廖坤

摘 要： 現(xiàn)有的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)只能根據(jù)景觀所處位置繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)平面圖像。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，根據(jù)室內(nèi)景觀所處位置，生成真實(shí)、立體圖像，設(shè)計(jì)基于三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過分析三維虛擬視角下，室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)定位算法，完成室內(nèi)設(shè)計(jì)需求分析；通過完善室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)交互功能、設(shè)計(jì)平臺(tái)錨節(jié)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)程序，完成基于三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建。模擬平臺(tái)使用環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)用基于三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)，能繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)平面圖像和立體圖像，且圖像中室內(nèi)景觀所處位置更符合實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬視覺； 室內(nèi)設(shè)計(jì)； 定位算法； 交互功能； 錨節(jié)點(diǎn)； 驅(qū)動(dòng)程序； 立體圖像

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0180?03

Abstract： The existing interior design platform can only draw plane images of interior design according to the position of the landscape. On the basis of the existing research and to generate real and stereo images according to the position of the indoor landscape， an interior design platform based on 3D virtual vision is designed. Demand analysis of interior design is accomplished by analyzing the platform structure of interior design and indoor positioning algorithm under the 3D virtual view. The establishment of interior design platform based on 3D virtual vision is accomplished by improving the interactive function of interior design platform and designing anchor nodes and drive program of the platform. The contrast experiment was designed by simulating the operating environment of the platform. The results show that the interior design platform based on 3D virtual vision can draw plane images and stereo images of interior design， and the position of indoor landscape in images better conforms to the actual needs.

Keywords： 3D virtual vision； interior design； positioning algorithm； interactive function； anchor node； drive program； stereo image

0 引 言

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境較為簡(jiǎn)單、面積較小時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)繪制出的平面圖像可表示室內(nèi)景觀的真實(shí)位置。若室內(nèi)環(huán)境過于復(fù)雜、面積很大時(shí)，平面圖像不能確切表示景觀的真實(shí)位置，不能繪制立體圖像，成為傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)的弊端[1]。為了有效改善這種情況，引入三維虛擬視覺技術(shù)。三維虛擬視覺技術(shù)，利用相機(jī)360°環(huán)拍原理，詳細(xì)記錄室內(nèi)景觀真實(shí)情況，再通過特定的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將景觀真實(shí)情況進(jìn)行還原[2]。結(jié)合三維虛擬視覺技術(shù)，對(duì)原有室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)。通過全景信息記錄、信息數(shù)字化分析、分析結(jié)果拼接、生成圖像的工作流程，搭建全新的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)。改進(jìn)后的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)既可以繪制傳統(tǒng)平面圖像，也可以適應(yīng)大型室內(nèi)環(huán)境，生成立體景觀圖像，且生成圖像中，景觀所處的具體位置更貼合實(shí)際使用需求。

1 三維虛擬視覺技術(shù)下室內(nèi)設(shè)計(jì)需求分析

1.1 三維虛擬視角下室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

三維虛擬視角下室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)，由交互模塊、三維虛擬視覺效果展示模塊、交互性展示模塊三大部分組成。其中，交互模塊實(shí)現(xiàn)中心計(jì)算機(jī)對(duì)室內(nèi)景觀的位置確定[3?4]。在此過程中，中心計(jì)算機(jī)對(duì)室內(nèi)景觀進(jìn)行定義、命名，根據(jù)重定義后景觀的程序命名，設(shè)定相關(guān)的關(guān)聯(lián)參數(shù)。三維虛擬視覺效果展示模塊，能確保平臺(tái)使用者可以隨機(jī)調(diào)控觀察點(diǎn)，全面了解室內(nèi)景觀的位置特點(diǎn)。交互性展示模塊對(duì)前兩模塊確定的室內(nèi)景觀信息進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果，選擇不同室內(nèi)景觀間的交互方式[5]。具體平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 室內(nèi)定位算法

1.2.1 信號(hào)到達(dá)室內(nèi)景觀時(shí)間

在三維虛擬視角下，獲得信號(hào)到達(dá)室內(nèi)景觀時(shí)間，進(jìn)而確定景觀具體位置[6]。首先，取一臺(tái)已知傳輸速率的信號(hào)發(fā)射機(jī)，獲取信號(hào)從發(fā)射機(jī)傳輸至接收機(jī)的時(shí)間。根據(jù)位移、速度、時(shí)間三者間關(guān)系[7]，確定發(fā)射機(jī)、接收機(jī)間距離，這也是常用TOA定位算法的延伸體現(xiàn)。設(shè)無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度表示為[v]，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間處于同一水平線，二者間距離為[X]，發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)間為[T0]，接收機(jī)接收信號(hào)時(shí)間為[T1]，則[X]可表示為：

