胡家強(qiáng) 吳鋒

摘 要： 平面效果圖以及動(dòng)畫播放方法設(shè)計(jì)出的室內(nèi)景觀虛擬效果，存在實(shí)時(shí)交互性和真實(shí)沉浸感差的弊端，用戶滿意度低。因此，設(shè)計(jì)基于三維視覺(jué)的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)方法，其采用VRML/X3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計(jì)，通過(guò)VRML語(yǔ)言模型塑造室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)，給出方法的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)流程。分析室內(nèi)戶型以及樣本間主要場(chǎng)景的仿真實(shí)現(xiàn)。采用VRML瀏覽器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀虛擬漫游系統(tǒng)，通過(guò)X3D技術(shù)塑造室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)X3D函數(shù)流程，提高室內(nèi)景觀虛擬交互功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所提方法設(shè)計(jì)出的室內(nèi)景觀虛擬效果更加真實(shí)，并且沉浸感強(qiáng)，具有較高的用戶滿意度。

關(guān)鍵詞： 三維視覺(jué)； 室內(nèi)景觀； 虛擬設(shè)計(jì)方法 ；VRML/X3D技術(shù)； 虛擬交互功能； 虛擬漫游系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）19?0040?04

Abstract： The virtual effect of the indoor landscape designed by means of animation playback method and planar effect diagram has the disadvantages of poor real?time interaction and reality immersion， and low user satisfaction. Therefore， an indoor landscape virtual design method based on 3D vision is designed， in which the VRML/X3D technology is used to realize the virtual design of indoor landscape， and the VRML language model is adopted to establish the software architecture of indoor landscape virtual design. The flowchart of the indoor landscape virtual design is given. The simulation implementation of the main indoor scene of the prototype room and house type is analyzed. The VRML browser is used to realize the virtual roaming system of indoor landscape. The X3D technology is adopted to establish the module structure of virtual roaming system of indoor building landscape. The X3D function flow is designed to improve the virtual interactive function of indoor landscape. The experimental results show that the proposed method has real indoor landscape virtual effect， strong immersion and high user satisfaction.

Keywords： 3D vision； indoor landscape； virtual design method； VRML/X3D technology； virtual interaction function； virtual roaming system

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)，其能夠在多維信息空間中塑造和諧的交互環(huán)境，在室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前建筑行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力和多樣化需求逐漸提升，大量的建筑公司將直觀形象的三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出用戶滿意度高的室內(nèi)場(chǎng)景，提高收益[1]。傳統(tǒng)平面效果圖以及動(dòng)畫播放方法設(shè)計(jì)出的室內(nèi)景觀虛擬效果，存在實(shí)時(shí)交互性和真實(shí)沉浸感差的弊端[2]。而VRML/X3D技術(shù)是一種重要的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬展示設(shè)計(jì)，VRML（Virtual Reality Medaling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）對(duì)塑造虛構(gòu)的室內(nèi)三維場(chǎng)景模型語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)置，X3D（Extensible3D，可擴(kuò)展三維）對(duì)在多媒體中整合基于網(wǎng)絡(luò)傳感的交互三維圖像的國(guó)際規(guī)范實(shí)施了定義。因此，本文提出基于三維視覺(jué)的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)方法，采用VRML/X3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計(jì)，完成室內(nèi)三維虛擬場(chǎng)景的漫游，提高室內(nèi)景觀逼真性建模以及交互功能。

1 基于三維視覺(jué)的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)方法

1.1 軟件架構(gòu)

本文基于三維視覺(jué)的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)方法的軟件架構(gòu)用圖1描述，其分為6個(gè)部分，分別是互聯(lián)網(wǎng)售房，樣板間預(yù)覽，整體室內(nèi)景觀虛擬化游覽，客戶的基本信息歸納整理等。利用三維視覺(jué)的虛擬化設(shè)計(jì)提高室內(nèi)景觀的真實(shí)沉浸感。

