張文

摘? 要： 傳統(tǒng)三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)存在內(nèi)存利用率過(guò)高的問(wèn)題，影響系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。針對(duì)上述問(wèn)題，提出VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。引用VR外戴設(shè)備，設(shè)計(jì)接觸傳感器，通過(guò)設(shè)置的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)和場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換;利用CAD和3ds MAX軟件建立家居模型，并導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中，將家居設(shè)計(jì)展示在用戶面前，通過(guò)VRML建模語(yǔ)言調(diào)整模型的屬性，實(shí)現(xiàn)三維家居設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，在使用相同的模型文件情況下，與傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計(jì)及展示系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)內(nèi)存利用率更低，系統(tǒng)運(yùn)行更流暢。

關(guān)鍵詞： 三維家居; 家居展示; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); VR技術(shù); 家居建模; 系統(tǒng)測(cè)試

Abstract： In allusion to the memory utilization is too high in the traditional 3D home design and its display system， which affects the system′s running fluency， a development and application of 3D home design and display system based on VR technology is proposed. VR external wearing equipment is used to design contact sensor， and the conversion of viewpoint and scene is realized by setting sensor nodes. The CAD and 3ds Max software are used to build home model， which is imported into the virtual scene to display the home design to users. The attributes of the model is adjusted by means of VRML modeling language to realize 3D home design. The testing results show that， under the condition of using the same model file， the designed VR technology of 3D home design and display system has lower memory utilization and runs more fluency in comparison with the traditional 3D home design and display system.

Keywords： 3D home; home display; system design; VR technology; home modeling; system testing

0? 引? 言

VR是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的縮寫，是一種集合計(jì)算機(jī)、電子信息和仿真技術(shù)于一體的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感，具有較好的交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性[1]。目前該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在影視、教育、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域，其中有一部分專業(yè)人士已經(jīng)研究出虛擬實(shí)驗(yàn)室、漫游系統(tǒng)和數(shù)字展覽館等，具有良好的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高，家居設(shè)計(jì)和家裝行業(yè)得到快速發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多的人對(duì)自己的家居有著自己的個(gè)性化設(shè)計(jì)要求，通常通過(guò)三維家居展示系統(tǒng)與設(shè)計(jì)師一起協(xié)同工作完成自己的DIY設(shè)計(jì)[3]。但是傳統(tǒng)的家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)缺少交互性，并且在使用該系統(tǒng)時(shí)，存在內(nèi)存利用率過(guò)高的問(wèn)題，影響系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度。

針對(duì)上述情況，將VR技術(shù)引入到三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)中，將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合在一起，突破時(shí)間和空間領(lǐng)域，使用戶沉浸在家居設(shè)計(jì)和展示的環(huán)境中，隨意操作設(shè)計(jì)并得到環(huán)境真實(shí)的反饋。

1? 三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

利用VR技術(shù)的交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)感知操作實(shí)現(xiàn)用戶與家居設(shè)計(jì)及展示系統(tǒng)的互動(dòng)，主要通過(guò)傳感器、視點(diǎn)、事件觸發(fā)和事件路徑實(shí)現(xiàn)互動(dòng)能力[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)是交互能力的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)交互能力將三維家居展示給用戶，在三維家居設(shè)計(jì)場(chǎng)景圖中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般是以其他節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的身份而存在，其父節(jié)點(diǎn)稱為可觸發(fā)節(jié)點(diǎn)，觸發(fā)條件和時(shí)機(jī)由傳感器節(jié)點(diǎn)類型確定[5]。