1.2.2 信號(hào)到達(dá)時(shí)間差

當(dāng)信號(hào)發(fā)射機(jī)與信號(hào)接收機(jī)間距離過遠(yuǎn)時(shí)，單獨(dú)的信號(hào)不足以判斷二者間距離[8]。在此種情況下，需要發(fā)射兩種信號(hào)，根據(jù)接收機(jī)接收兩種信號(hào)的時(shí)間差值，確定二者間的距離[9]。設(shè)兩種信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度分別為[v]和[v′]，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間距離為[X′]，接收機(jī)接收到第一種信號(hào)的時(shí)間為[T1]，接收到第二種信號(hào)的時(shí)間為[T2]，則[X]可表示為：

2 基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建

2.1 基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)的交互功能

三維虛擬視覺技術(shù)作為室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)新的互動(dòng)方式，確保設(shè)計(jì)者可直接獲得室內(nèi)景觀的真實(shí)位置，其具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

其中三維視覺虛擬模型采集交互景觀的虛擬視覺數(shù)據(jù)，分析景觀之間的映射關(guān)系，通過3ds MAX等軟件，建立室內(nèi)景觀設(shè)計(jì)的三維虛擬模型。景觀位置確定是交互功能平臺(tái)的重要部分，可通過對(duì)景觀位置的確定，為設(shè)計(jì)者提供最直觀的設(shè)計(jì)信息[10]。交互功能設(shè)計(jì)，完成交互動(dòng)作設(shè)計(jì)后，對(duì)室內(nèi)其他景觀進(jìn)行交互功能設(shè)計(jì)，確保景觀的旋轉(zhuǎn)、縮放功能可以正常實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)應(yīng)用將完成交互功能的平臺(tái)，與室內(nèi)景觀模型融為一體，為設(shè)計(jì)者提供最準(zhǔn)確的室內(nèi)景觀設(shè)計(jì)信息。

2.2 基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)錨節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

平臺(tái)錨節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)射WiFi，ZigBee兩種無(wú)線信號(hào)，電源轉(zhuǎn)換及開關(guān)電路，為WiFi模塊和ZigBee模塊提供無(wú)線信號(hào)，復(fù)位電路為兩個(gè)模塊提供所需供電。具體錨節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中WiFi模塊和ZigBee模塊只需接收供電即可，省去Debug結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能工序，減少能源的浪費(fèi)。

2.3 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)程序，包括WiFi模塊程序和ZigBee節(jié)點(diǎn)程序。其中WiFi模塊程序建立在三維虛擬lua腳本語(yǔ)言基礎(chǔ)上，對(duì)原有C語(yǔ)言操作系統(tǒng)進(jìn)行重新編譯。三維虛擬lua腳本語(yǔ)言具有小巧靈活、便于在程序中進(jìn)行嵌套操作等特點(diǎn)。應(yīng)用三維虛擬lua腳本語(yǔ)言，不僅省去了室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)操作必須的強(qiáng)大應(yīng)用庫(kù)，也很大程度上解放了API的開發(fā)功能，為使用基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)帶來更大的便利[11]。圖5展示了以通信節(jié)點(diǎn)為例，WiFi模塊的工作流程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表如表1所示。

上述過程完成了基于三維虛擬視覺室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建，為驗(yàn)證該平臺(tái)與普通平臺(tái)的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)搭載兩種平臺(tái)的計(jì)算機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

項(xiàng)目欄從上至下依次為處理器主頻、總線數(shù)量、圖像存儲(chǔ)量、平臺(tái)穩(wěn)定等級(jí)、預(yù)計(jì)成圖時(shí)間、圖像大小。其中平臺(tái)穩(wěn)定等級(jí)為Ⅴ級(jí)，代表平臺(tái)穩(wěn)定性極高；圖像大小為本次實(shí)驗(yàn)規(guī)定。為了保證實(shí)驗(yàn)的公平性，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組參數(shù)設(shè)定均保持一致。

3.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像繪制對(duì)比

完成平面圖像繪制后，令兩組計(jì)算機(jī)同時(shí)停止工作，休息10 min后，再同時(shí)開始繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像。繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像水平，依靠RYS指標(biāo)判斷。通常情況下，RYS指標(biāo)變化幅度越小，代表繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像水平越高，若RYS指標(biāo)變化幅度超過限定范圍，可認(rèn)為待檢測(cè)平臺(tái)不具備繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像能力。本階段實(shí)驗(yàn)不對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6中與坐標(biāo)軸平行的實(shí)線為RYS指標(biāo)的限定上限，實(shí)曲線為實(shí)驗(yàn)組RYS指標(biāo)曲線；虛曲線為對(duì)照組RYS指標(biāo)曲線。由圖6可知，實(shí)驗(yàn)組RYS指標(biāo)變化幅度較小，繪制室內(nèi)設(shè)計(jì)立體圖像水平越高。對(duì)照組RYS指標(biāo)變化幅度極大，且部分曲線超過RYS指標(biāo)的限定范圍，可證明普通室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)不具備設(shè)計(jì)立體圖像能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于三維虛擬視覺的室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)，與普通室內(nèi)設(shè)計(jì)平臺(tái)相比，不論繪制平面圖像還是立體圖像，均具備極高的參考價(jià)值。因此，值得大力推廣。

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