室內(nèi)軟裝三維模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣芳

摘 要： 介紹了系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)，將OpenGL與Direct3D作為三維程序開(kāi)發(fā)工具，為了提高真實(shí)度，將3ds MAX 7.0軟件作為三維模型的制作工具。通過(guò)硬件抽象層HAL和硬件仿真層HEL實(shí)現(xiàn)Direct3D的驅(qū)動(dòng)，對(duì)室內(nèi)軟裝三維場(chǎng)景進(jìn)行制作。依據(jù)室內(nèi)軟裝場(chǎng)景元素給出代理區(qū)域，將代理區(qū)域合理布局問(wèn)題看作確定目標(biāo)空間最優(yōu)分布位置問(wèn)題。依據(jù)室內(nèi)裝飾學(xué)獲取先驗(yàn)知識(shí)，與功能需求相結(jié)合確定約束條件，形成約束代價(jià)函數(shù)，通過(guò)求解函數(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)軟裝布局。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的室內(nèi)軟裝真實(shí)感強(qiáng)，系統(tǒng)缺陷少。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)軟裝; 三維模擬系統(tǒng); 設(shè)計(jì); 布局; 約束; 場(chǎng)景元素

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34; TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）09?0087?04

Abstract： The research and development platform of the system is introduced， in which the OpenGL and Direct3D are used as the three?dimensional program development tools， and the 3ds MAX 7.0 software is used as the authoring tool of 3D model to improve the reality. The driving of Direct3D is realized by means of hardware abstraction layer （HAL） and hardware emulation layer （HEL） to fabricate the 3D scene of indoor soft decoration. The agent area is given according to the scene elements of the indoor soft decoration， and its rational layout is regarded as the problem to determine the optimal distribution location of the target space. The prior knowledge obtained by indoor decoration is combined with the functional requirement to determine the constraint condition， and form the cost function of constraint. The layout of the indoor decoration is realized by means of the solving function. The experimental results show that the indoor soft decoration designed by the system has strong reality sense and less system defects.

Keywords： indoor soft decoration; three?dimensional simulation system; design; layout; constraint; scene element

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人們的生活水平大大提升，對(duì)居住品質(zhì)的要求越來(lái)越高。室內(nèi)軟裝設(shè)計(jì)是室內(nèi)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，近年來(lái)在整體裝修中的重要程度越來(lái)越高[1?2]。但在展示室內(nèi)軟裝設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)師需從不同廠家采集樣本，從而設(shè)計(jì)滿足用戶需求的室內(nèi)軟裝，耗費(fèi)了大量的人力物力。因此，設(shè)計(jì)一種室內(nèi)軟裝三維模擬系統(tǒng)具有重要意義，能夠?yàn)槭覂?nèi)軟裝設(shè)計(jì)師帶來(lái)極大的便利，使用戶更加直觀地了解設(shè)計(jì)的軟裝[3]。

傳統(tǒng)三維模擬系統(tǒng)主要采用幾何造型建模方法和利用設(shè)備得到場(chǎng)景信息建模方法，前者成本低，然而真實(shí)感較差，后者開(kāi)發(fā)工具性能差，真實(shí)感無(wú)法達(dá)到令人滿意的程度[4]。針對(duì)上述系統(tǒng)的弊端，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種新的室內(nèi)軟裝三維模擬系統(tǒng)。

1 室內(nèi)軟裝三維模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)

確定系統(tǒng)的研發(fā)平臺(tái)：操作系統(tǒng)采用Windows 7系統(tǒng)，將OpenGL與Direct3D作為三維程序開(kāi)發(fā)工具，將3ds MAX 7.0作為三維模型及動(dòng)畫(huà)制作工具[5]。