1.2 工作方式

互聯(lián)網(wǎng)B/S結(jié)構(gòu)是室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在服務(wù)器端（Server）所給的VRML文件中也包括其他要素，如動(dòng)畫、影像、聲音等，這些都與客戶計(jì)算機(jī)平臺(tái)毫無(wú)關(guān)系。Clicnt端能使用本機(jī)瀏覽器中的VRML插件做出虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并且能依靠網(wǎng)絡(luò)下載所需要的文件。為了更方便快捷地在本地電腦里實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)工作，VRML文件可以依靠本身數(shù)據(jù)量小，縮減傳輸量來(lái)完成[3]。如圖2所示，設(shè)計(jì)師使用個(gè)人電腦在其中進(jìn)行虛擬環(huán)境和建造模型的設(shè)計(jì)，并用虛擬的產(chǎn)品模型與之融合，在此基礎(chǔ)上利用外部程序操控開(kāi)展現(xiàn)實(shí)交互。將這些數(shù)據(jù)整合歸納，連接服務(wù)器。這樣就可以讓參觀者從Intemet連接服務(wù)器，對(duì)其所用數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，其中的模型可以利用瀏覽器進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，此時(shí)這臺(tái)電腦就可以作為一個(gè)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬漫游。

在關(guān)于真實(shí)感受方面，虛擬構(gòu)造的展示場(chǎng)景更容易讓人接受。與常規(guī)的展示設(shè)計(jì)相比，虛擬空間展示可以全部模擬出現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，參觀者可以完全參與其中，與其互動(dòng)，大大增加了場(chǎng)景的真實(shí)性[4]，而不是單一靜止地展示環(huán)境。

1.3 室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)流程

可以按照軟件工程的思想指導(dǎo)來(lái)劃分項(xiàng)目，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。其目標(biāo)分別為需求分析，可行性分析，系統(tǒng)分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)，交付，試運(yùn)行等。從室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)，首先要建立小區(qū)環(huán)境場(chǎng)景建模。使用VRML語(yǔ)言編輯和可視化虛擬設(shè)計(jì)軟件[5]，二者搭配使用分批建造幾何模型；其他大場(chǎng)景再使用部分小場(chǎng)景拼合。室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)流程如圖3所示，具體描述為：

1） 采集數(shù)據(jù)。關(guān)于各種參考數(shù)據(jù)的采集，用于數(shù)據(jù)建模期。

2） 房地產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的基本模式建立。房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)小區(qū)的構(gòu)成分為三大類：樓房，分別為基腳模型、戶型模型和樓梯模型等；各個(gè)房屋戶型，分別為地面、窗戶、墻面、門等；還有小區(qū)環(huán)境，分別為小區(qū)大門模型、小區(qū)樓房模型、小區(qū)內(nèi)公共設(shè)施模型[6]和小區(qū)內(nèi)景觀模型等。

3） 展示模型可以用ISB軟件或者編程方式合并出來(lái)的一些基本模型，如組合小區(qū)環(huán)境模型、組合樓房模型、組合樓梯模型等。

4） 在建筑環(huán)境的體驗(yàn)中，對(duì)于小區(qū)大門新增的自動(dòng)感應(yīng)功能和模擬現(xiàn)實(shí)小區(qū)常見(jiàn)的電動(dòng)伸縮門等，都更強(qiáng)烈地加深了與展示對(duì)象的互動(dòng)感。

5） 建立網(wǎng)絡(luò)主頁(yè)、主體網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)站，還應(yīng)連接虛擬文件（*.wrl）。

6） 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，上傳系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的收尾工作。

2 主要場(chǎng)景仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 戶型

門、窗、墻面、地面等基礎(chǔ)模型構(gòu)成戶型模型。一套房屋的立體模型由ISB模型基礎(chǔ)組合而成。把墻面顏色的改變功能和其他互動(dòng)效果集中在一起展示，彌補(bǔ)了模型數(shù)小的缺點(diǎn)。VRML的觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)是完成這項(xiàng)功能的核心技術(shù)。圖4為戶型效果圖。

2.2 樣板間仿真實(shí)現(xiàn)

