潘磊

摘? 要： 針對傳統(tǒng)環(huán)境藝術設計系統(tǒng)設計出的效果圖線條過多的問題，文中設計三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)。設計系統(tǒng)所需硬件，處理器以單片機為主，外接傳感器與儲存器，對設計數(shù)據(jù)進行儲存處理，將控制器與運算器組合為中央處理單元，處理記錄環(huán)境設計數(shù)據(jù)到設計系統(tǒng)中;軟件部分設計兩個端口，服務器端口與客戶端口，服務器端口利用變換矩陣將二維圖像信息轉化為三維虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)，客戶端口使用C語言將矩陣變換結果轉換為代碼輸入到計算機中。綜合硬件與軟件設計，完成對三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)的設計。準備實驗所需軟硬件相關參數(shù)，使用三種設計系統(tǒng)對山體進行設計，實驗結果表明，與AutoCAD設計系統(tǒng)與Sketch UP設計系統(tǒng)設計出的山體效果相比，三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)設計出來的山體效果圖線條更少，更適合環(huán)境藝術設計。

關鍵詞： 環(huán)境藝術; 設計系統(tǒng); 三維虛擬現(xiàn)實; 仿真實驗; 線條使用; 效果圖線條

中圖分類號： TN99?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0125?03

Environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology

PAN Lei

（Hubei University of Technology Engineering And Technology College， Wuhan 430068， China）

Abstract： Since there are too many lines on the effect picture designed by the traditional environmental art design systems， an environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology is designed. The system hardware is designed first. The processor is based on MCU， the external sensor and memory are used to store and process the design data， and the controller and calculator are combined into a central processing unit to process and record the environment design data into the design system. In terms of the software， two ports named the server port and the client port are designed. For the server port， the two?dimensional image information is converted into three?dimensional virtual reality data by the transformation matrix. For the client port， the converted results are transformed into codes， and the codes are input into the computer by C language. The above hardware and software designs achieve the environmental art design system based on the three?dimensional virtual reality technology. The relevant software and hardware parameters required are prepared for the experiment. The three design systems are used to design the mountain. The experimental results show that， in comparison with the effect pictures of the mountain of the AutoCAD design system and the Sketch UP design system， the effect picture of environmental art design system based on three?dimensional virtual reality technology has fewer lines and is more suitable for the environment art design.

Keywords： environmental art; design system; three?dimensional virtual reality; simulation experiment; line using; line of effect picture

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實技術是一種多種技術融合的綜合體，其中包括三維虛擬現(xiàn)實技術[1]。三維虛擬現(xiàn)實技術本質就是利用計算機模型產生三維的虛擬世界，提供給使用者身臨其境的感覺，并且可以無權限地觀察三維空間內的事物。環(huán)境藝術設計使用一定的組織和圍合手段對空間進行藝術處理，運用人工照明或是自然光等一些設計語言對建筑物室內外的空間環(huán)境進行設計，體現(xiàn)出特定的氛圍和一定的風格，來滿足人們的功能使用及視覺審美上的需要[2?3]。

環(huán)境藝術設計系統(tǒng)是一個可以為環(huán)境設計師們展現(xiàn)藝術設計的平臺。引入了三維虛擬現(xiàn)實的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)可以將待設計的事物整合到一個立體空間中，使整體的設計更加立體逼真，能夠將繁瑣的設計過程簡單化，促進了環(huán)境藝術設計手法向多樣化的趨勢發(fā)展，為環(huán)境藝術設計提供了新的設計方式。

1? 硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件采用單片機為主控制器，控制處理一些特殊的環(huán)境計算過程。設計輸入環(huán)境指標單元、輸出單元，兩個單元承載虛擬現(xiàn)實技術的輸入與輸出[4]?？偟挠布O計電路框架圖如圖1所示。

根據(jù)圖1，設計系統(tǒng)的硬件，主要包括中央處理單元、存儲器、輸入/輸出接口、設計設備、通信接口以及電源。控制器采用單片機為主的微控制器，單片機結構簡單，擁有強大的編程功能，可以承載不斷變化的環(huán)境設計數(shù)據(jù)[5]。

數(shù)據(jù)功能模塊設計為地形數(shù)據(jù)模塊、建筑物模塊和植物位置模塊，三個模塊分別采集數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)模轉換。將三個模塊統(tǒng)一連接數(shù)據(jù)傳輸單元，方便轉換后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸、統(tǒng)一處理[6]。為保證處理過程的安全性、可靠性，傳感器采用SP12多功能傳感器，設計傳感器內部時鐘，在傳感器內部放置2個振蕩器，將振蕩頻率為2.5 kHz的低功耗振蕩器放置內部時鐘里，將振蕩頻率為2 MHz的振蕩器用于數(shù)據(jù)功能模塊中[7]。具體的傳感器結構如圖2所示。

