基于計算機視頻處理技術的環境藝術研究

吳展鵬

摘 要： 針對基于內容DSP的環境藝術研究方法存在對室內環境色彩搭配效果粗糙、渲染程度低、展示效果差等問題，提出基于計算機視頻處理技術的環境藝術研究方法。該方法采用基于Quest3D的室內環境色彩變換系統實現室內環境色彩的合理搭配，其中的DIY交互模塊確保用戶對室內色彩實施控制，獲取全方位的視覺體驗。系統為用戶提供了四種選色方式，實現對室內色彩的智能搭配。設計了系統進行數據采集與處理、三維模型建立、模型導入與材質設置以及系統合成的實現流程。系統采用基于求交優化的光線跟蹤算法，對室內環境中的光照效果進行控制，得到最佳室內光照效果。實驗結果說明，所提方法對色彩的搭配有很好的控制效果，室內色彩環境展示效果佳，運行效率高。

關鍵詞： 計算機視頻處理; 環境藝術; Quest3D; 色彩搭配; 智能搭配; 環境色彩; 視覺體驗

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.41 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0077?06

Abstract： The traditional environmental art research method based on content DSP has the problems of rough color collocation effect， low rendering degree， and poor display effect for indoor environment. Therefore， an environment art research method based on computer video processing technology is put forward， in which the indoor environment color conversion system based on Quest3D is used to realize the reasonable collocation of the indoor environment colors， and the DIY interactive module is adopted to ensure the control of user for indoor color and obtain the all?around visual experience. The system provides four color selection modes for its users， which can realize the intelligent collocation of indoor colors. The system was designed for data acquisition and processing， 3D model building， model import， material setting， and system synthesis. The ray tracing algorithm based on intersection optimization is adopted in the system to control the illumination effect in indoor environment， and acquire the best indoor illumination effect. The experimental results show that the proposed method has good control effect on color collocation， perfect exhibition effect of indoor color environment， and high operation efficiency.

Keywords： computer video processing; environmental art; Quest3D; color collocation; intelligent collocation; environmental color; visual experience

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，人們的生活質量逐漸提升，人們對室內居住環境的需求越來越高。高質量的室內環境藝術規劃能夠滿足人們的生活情趣以及文化修養等方面的需求，提高人們的生活質量。室內環境藝術研究融合了藝術和技術手段，具有較高的復雜度。色彩是室內環境藝術研究中的關鍵內容，有效的色彩搭配控制可提高室內環境色彩的藝術價值。由于計算機應用領域的不斷擴大，計算機視頻處理技術在室內環境色彩搭配控制方面的應用價值逐漸加強[1]。傳統基于內容DSP的環境藝術研究方法存在對室內環境色彩搭配效果粗糙，渲染程度低，展示效果差等問題。針對該問題，本文提出基于計算機視頻處理技術的環境藝術研究方法，增強室內環境的色彩搭配效果，為用戶創造更好的居家環境。

1 基于計算機視頻處理技術的環境藝術研究

1.1 室內環境色彩變換系統的總體設計

本文采用計算機視頻處理技術對室內環境藝術進行研究，使用的計算機視頻處理技術是Quest3D虛擬技術，設計了基于Quest3D的室內環境色彩變換系統。其總體結構圖用圖1描述，由轉場動畫和首頁構成，其中首頁包括顏色設計、智能搭配[2]、選色推薦以及DIY交互模塊幾個部分。系統通過色彩搭配來展現室內環境藝術的相關研究，轉場動畫的設計可提高室內設計的美感，增強整體環境藝術的性能和使用價值。

系統的硬件要求計算機可以支持I2S信息服務，擁有獨立顯卡，機身內存在500 MB以上。操作系統為Windows XP或更高版本。計算機需安裝三維虛擬場景瀏覽插件和Quest3D 3D Web Player 3.6.4運行系統。

1.2 系統交互設計內容以及選色方式

1.2.1 交互設計內容

室內色彩的交互內容是指用戶通過鼠標對室內色彩進行控制[3]，用戶可以對室內色彩環境實施全角度瀏覽，通過室內場景替換得到不同組合的視覺享受。室內環境色彩的虛擬配色換色以用戶的喜好為出發點，使用戶能流暢地進行視覺體驗，提升用戶的使用興趣。系統DIY交互模塊的交互作用可使用戶能簡單明了地觀察室內環境色彩的變化，其交互結構如圖2所示。

DIY系統交互結構的內容有：動畫結束之后進入首頁，提示安裝Quest3D 3D Web Player 3.6.4組件，在菜單中根據用戶需求得出配色方案，根據得到的配色方案，將瀏覽模式設置成360°瀏覽[4]，并更換地板、家具等配色。若要對設置好的色彩進行更換也可進行初始化。