只有在戶型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)樣板間模型仿真。利用VrmlPad（或X3D?Edit）軟件的Transform節(jié)點(diǎn)編程來(lái)完成對(duì)模型地面、墻面的添加材質(zhì)（拍攝好的實(shí)木地板瓷磚等）的影像。模型外觀屬性可以利用模型節(jié)點(diǎn)造型來(lái)完成。其中，某個(gè)使用于造型的紋理映象被Texture域所定義，某個(gè)二維紋理坐標(biāo)被TextureTransform域定義在紋理映射中作為造型時(shí)，為了使映射出的模型更具備真實(shí)感，必須再三調(diào)試scale的坐標(biāo)變換值。若要依循設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)為房屋添加裝飾品、家裝用品，則等需要在地面和墻面映射結(jié)束以后（之前需要的基礎(chǔ)模型制作已經(jīng)結(jié)束）利用ISB軟件可視化來(lái)確定這些模型組合在房間里的位置[7]。同樣地M1pad（或X3D—Edit）軟件的Transform節(jié)點(diǎn)編程也可以做到這些。樣板房模型界面截圖如圖5所示。

2.3 室內(nèi)景觀虛擬漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.3.1 VRML瀏覽器

瀏覽器能夠自由地在移動(dòng)狀態(tài)模式和靜止查看模式之間實(shí)施切換，原因是瀏覽器設(shè)置有非?？茖W(xué)的控制面板，并且在兼容性、速度、質(zhì)量和擴(kuò)展能力等方面也具有先進(jìn)水平。例如，本地硬盤可以使用播放插件下載上一節(jié)所列的VMRL資源站點(diǎn)。瀏覽器播放插件在被準(zhǔn)確安置后，雙擊資源管理器中的.wrl文件，隱藏的播放插件頁(yè)面便可以打開(kāi)，針對(duì)其中的三維場(chǎng)景實(shí)施各種設(shè)置[8]，播放插件的控制面板控制著三維場(chǎng)景目前的操作，其中分為運(yùn)動(dòng)行走模式和審視觀察模式兩個(gè)部分。

2.3.2 室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

本文通過(guò)X3D技術(shù)塑造室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，程序函數(shù)包括顯示、數(shù)據(jù)鏈表更新建立、控制消息捕獲、輸入X3D格式文件等[9]，室內(nèi)建筑景觀虛擬漫游系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文通過(guò)X3D函數(shù)中的X3D數(shù)據(jù)接口和碰撞檢測(cè)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和更新，提高室內(nèi)景觀虛擬交互功能。針對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和更新，可以由碰撞檢測(cè)完，再由X3D函數(shù)端口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)更新。而建立程序本身的數(shù)據(jù)鏈表最初階段依據(jù)X3D的數(shù)據(jù)格式創(chuàng)建，用戶控制消息由消息捕獲模塊進(jìn)行收獲，然后直接由碰撞檢測(cè)模塊對(duì)消息實(shí)施解析[10]，顯示器直接顯示輸出結(jié)果。X3D函數(shù)流程圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 運(yùn)行效果

采用Virtual Reality Platform軟件和本文方法對(duì)某酒店房間室內(nèi)景觀虛擬運(yùn)行效果進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型導(dǎo)入如圖8所示。

為了獲取建筑漫游系統(tǒng)更準(zhǔn)確的優(yōu)劣區(qū)別，劃分了5個(gè)不同的場(chǎng)景漫游。詳細(xì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9是某酒店房間室內(nèi)景觀運(yùn)行效果圖。分析圖9可得，本文方法塑造的室內(nèi)景觀虛擬效果真實(shí)有效，并且具有較高的沉浸感。

3.2 性能檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)采用用戶調(diào)查問(wèn)卷措施，檢測(cè)采用本文設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的某酒店房間的室內(nèi)景觀后，不同用戶對(duì)該室內(nèi)場(chǎng)景的感興趣度。實(shí)驗(yàn)對(duì)入住該酒店房間的100個(gè)客戶發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，收回有效率是100%，通過(guò)不記名的百分制進(jìn)行打分，調(diào)查問(wèn)卷中存在用戶對(duì)室內(nèi)景觀的直觀感受評(píng)分、使用簡(jiǎn)便性評(píng)分、藝術(shù)效果評(píng)分以及感興趣度評(píng)分等，將調(diào)查問(wèn)卷分割成10組，對(duì)10組調(diào)查問(wèn)卷的平均分進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2和表3所示。

4 結(jié) 論

本文提出基于三維視覺(jué)的室內(nèi)景觀虛擬設(shè)計(jì)方法，采用VRML/X3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬設(shè)計(jì)，提高了室內(nèi)景觀的真實(shí)沉浸感和用戶滿意度。

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