使用在VR中較為常見的接觸傳感器。系統(tǒng)中家居場(chǎng)景的變換由接觸傳感器的節(jié)點(diǎn)控制，用戶在使用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)，佩戴外部設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)部存在一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)是它的子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)被觸發(fā)，引發(fā)某種特定的變化[6]。而視點(diǎn)的變化需要不同的觸發(fā)傳感器，在虛擬場(chǎng)景中用戶視線觀察的位置為視點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，用戶通過(guò)觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)切換視點(diǎn)。將視點(diǎn)切換與上述場(chǎng)景變化的視點(diǎn)變化聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)事件體系，該事件體系由相互通信的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，在傳感器節(jié)點(diǎn)上存在多個(gè)事件入口和對(duì)應(yīng)的事件出口，當(dāng)用戶觸發(fā)后它就此事件傳送一個(gè)特定的值，則該節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前視點(diǎn)[7]。根據(jù)以上內(nèi)容確定接觸傳感器的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

通過(guò)接觸傳感器調(diào)整觀察的視角，完成場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬家居環(huán)境的交互。

2? 三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 構(gòu)建三維家居模型

三維家居展示的真實(shí)程度主要由家居設(shè)計(jì)中建模的精細(xì)程度決定，設(shè)計(jì)過(guò)程就是建模過(guò)程，主要分為家居數(shù)據(jù)采集、CAD繪制、模型構(gòu)建、紋理貼圖和美化等[8]。

通過(guò)攝影方式采集家居的各種信息，采用專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)拍攝，有助于后續(xù)處理，突出家居細(xì)節(jié)特征[9]。利用圖像編輯軟件對(duì)獲得圖像信息進(jìn)行調(diào)整和特效處理，使圖片達(dá)到最佳展示效果[10]。在圖像編輯軟件中進(jìn)行畸變校正，修正圖像中透視變形、暗影等攝影硬件造成的圖像缺陷問(wèn)題;對(duì)于形態(tài)復(fù)雜的家具，通過(guò)摳像去底手段，減少干擾因素，呈現(xiàn)實(shí)物精細(xì)輪廓;對(duì)于圖像中存在的色調(diào)、色相和亮度偏差問(wèn)題，利用曲線工具將其減弱，在顯示效果達(dá)到滿意程度后，將圖片保存。

根據(jù)獲取的圖像建立三維模型，需要確定家居內(nèi)部各個(gè)組成部分的位置信息，設(shè)置圖像中的坐標(biāo)為二維平面坐標(biāo)，通過(guò)參照物得到家居內(nèi)物品的三維空間的位移量，與二維坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，坐標(biāo)系上的物品在水平方向的位置為[Δx]，縱向方向?qū)?yīng)物品在縱向的位移量為[Δy]。二維坐標(biāo)系中參照物的點(diǎn)為：

式中：[p0]為參照物坐標(biāo);[pzx，y，z]為二維圖像左上角位置;[plx，y，z]為二維圖像右上角位置。確定家居設(shè)計(jì)中各個(gè)部分的位置信息后，利用建模軟件建立整個(gè)家居產(chǎn)品模型。

三維模型的建立需要利用二維三視圖，通過(guò)CAD軟件繪制建模所需要的尺寸結(jié)構(gòu)線，導(dǎo)入至3ds MAX中直接拉伸出實(shí)體模型。建模完成后，利用3ds MAX的基本材質(zhì)，使用三種參數(shù)構(gòu)成對(duì)象表面，三種參數(shù)分別是環(huán)境光顏色、漫反射顏色和高光顏色，使用這三種顏色和對(duì)高光區(qū)的控制，生成出有效的渲染效果。完成渲染后，通過(guò)設(shè)計(jì)接觸傳感器控制家居模型，根據(jù)個(gè)人需要設(shè)計(jì)出滿足自身需求的家居類型，并將其展示出來(lái)。

2.2? 基于VRML的三維家居設(shè)計(jì)及展示

VRML作為虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，其面對(duì)的對(duì)象是節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物，通過(guò)實(shí)例后得到復(fù)用，經(jīng)過(guò)定義后，就可以建立動(dòng)態(tài)的虛擬世界。在完成三維家居建模后，利用VRML將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，在虛擬現(xiàn)實(shí)中顯示出來(lái)，用戶佩戴VR設(shè)備，通過(guò)接觸傳感器控制模型移動(dòng)、選擇等，將虛擬環(huán)境中的家居風(fēng)格設(shè)計(jì)成滿足自身需求的家居。

