuò)展，具備每個(gè)像素高度值，具有大量細(xì)節(jié)表面信息，在普通物體中創(chuàng)建大量特殊立體外形，其能夠?qū)⑷S模型充分展現(xiàn)出來，利用專用軟件使原本材質(zhì)紋理貼圖轉(zhuǎn)變成為法線貼圖[7]，皮革法線貼圖效果如圖8所示。

6? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了便于本文所分析室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開展，下述實(shí)驗(yàn)都是基于正常條件下開展的。選擇100 m2普通民居作為實(shí)驗(yàn)對象，對此民居中的洗衣機(jī)、床、冰箱、熱水器、電視機(jī)五種家電設(shè)備實(shí)現(xiàn)景觀重建檢測實(shí)驗(yàn)。

將上述五種家電設(shè)備額定功率作為主要依據(jù)，定義參數(shù)見表1，床的額定功率設(shè)置為0。

表1中的[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]指的是室內(nèi)空間[X]，[Y]，[Z]方向指數(shù)分量;[Tidx]指的是三個(gè)指數(shù)分量的和。

實(shí)驗(yàn)包括兩部分，在此空間中尋找以上五個(gè)家具電器的位置，利用普通模型結(jié)合數(shù)字模型對五個(gè)空間進(jìn)行觀測，通過檢測結(jié)果對全景圖進(jìn)行繪制和重建，對比真實(shí)位置，數(shù)字模型檢測結(jié)果和真實(shí)結(jié)果的對比如圖9所示，普通模型和真實(shí)結(jié)果的對比如圖10所示。

通過對比兩者的結(jié)果：基于普通模型的室內(nèi)空間重建檢測的結(jié)果對比真實(shí)結(jié)果具有較大誤差，在[Tidx]指數(shù)不斷增加的過程中，也會擴(kuò)大誤差。通過數(shù)字模型所重建的室內(nèi)空間，與真實(shí)結(jié)果對比誤差并不大。隨著[Tidx]指數(shù)不斷增加，誤差也沒有增加。由此可以看出，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)鼍斑M(jìn)行動態(tài)化的模擬，重建復(fù)雜場景三維圖形[8]。

7? 結(jié)? 語

本文分析了將圖像處理作為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠?yàn)槭覂?nèi)設(shè)計(jì)提供直觀、有形的三維設(shè)計(jì)解決方案。虛擬室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅能夠美化室內(nèi)空間環(huán)境，還能夠優(yōu)化室內(nèi)設(shè)計(jì)程序，使設(shè)計(jì)時(shí)間得到大幅縮短，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，從而提高室內(nèi)設(shè)計(jì)的社會價(jià)值。

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