基于三維虛擬視覺的室內設計平臺研究

廖坤

摘 要： 現有的室內設計平臺只能根據景觀所處位置繪制室內設計平面圖像。在現有研究基礎上，根據室內景觀所處位置，生成真實、立體圖像，設計基于三維虛擬視覺的室內設計平臺。通過分析三維虛擬視角下，室內設計平臺結構、室內定位算法，完成室內設計需求分析；通過完善室內設計平臺交互功能、設計平臺錨節點和驅動程序，完成基于三維虛擬視覺的室內設計平臺搭建。模擬平臺使用環境設計對比實驗，結果表明，應用基于三維虛擬視覺的室內設計平臺，能繪制室內設計平面圖像和立體圖像，且圖像中室內景觀所處位置更符合實際需求。

關鍵詞： 三維虛擬視覺； 室內設計； 定位算法； 交互功能； 錨節點； 驅動程序； 立體圖像

中圖分類號： TN911.73?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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

當室內環境較為簡單、面積較小時，傳統設計平臺繪制出的平面圖像可表示室內景觀的真實位置。若室內環境過于復雜、面積很大時，平面圖像不能確切表示景觀的真實位置，不能繪制立體圖像，成為傳統室內設計平臺的弊端[1]。為了有效改善這種情況，引入三維虛擬視覺技術。三維虛擬視覺技術，利用相機360°環拍原理，詳細記錄室內景觀真實情況，再通過特定的計算機技術，將景觀真實情況進行還原[2]。結合三維虛擬視覺技術，對原有室內設計平臺進行改進。通過全景信息記錄、信息數字化分析、分析結果拼接、生成圖像的工作流程，搭建全新的室內設計平臺。改進后的室內設計平臺既可以繪制傳統平面圖像，也可以適應大型室內環境，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際使用需求。

1 三維虛擬視覺技術下室內設計需求分析

1.1 三維虛擬視角下室內設計平臺結構

三維虛擬視角下室內設計平臺，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，交互模塊實現中心計算機對室內景觀的位置確定[3?4]。在此過程中，中心計算機對室內景觀進行定義、命名，根據重定義后景觀的程序命名，設定相關的關聯參數。三維虛擬視覺效果展示模塊，能確保平臺使用者可以隨機調控觀察點，全面了解室內景觀的位置特點。交互性展示模塊對前兩模塊確定的室內景觀信息進行處理，并根據處理結果，選擇不同室內景觀間的交互方式[5]。具體平臺設計結構如圖1所示。

1.2 室內定位算法

1.2.1 信號到達室內景觀時間

在三維虛擬視角下，獲得信號到達室內景觀時間，進而確定景觀具體位置[6]。首先，取一臺已知傳輸速率的信號發射機，獲取信號從發射機傳輸至接收機的時間。根據位移、速度、時間三者間關系[7]，確定發射機、接收機間距離，這也是常用TOA定位算法的延伸體現。設無線信號在介質中的傳播速度表示為[v]，發射機與接收機間處于同一水平線，二者間距離為[X]，發射機發出信號時間為[T0]，接收機接收信號時間為[T1]，則[X]可表示為：

1.2.2 信號到達時間差

當信號發射機與信號接收機間距離過遠時，單獨的信號不足以判斷二者間距離[8]。在此種情況下，需要發射兩種信號，根據接收機接收兩種信號的時間差值，確定二者間的距離[9]。設兩種信號在介質中的傳播速度分別為[v]和[v′]，發射機與接收機間距離為[X′]，接收機接收到第一種信號的時間為[T1]，接收到第二種信號的時間為[T2]，則[X]可表示為：

2 基于三維虛擬視覺室內設計平臺的搭建

2.1 基于三維虛擬視覺室內設計平臺的交互功能

三維虛擬視覺技術作為室內設計平臺新的互動方式，確保設計者可直接獲得室內景觀的真實位置，其具體實現方式如圖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據，分析景觀之間的映射關系，通過3ds MAX等軟件，建立室內景觀設計的三維虛擬模型。景觀位置確定是交互功能平臺的重要部分，可通過對景觀位置的確定，為設計者提供最直觀的設計信息[10]。交互功能設計，完成交互動作設計后，對室內其他景觀進行交互功能設計，確保景觀的旋轉、縮放功能可以正常實現。平臺應用將完成交互功能的平臺，與室內景觀模型融為一體，為設計者提供最準確的室內景觀設計信息。

2.2 基于三維虛擬視覺室內設計平臺錨節點設計

平臺錨節點負責發射WiFi，ZigBee兩種無線信號，電源轉換及開關電路，為WiFi模塊和ZigBee模塊提供無線信號，復位電路為兩個模塊提供所需供電。具體錨節點設計結構如圖4所示。

其中WiFi模塊和ZigBee模塊只需接收供電即可，省去Debug結構的儲能工序，減少能源的浪費。

2.3 平臺驅動程序設計

基于三維虛擬視覺室內設計平臺驅動程序，包括WiFi模塊程序和ZigBee節點程序。其中WiFi模塊程序建立在三維虛擬lua腳本語言基礎上，對原有C語言操作系統進行重新編譯。三維虛擬lua腳本語言具有小巧靈活、便于在程序中進行嵌套操作等特點。應用三維虛擬lua腳本語言，不僅省去了室內設計平臺操作必須的強大應用庫，也很大程度上解放了API的開發功能，為使用基于三維虛擬視覺室內設計平臺帶來更大的便利[11]。圖5展示了以通信節點為例，WiFi模塊的工作流程。

3 實驗結果與分析

實驗參數設置表如表1所示。

上述過程完成了基于三維虛擬視覺室內設計平臺的搭建，為驗證該平臺與普通平臺的優越性，實驗開始前，對搭載兩種平臺的計算機相關實驗參數進行設置。

3.1 實驗參數設置

項目欄從上至下依次為處理器主頻、總線數量、圖像存儲量、平臺穩定等級、預計成圖時間、圖像大小。其中平臺穩定等級為Ⅴ級，代表平臺穩定性極高；圖像大小為本次實驗規定。為了保證實驗的公平性，實驗組與對照組參數設定均保持一致。

3.2 室內設計立體圖像繪制對比

完成平面圖像繪制后，令兩組計算機同時停止工作，休息10 min后，再同時開始繪制室內設計立體圖像。繪制室內設計立體圖像水平，依靠RYS指標判斷。通常情況下，RYS指標變化幅度越小，代表繪制室內設計立體圖像水平越高，若RYS指標變化幅度超過限定范圍，可認為待檢測平臺不具備繪制室內設計立體圖像能力。本階段實驗不對時間進行控制，具體實驗結果見圖6。

圖6中與坐標軸平行的實線為RYS指標的限定上限，實曲線為實驗組RYS指標曲線；虛曲線為對照組RYS指標曲線。由圖6可知，實驗組RYS指標變化幅度較小，繪制室內設計立體圖像水平越高。對照組RYS指標變化幅度極大，且部分曲線超過RYS指標的限定范圍，可證明普通室內設計平臺不具備設計立體圖像能力。

4 結 語

基于三維虛擬視覺的室內設計平臺，與普通室內設計平臺相比，不論繪制平面圖像還是立體圖像，均具備極高的參考價值。因此，值得大力推廣。

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