在系統(tǒng)中，家居展示的界面設(shè)計(jì)非常重要，它是用戶與系統(tǒng)交換信息、傳達(dá)指令的媒介，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部信息與用戶之間的語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的初始展示界面如圖1所示，用戶選擇合適的家居設(shè)計(jì)風(fēng)格，確定后通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)置身于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，觀察家居設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

對(duì)于家居的設(shè)計(jì)主要通過(guò)VRML來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)material Material設(shè)計(jì)顏色，顏色對(duì)應(yīng)的代碼為diffuseColor。在VRML文件中，顏色的顯示用十六進(jìn)制代碼值表示，用geometry Box設(shè)計(jì)模型的大小，利用function clicked（）和if語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的不同操作。至此三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3? 三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1? 測(cè)試環(huán)境

三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于VR技術(shù)的。整個(gè)場(chǎng)景采取統(tǒng)一坐標(biāo)系，采用分塊建模，聯(lián)合組裝的策略，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)樣式，規(guī)范模型標(biāo)準(zhǔn)和紋理處理標(biāo)準(zhǔn)。故系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境選擇在基于IntelPentium架構(gòu)的個(gè)人PC機(jī)，其操作系統(tǒng)為Windows，使用的應(yīng)用軟件為VRML語(yǔ)言編輯器、Photoshop圖像處理軟件、Cool3D、AutoCAD、3ds MAX等三維建模生成工具，并將模型轉(zhuǎn)換為VRML文件。

3.2? 系統(tǒng)實(shí)體操作測(cè)試

為了確保系統(tǒng)以期望的方式運(yùn)行，按照實(shí)際需求和規(guī)范，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。將外接式頭戴設(shè)備裝備在測(cè)試人員身上，通過(guò)輸入設(shè)備操控整個(gè)系統(tǒng)中展示出的虛擬實(shí)體家居。測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)體操作能力，對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)體做移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等幾何變換調(diào)整。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)以上過(guò)程完成了虛擬環(huán)境的向左旋轉(zhuǎn)和實(shí)體移動(dòng)，證實(shí)了該系統(tǒng)實(shí)體操作功能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和測(cè)試需求。

3.3? 系統(tǒng)內(nèi)存利用率對(duì)比測(cè)試及分析

使用三維設(shè)計(jì)類的系統(tǒng)時(shí)，往往需要占用很大的內(nèi)存，承擔(dān)過(guò)多的負(fù)載，內(nèi)存利用率過(guò)高，使系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)存利用率對(duì)比測(cè)試，在測(cè)試設(shè)計(jì)的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)的同時(shí)，引用傳統(tǒng)的家居設(shè)計(jì)展示系統(tǒng)測(cè)試，兩個(gè)系統(tǒng)使用的是相同大小的VRML文件，運(yùn)行相同的時(shí)間，設(shè)置相同的操作流程。對(duì)比分析獲得結(jié)果如圖3所示。

圖3中測(cè)試結(jié)果1為傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果2為設(shè)計(jì)VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。觀察圖中結(jié)果，測(cè)試結(jié)果1中顯示，內(nèi)存利用率為98%，內(nèi)存利用量為3 941 MB;測(cè)試結(jié)果2中顯示，內(nèi)存利用率為28%，內(nèi)存利用量為982 MB。兩者相比，設(shè)計(jì)的VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)內(nèi)存利用率更低。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種非常新穎的藝術(shù)形態(tài)，將其融入到三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)開發(fā)中，通過(guò)傳感器觸發(fā)、事件輸入輸出和行為控制等功能，加強(qiáng)了交互能力，達(dá)到了真實(shí)虛擬的效果。設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)與VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試，其結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計(jì)及其展示系統(tǒng)。但是在開發(fā)過(guò)程中，受到技術(shù)水平、時(shí)間和設(shè)備的限制，導(dǎo)致虛擬場(chǎng)景美感度不夠，仍需更深層次的研究。

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