傳感器外接拓展接口，幫助實際環(huán)境設計數(shù)據(jù)輸入到中央處理模塊，中央處理模塊外部輸入部分連接計算機鍵盤，由鍵盤輸入數(shù)據(jù)完成設計數(shù)據(jù)的輸入[8]。存儲器設計分為兩個模塊，系統(tǒng)程序儲存器與用戶程序儲存器。系統(tǒng)程序儲存器主要負責儲存編程器得出的系統(tǒng)數(shù)據(jù);用戶程序儲存器用來記錄設計者設計的數(shù)據(jù)[9]。為了克服因計算機運行時間過長計算機發(fā)熱，影響系統(tǒng)正常運行，硬盤驅動器數(shù)據(jù)接口采用SATA接口，至此設計系統(tǒng)的硬件設計完成，軟件設計部分用以支持設計系統(tǒng)正常運行[10]。

2? 軟件系統(tǒng)設計

將系統(tǒng)軟件設計分為兩大部分，即服務器端和客戶端，通過Internet將兩個端口相連，服務器端口為設計者提供需要的設計數(shù)據(jù)等資源，客戶端可以根據(jù)設計者的需求與服務器端口通信，整體構架圖如圖3所示。

由圖3可知，虛擬現(xiàn)實環(huán)境藝術設計系統(tǒng)的服務器端融合了三維虛擬現(xiàn)實技術、SQL Server數(shù)據(jù)庫、Virtools Multiuser Server服務器以及環(huán)境模型庫 [11]。三維虛擬現(xiàn)實技術可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，對設計者請求的數(shù)據(jù)庫內的數(shù)據(jù)進行查詢、修改、添加、刪除等操作。為了提高系統(tǒng)的拓展性和靈活性，將環(huán)境設計中的二維圖形信息經過幾何變換呈現(xiàn)出三維虛擬現(xiàn)實效果[12]。將維度轉換過程當作環(huán)境圖形在坐標系內的變化，使用齊次坐標表示二維圖形，不斷變換坐標，實現(xiàn)三維虛擬現(xiàn)實效果。此時假設變維之前的坐標為[[x，y，1]]，變換后坐標為[[x?，y?，1]]，此時的二維變換矩陣可表示為：

[T2D=adgbehcfi] （1）

式中[a]，[d]，[g]，[b]，[e]，[h]，[c]，[f]，[i]都表示二維圖像的坐標點。進行變換時，將式（1）分為4個子矩陣[13][abde]，[c，f]，[gh]和[[i]]。子矩陣[abde]是縮放、旋轉、對稱變換;[c，f]是平移變換;[gh]為投影變換，[g]可以在[x]軸上[1g]處產生一個滅點，[h]則可以在[y]軸上[1h]處產生一個滅點;[[i]]可以將整個二維圖形進行伸縮變換。所以，[1 0 0]可表示為[x]軸的無窮遠點，[0 1 0]表示[y]軸上的無窮遠點，[0 0 1]則表示原點[14]。此時，維度變換就可以通過下式實現(xiàn)：

[[x?，y?，1]=[x，y，1]100010TxTy1] （2）

式中[Tx]，[Ty]表示坐標軸中的維度變化量[15]。

將維度轉換處理過程記錄到計算機中，至此三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)設計完成。

3? 仿真實驗

3.1? 實驗參數(shù)

設計實驗所需的相關硬件軟件的參數(shù)如下所示：

CPU ：Intel Celeron D 2 GHz或者同檔次AMD CPU以上;內存：512 MB以上;顯卡：ATI Radeon 8500 64 MHz獨立顯卡或是GeForce MX440 64 MHz;硬盤：至少留有1 GB的硬盤剩余，操作系統(tǒng)：Windows 2003及以上;建模軟件：3DMAX 6;場景驅動軟件：Multigen Vega Prime 1.2.2;程序開發(fā)軟件：圖形開發(fā)庫，以環(huán)境設計中的山體為設計目標，分別使用AutoCAD設計系統(tǒng)、Sketch UP設計系統(tǒng)和三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)對山體進行設計，對比設計出的山體效果圖使用線條的數(shù)量。

3.2? 實驗結果

使用三種設計系統(tǒng)對山體的設計效果進行對比如圖4所示。

由圖4可以看出：使用AutoCAD設計系統(tǒng)設計出的山體效果圖使用線條過多;使用Sketch UP設計系統(tǒng)設計出來的山體效果圖在一定程度上減少了線條的使用，但還是存在大部分的線條，影響設計效果;而使用了三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)設計出來的山體效果圖沒有使用直觀的線條，而是采用虛擬現(xiàn)實技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)設計方法的線條，將山體與地面進行分界。在這三種設計系統(tǒng)中，三維虛擬現(xiàn)實技術的環(huán)境藝術設計系統(tǒng)設計出來的山體效果圖線條使用最少，更適合在環(huán)境藝術設計中使用。

4? 結? 語

隨著科學技術的發(fā)展，環(huán)境藝術設計已經擺脫了只用紙和筆設計方案進行實現(xiàn)的情況，計算機輔助設計已經成為了設計師的主要設計工具，在一定程度上縮短了設計周期，提高了設計質量。其中，最為出色的就是三維虛擬現(xiàn)實技術支持的環(huán)境設計系統(tǒng)，它將環(huán)境中存在的待設計元素更加真實地體現(xiàn)出來，為環(huán)境藝術設計提供了新思路。

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