1.2.2 系統的選色方式

用戶通過系統對室內環境色彩進行選擇的方式用圖3描述，可以看出具體的內容是：

1） 顏色DIY。打造專屬的色彩搭配，選擇墻面基本色系后按照喜好對墻面家居軟裝進行調整。

2） 智能搭配。涂料專家會在用戶確定房屋內家具的材質后，自動提供專業的換色方案，以供用戶篩選。

3） 選色推薦。專家會幫助用戶打造專屬風格，尤其是一些對色彩搭配知識了解較少的用戶，會提供色彩傾向、色調選擇等供用戶選擇。

4） 流行色。以當前流行的色彩為主體進行色彩搭配。

1.3 系統實現流程

系統實現室內環境色彩搭配的流程圖用圖4描述，具體內容如下：進行視頻內容的數據處理，將采集到的視頻資料進行整理分類，以便后續三維模型的制作;接下來是三維建模，并對模型進行優化;對各個場景進行優化處理后，將各個優化后的場景合成在一起。

1.3.1 數據采集與處理

虛擬現實內容包括兩種：一種是現實中存在的場景或物品;另一種是現實中不存在的場景或物品，都是虛擬的。本文室內環境色彩變換系統對現實中存在的室內場景或物品色彩實施分析，在建立三維模型前收集的資料應該為數據的原始信息，室內色彩搭配的模型每一個可能都需要大量的紋理圖案，所以要想復原現實中場景或物品，需要采用視頻軟件或掃描儀等對原始資料進行收集[5]。室內環境色彩變換系統數據采集包括三維模型中的顏色、材質和屬性。為實現Quest3D室內環境色彩變換系統與Flash互動界面的聯系，就要對采集的數據進行規范管理和運用。基于Quest3D的室內環境色彩變換系統中墻面、天花板等基礎裝飾數據，為了能夠滿足換裝系統的復合屬性要求并被兩個基于Flash和Quest3D數據庫兼容，則將這些裝飾數據用涂料色卡進行保存。木質家居、地板等數據可通過對實物進行拍照掃描得到以圖片格式保存的材質數據。室內家居軟裝都可按照當前市場的流行趨勢與室內顏色結合進行搭配，將配色結果輸入配色數據庫。

1.3.2 三維模型建立

虛擬現實內容的對象是各個室內環境中的元素，通過對各室內色彩元素進行建模來實現對它的虛擬，就可實現對現實對象或場景的仿真。本文在建模前對房間按照風格分類，除了按照市場主流裝修風格分類外，還要考慮到使用者的喜好，房間分類后選擇與房間風格符合的家裝圖片，挑選需要建模的物品[6]，模型建立的原則要能夠強烈地體現室內的色彩裝修風格，確保物品的紋理清晰可辨。選定需建模的物品后，確定要在基于Quest3D的室內環境色彩變換系統中換色的物品。所有在Quest3D室內環境色彩變換系統中換色的物品分為三類：一類是可換色物品，包括墻面家居軟裝等;一類是根據裝修風格確定的，不可改變的物品;第三類是對不同材質的物體進行換色[7]。在該系統下物品應在模型中明顯表現，體量不可過小，圖5為古典臥室的換色物件。

在進行換色建模過程中，先假定成某種材料，但沒有材料的單色素模，因為單色素模的建立需要考慮材料自身的特性，如墻面的光滑度、對光線的反射作用等。墻面的基本參數在室內風格確定后固定不變，若用戶選擇的物品與默認配色不同，則用所選顏色的RGB值與光線、素模參數綜合計算得到符合用戶所選和室內環境的配色。因此，在一個房間的換色模型建立中，所有物品的換色都根據單色素模而定，可換色物體根據所選顏色作為模型中的自變量，采用Quest3D技術對換色模型實施識別后，綜合其他數據將整體環境表現出來。

1.3.3 模型導入與材質設置

本文系統的制作環境是3ds Max軟件，對顏色的配色換裝在Quest3D下進行。為了實現基于Quest3D的室內環境色彩變換系統，需要在3ds Max中進行建模和渲染，然后將渲染好的模型導入Quest3D系統中。具體實現需要在3ds Max軟件中安裝一款插件，產生一種叫[.cgr]格式的文件，再利用Quest3D下的File>Open Pro打開模型并產生一種新材質，新材質與Quest3D內所有材質的定義方式一致且都能被Quest3D分辨。Quest3D系統支持圖片格式，包括.bpm，.jpg，.ppm等。本文系統導出圖片格式均為.dds，這種格式的圖片可以直接被中央處理器調用，且已壓縮的狀態存儲解壓也無需等待，能夠高效地提高渲染效率。

