基于虛擬現實的室內景觀重建技術

王剛

摘 要： 在提高設計效率方面，對室內景觀進行重建具有重要作用，傳統室內景觀重建技術，不能完成復雜真實場景三維圖形重建，無法滿足用戶視覺真實感要求。對此，提出基于虛擬現實的室內景觀重建方法，運用虛擬現實技術與VR?GIS理論結合的方法，對室內景觀信息及圖像進行繪制，生成室內景觀重建全景圖，建立室內景觀重建數字模型，完成室內景觀重建。分析對比試驗結果表明，室內景觀重建數字模型，可以構建動態虛擬場景，完成復雜真實場景三維圖形重建；也可以實現虛擬室內景觀錨點轉換，滿足用戶視覺真實感要求。

關鍵詞： 虛擬現實； 室內景觀； 重建技術； 圖像繪制； 全景圖重建； VR?GIS理論

中圖分類號： TN911.73?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0147?03

Abstract： The indoor landscape reconstruction plays an important role in improving design efficiency. The traditional indoor landscape reconstruction technology cannot complete the 3D image reconstruction of complex real scenes to meet users′ visual reality requirement. In this regard， an indoor landscape reconstruction method based on virtual reality is proposed. The method of combining virtual reality technology and VR?GIS theory is adopted to draw the indoor landscape information and image， generate the indoor landscape reconstruction panorama， and establish the indoor landscape reconstruction digital model to complete the indoor landscape reconstruction. The contrast experimental results are analyzed. The results show that the indoor landscape reconstruction digital model can build dynamic virtual scenes and complete 3D image reconstruction of complex real scenes， and also achieve the transformation of virtual indoor landscape anchors to meet users′ visual reality requirement.

Keywords： virtual reality； indoor landscape； reconstruction technology； image drawing； panorama reconstruction； VR?GIS theory

應用計算機、多媒體以及大規模存儲手段作為基礎技術支持，并通過寬帶網絡作為鏈接紐帶，對室內景觀進行時空、種類的空間描述，是現有室內景觀重建技術的建模方法。但由于操作手段上的局限性，常常導致這種方法不能完成復雜真實場景三維圖形重建，進而滿足用戶視覺真實感要求[1]。本文針對該問題，運用虛擬現實技術與VR?GIS理論相結合的方法，完成室內景觀重建的數字建模。又通過設計對比實驗，驗證本文所建立的數字模型，不僅可以構建動態虛擬場景，進而完成復雜真實場景三維圖形的重建，也能夠在虛擬室內進行景觀的錨點轉換，滿足用戶視覺真實感要求。

1 虛擬現實與VR?GIS的結合

虛擬現實技術和VR?GIS理論是搭建三維視覺模型的基礎工具。為了更好地建立二者之間的聯系，進而保證室內景觀數字模型的建立，本文從如下幾個方面進行了分析。

1.1 虛擬現實與VR?GIS對景觀重建圖像的繪制

為了保證虛擬現實環境的整體穩定性，本文通過基于圖像和基于模型兩種方法，對其進行實現。基于圖像法首先要通過全景圖對整體室內景觀進行水平空間和經緯空間的全方位環繞瀏覽，然后應用無縫連接和紋理映射技術[2]，完成空間范圍內的視線任意切換，進而實現室內景觀圖像的三維重建。基于模型法則是根據室內景觀的實體位置，建立與之相對應的虛擬環境，經過3D Studio等建模工具的渲染后，使用統一的數據格式輸出景觀重建圖[3]。VR?GIS理論強調可視化模擬能力與三維空間數據分析的結合，為了保證該理論的順利實現，首先通過疊置遙感獲得室內景觀影像圖，然后應用Silicon Graphics GL圖形庫中的工具包，完成重建圖像的虛擬現實開發，最后通過Microsoft DirectX工具，完成室內景觀重建圖像的繪制。

1.2 完成虛擬現實與VR?GIS的結合

虛擬現實與VR?GIS理論結合，大致需要經歷數據結合、功能結合、功能一體化三個階段[4]。首先VR?GIS作為后臺數據的管理平臺，提供虛擬現實與室內景觀信息之間的交流渠道，通過虛擬現實系統的交互能力，對整體室內景觀分布進行綜合分析，將不同景觀位置反映到虛擬現實環境當中，完成景觀重建圖像的繪制。其具體結合詳情如圖1所示。

2 利用VR?GIS完成室內景觀重建的數字建模endprint

2.1 室內景觀重建全景圖的生成

室內景觀全景圖的重建，以人眼正常的有效視角或雙眼余光視角，對整個室內景觀進行全范圍的拍攝。通常情況下，為了保證重建全景圖的真實性，應用球面、圓柱面、立方體表面三種形式，對不同的室內景觀進行表達，處于對本文所設計數字模型的綜合考慮，以下過程均采用圓柱全景圖對室內景觀進行表示[5]。本文使用造景師軟件生成室內景觀重建全景圖，操作步驟如圖2所示。

2.2 基于VR?GIS理論的室內景觀三維地形建模

室內景觀三維地形模型的搭建，可以概括為信息的數字化和生成DEM兩個部分[6]。在信息的數字化過程中，利用VR?GIS錄入數據，并對已錄入的數據進行編輯[7?8]。DEM數字高程模型是一種以數值形式存儲的方式，通過空間坐標[x，y，z]將室內區域劃分成形狀、大小都相同的網格。應用固定矩陣的行列號表示室內各景觀的地理空間定位，矩陣元素灰度值的不同，表示對應景觀的具體類型。其具體建模方案如圖3所示。

2.3 基于VR?GIS理論室內景觀重建數字模型的實現

3 實驗結果與分析

[f1]條件下所有室內景觀擺放位置均固定且不可變，該條件為本文所設。為了方便實驗的進行，以下實驗也是在[f1]條件下進行的。選定以面積為100 m2的普通民居作為實驗對象，對該民居內冰箱、床、洗衣機、電視機、熱水器5種家用設備進行景觀重建檢測實驗。

3.1 實驗參數設定

以上述5種家用設備額定功率為依據，進行參數設定，定義床的額定功率為0。

表中：[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]分別為室內景觀[X]，[Y]，[Z]方向的指數分量，這三個指數分量均由式（1）計算得來；[Tidx]為三個指數分量之和，該項參數也是如下實驗中的主要參考指標。

3.2 構建動態虛擬場景對比

實驗分兩部分進行，在該民居內找到上述5個室內景觀的位置，分別應用數字模型和普通模型對這5個景觀進行檢測，根據檢測結果繪制重建全景圖，與真實位置進行對比，如圖4、圖5所示。

通過圖4與圖5的對比，可以清楚地發現，應用普通模型對室內景觀進行重建監測，檢測結果與真實結果之間誤差較大，且隨著[Tidx]指數的增大，這種誤差也在持續增大；而應用數字模型對室內景觀進行重建監測，檢測結果與真實結果之間誤差較小，且隨著[Tidx]指數的增大，這種誤差也并沒有出現增大趨勢。因此，可以證明本文所設計的數字模型，能夠更好地構建動態虛擬場景，完成復雜真實場景三維圖形重建。

4 結 語

通過虛擬現實技術與VR?GIS理論結合的方法，可以實現室內景觀重建數字模型的建立。本文通過設計對比實驗，證明該數字模型既可以完成復雜真實場景三維圖形重建，也可以滿足用戶視覺真實感要求，具有極大的發展前景[9?10]。

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