譚征

摘 要： 沙盤在展示虛擬建筑時，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細節(jié)處理上效果差，缺乏有效渲染以及動畫呈現(xiàn)方式，導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)計與實現(xiàn)方法，在對建筑空間進行虛擬現(xiàn)實和仿真設(shè)計時，基于構(gòu)建的建筑空間坐標系和比例尺，采用構(gòu)件的位置和參數(shù)構(gòu)建建筑空間構(gòu)件數(shù)學模型，對各構(gòu)件的數(shù)學模型實施融合后構(gòu)建總體建筑空間的數(shù)學模型。采用OpenGL虛擬現(xiàn)實技術(shù)，基于目標建筑空間數(shù)學模型對目標建筑進行擴展加工，給目標建筑賦予材質(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行三維渲染處理，呈現(xiàn)出生動形象的建筑空間三維虛擬效果圖，使用動畫設(shè)計技術(shù)對建筑空間三維虛擬效果圖進行動畫展示。實驗結(jié)果表明，所提設(shè)計方法的點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)計成果，并且具有較高的交互性和實用性。

關(guān)鍵詞： 三維虛擬建筑空間； 仿真設(shè)計； 三維渲染； 三維建模； 動畫設(shè)計； 數(shù)學模型

中圖分類號： TN812?34； TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 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（Virtual Reality，VR）是通過計算機制作出的一種虛擬環(huán)境，其通過各種傳感器設(shè)備實現(xiàn)與使用者的互動。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]。當前許多設(shè)計院的人員在進行建筑仿真設(shè)計時，普遍使用Auto CAD軟件或在此平臺上再次開發(fā)的其他協(xié)助設(shè)計軟件。由于建筑仿真模型單一，在展現(xiàn)三維實體時的效果有所欠缺。傳統(tǒng)沙盤的方式在展示虛擬建筑空間的設(shè)計上，由于空間的約束性，在虛擬建筑空間的細節(jié)上處理效果差，缺乏有效渲染以及動畫呈現(xiàn)方式，導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)計與實現(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)計與實現(xiàn)

1.1 仿真設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

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

1.2 虛擬現(xiàn)實和仿真設(shè)計

1.2.1 構(gòu)建建筑空間數(shù)學建模

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

2） 構(gòu)件的表示。建筑構(gòu)件在空間直角坐標系中的坐標即為構(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點，也就是構(gòu)件的位置[5]。建筑物通過構(gòu)建后可當成是一系列的構(gòu)件進行求和處理。建筑空間數(shù)學模型為：

建筑實體的造型通過三維建模來設(shè)計完成，但建模后的建筑物體，其具有輪廓特點，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，此時的建筑物體還不具有真實感。為使最終效果更加真實，需在三維模型基礎(chǔ)上采取更深入一層的設(shè)計[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)實技術(shù)進行擴展加工

本文方法采用OpenGL虛擬現(xiàn)實技術(shù)，基于獲取的目標建筑空間數(shù)學模型，對目標建筑進行擴展加工，給目標建筑賦予材質(zhì)和紋理特征，并且在這之前為場景布置光源、調(diào)整視點、設(shè)置相機。為獲取理想的建筑空間三維虛擬視圖，需要對三維虛擬建筑空間模型進行特殊效果的處理[7?8]。本文中采用OpenGL虛擬現(xiàn)實技術(shù)的擴展技術(shù)實現(xiàn)該效果，這些擴展技術(shù)有：復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；基于蒙版測試的陰影體技術(shù)；基于視覺貼圖坐標的投影貼圖。

1.2.3 三維渲染

為了獲取預期的渲染效果，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)、貼圖坐標計算方式，對環(huán)境光、漫反射、透明度等主要參數(shù)進行設(shè)置，將材質(zhì)紋理添加到關(guān)鍵實體，后期還可利用修改器等工具根據(jù)各實體的材質(zhì)信息實施修正。

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，達成光源的建立。

3） 視點和相機的建立。規(guī)劃人員安置目標相機后確定觀察角度，視點安放在最優(yōu)位置，使被渲染的關(guān)鍵目標明顯，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使三維虛擬建筑更加逼真，比如增添行人、交通工具、標牌等配景[9]。系統(tǒng)配景庫中的圖像在插入渲染圖時需選擇實際尺寸。

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行渲染引擎，具體過程見圖2。

1.2.4 動畫設(shè)計

本文方法為獲取復雜的相機動畫和場景切換效果，在動畫制作上建立折線或Bezier曲線相機路徑，通過多視窗交互方式實現(xiàn)，把路徑所有重要點的參數(shù)寫入。在建筑空間場景瀏覽模擬時，采用OpenGL動畫與渲染動畫技術(shù)實現(xiàn)建筑空間三維虛擬動畫的呈現(xiàn)。為獲得較高分辨率的動畫，需擴張MPEG圖像標準并選擇MPEG壓縮算法。利用外界播放器可播放最終獲得的.avi文件，對建筑空間三維虛擬動畫效果進行閱覽[10]。動畫設(shè)計的制作流程如圖3所示。

2 實驗結(jié)果與分析

通過實驗對本文提出的三維虛擬建筑空間仿真設(shè)計與實現(xiàn)方法的效果和性能進行驗證。

2.1 渲染效果檢測

2.1.1 點線渲染

渲染構(gòu)件的點線模型，如圖4所示。這一步是在檢查構(gòu)件的幾何空間有無錯誤，也是建立視角的基礎(chǔ)，建立視角時需在有渲染圖形基礎(chǔ)上通過調(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)實場景最貼切的圖形，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。分析上述實驗結(jié)果可得，本文方法對實驗圖書館建筑空間的點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，反復測試后都表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和安全可靠性，也符合相關(guān)的實際應(yīng)用環(huán)境，說明本文方法的有效性和實用性。

2.2 功能檢測

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

通過表1可以看出：傳統(tǒng)沙盤的方式由于空間受約束，因此在細節(jié)上處理效果差；平面的效果圖展示效果時不全面，有局限性；三維動畫只是種閱覽模式，缺少嚴謹性和客觀性。以上問題通過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限的地點和時間，即使是任意地點和時間都能實時查看三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計效果，本文方法具有較高的交互性和實用性。

3 結(jié) 論

本文提出三維虛擬建筑空間的仿真設(shè)計與實現(xiàn)方法，通過OpenGL虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維渲染以及動畫設(shè)計等獲取形象逼真的建筑空間三維虛擬效果圖，并對該效果圖進行了動畫展示，在建筑領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 楊文博，宋銀灝，趙新.空間布局仿真虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報，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，王學良，范宏飛，等.閃電數(shù)據(jù)三維可視化統(tǒng)計分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(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.真實感三維虛擬場景構(gòu)建與漫游方法[J].系統(tǒng)仿真學報，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研發(fā)與實現(xiàn)[J].地下空間與工程學報，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].地球信息科學學報，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)計與實現(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，楊志曉.大型建筑的多角度圖像三維建模仿真分析[J].計算機仿真，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.