1.3.4 系統合成

本文設計的基于Quest3D的室內環境色彩變換系統由Flash動畫和Quest3D界面構成，以互聯網的形式發布室內環境色彩變換結果，對路徑選擇、墻體配色選擇以及確定整體墻面的顏色方向都在Flash動畫界面完成，然后將Flash動畫結果傳達給Quest3D，Quest3D在三維實時虛擬配色界面進行渲染操作[8]，實現用戶在Quest3D界面進行換色操作和視覺漫游。系統合成重點是將Flash和Quest3D界面分散在不同的瀏覽器中進行。Flash動畫操作中的步驟都是單行不可逆的，但在Quest3D界面中步驟是可逆的且可改變。Flash動畫界面對選定的物品進行更改后得到的結果進行封裝導入到Quest3D界面，輸出結果固定。

本文通過Quest3D的室內環境色彩變換系統對室內顏色進行搭配來研究計算機視頻處理技術的環境。Quest3D的室內環境色彩變換系統能夠提升用戶對室內顏色搭配的滿意度，進而提升計算機視頻處理技術對環境藝術的研究，Quest3D的室內環境色彩變換系統與原來的視覺體驗不同，傳統的顏色搭配需面對各種圖紙，依靠設計師的解說，無法讓用戶直觀地感受室內環境。而各種顏色材料的不同搭配[9]，讓用戶體會不同的方案，更加能夠確認自身的要求。

1.4 基于求交優化的光線跟蹤算法

系統為了對室內環境中的光照效果進行控制，將基于求交優化的光線跟蹤算法應用到三維室內設計的光照效果實現過程中，進而得到室內環境的最佳光照效果。設置室內光線的起點坐標為[O（Ox，Oy，Oz），]單位向量坐標為[V（Vx，Vy，Vz），]則本文光線的方程表達式為：

1.4.2 球面求交優化

球體屬于常用的室內物體，因為求交過程容易，且法向量固定地從球心出發，計算步驟較少。設室內光線起點的坐標為[（X0，Y0，Z0）]，

2 實驗結果與分析

采用實驗對本文系統進行測試，目的是對本文系統的功能進行提高和完善，完成室內環境色彩的合理搭配。本文系統的色彩搭配共有4種方式，實驗對本文系統的一種配色路徑進行測試，演示結果如圖6所示。

分析圖6可得，登錄本文系統后，彩虹顏色逐漸變淡直至消散，牧羊犬進入畫面，撞翻顏料，顏料將黑白界面的一角染成彩色，逐漸將整個界面渲染成彩色，說明本文系統實現了色彩的有效渲染。

圖7，圖8是系統開場動畫結束后進入到系統首頁界面，若電腦內沒有安裝三維虛擬現實場景瀏覽插件Quest3D 3D Web Player 3.6.4，系統會提示安裝插件。首頁界面會有色彩推薦選項，進入配色后系統會提供房間整體的設計感覺、室內色彩的色調和裝飾風格等，然后用戶可以根據自身需求對模式進行調整。分析這兩幅圖能夠得出，本文系統準確實現了室內色彩的配色和調色，能夠對室內環境進行有效配制，完成室內環境藝術的合理規劃。

統計的樣本容量為80位成年人，其中，男性和女性各40名，其中40人的學歷為本科以上，且都對色彩搭配熟悉度較差，分析圖11中的調查結果可得：

1） 相對于傳統基于內容DSP的室內環境色彩變換系統，本文系統在吸引力、操作簡便、參與感、展示效果以及運行速度五個方面的評分都較高，說明本文系統可實現對室內環境色彩的合理搭配，在室內環境藝術研究應用中具有較高的優勢。

2） 本文系統進行了三維模型的建立，對色彩搭配的效果更加突出，用虛擬現實技術讓用戶切身感受到色彩搭配的真實感，系統還具有提高色彩的還原度，方便操作的優勢。

3） 本文系統物品材質的選擇都是從現場直接采集，可以確保購買的物品材質滿足用戶所需，附加的渲染和烘焙效果可提高物品的現實度。

4） 本文系統打開時增加的動畫，增強了用戶體驗的視覺美感，進而提高了系統的美觀性，體現了設計的人性化。

5） 本文系統經過展示后的效果顯示良好，提高了用戶的滿意度。

6） 本文系統理論上操作性良好，系統渲染效果良好。

3 結 語

本文采用計算機視頻處理技術下Quest3D的室內環境色彩變換系統對室內環境色彩進行合理搭配，實現環境藝術的高效研究，調查結果顯示，本文所提方法創造了用戶滿意度較高的居家環境。

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