OpenGL與Direct3D均屬于程序接口。在建模過(guò)程中，OpenGL圖形庫(kù)能夠提供簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、多邊形繪制函數(shù)，還能夠提供相對(duì)復(fù)雜的曲線、曲面繪制函數(shù)。在跨平臺(tái)應(yīng)用研發(fā)過(guò)程中，OpenGL能夠在Unix，Windows 7以及MAC平臺(tái)上工作，其體系結(jié)構(gòu)能夠令桌面系統(tǒng)把室內(nèi)軟裝圖形處理交由服務(wù)器處理。Direct3D是通過(guò)Microsoft Windows操作系統(tǒng)研發(fā)得到的3D繪圖編程接口，為DirectX的組成部分。Direct3D API通過(guò)相同方式對(duì)硬件特性進(jìn)行抽象處理，由此可實(shí)現(xiàn)不同三維加速硬件相異特性的隱藏。

為了使構(gòu)建的軟裝模型更具真實(shí)性，采用當(dāng)下最常用的3ds MAX 7.0軟件作為三維模型的制作工具。對(duì)于較復(fù)雜的模型，或許會(huì)用到與3D MAX相關(guān)的插件[6]。

1.2 Direct3D體系結(jié)構(gòu)

Direct3D主要由兩類(lèi)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成：第一類(lèi)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)硬件抽象層HAL實(shí)現(xiàn)。HAL為直接與硬件聯(lián)系的抽象層，同時(shí)也是一種驅(qū)動(dòng)程序，一般由生產(chǎn)商提供。當(dāng)硬件可以直接支持所需實(shí)現(xiàn)的功能時(shí)，硬件抽象層才會(huì)被應(yīng)用，由此實(shí)現(xiàn)加速;另一類(lèi)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)硬件仿真層HEL實(shí)現(xiàn)，當(dāng)硬件無(wú)法支持所需實(shí)現(xiàn)的功能時(shí)，硬件仿真層會(huì)通過(guò)軟件模擬這些功能，從而完成指定任務(wù)。

Direct3D包括大量的C/C++頭文件以及組件對(duì)象模型的接口。其中，頭文件存在多個(gè)種類(lèi)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)它們向操作系統(tǒng)傳遞裝置信息，根據(jù)這些信息對(duì)三維模型的外觀進(jìn)行控制[7]。

通過(guò)Direct3D實(shí)現(xiàn)室內(nèi)軟裝三維場(chǎng)景制作，整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)層次，每個(gè)層次為一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)態(tài)加載軟件模塊。在制作開(kāi)始階段，先通過(guò)Direct3D API調(diào)用為各模塊構(gòu)建相應(yīng)圖形，再引入運(yùn)行緩存。首層模塊為變換模塊，對(duì)室內(nèi)裝飾出現(xiàn)的幾何變換進(jìn)行處理;光照模塊位于第二層，主要對(duì)室內(nèi)的光照進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)Σ煌?lèi)型的光源進(jìn)行處理;第三層為繪制模塊，根據(jù)上兩層模塊輸出內(nèi)容構(gòu)建最終室內(nèi)軟裝場(chǎng)景。對(duì)于上述模塊，可采用軟件對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此可采用擁有較強(qiáng)功能的模塊取代相應(yīng)模塊。部分模塊可實(shí)現(xiàn)與硬件加速器的通信，此時(shí)整個(gè)過(guò)程中的任意層次都能夠采用硬件實(shí)現(xiàn)加速。

1.3 用戶登錄注冊(cè)模塊設(shè)計(jì)

用戶可在系統(tǒng)登錄界面中的登錄框中輸入用戶名與密碼登錄系統(tǒng)，未注冊(cè)用戶通過(guò)注冊(cè)即可登錄系統(tǒng)，登錄成功后即可進(jìn)行系統(tǒng)的各種操作。用戶注冊(cè)登錄圖如圖2所示。

1.4 室內(nèi)軟裝代理區(qū)域布局

軟裝包括室內(nèi)的家具、家電、燈具、飾品等物件，將這些定義為場(chǎng)景元素，并在此基礎(chǔ)上又定義了代理區(qū)域，其指的是能夠一起實(shí)現(xiàn)某種功能的一組物件[1，8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3描述的是用戶進(jìn)入本文系統(tǒng)后界面，其中左邊圖標(biāo)可為用戶提供設(shè)計(jì)工具，右邊可為用戶提供不同軟裝模板。用戶可按照自己的設(shè)計(jì)方案對(duì)室內(nèi)軟裝進(jìn)行三維模擬，也可在本文系統(tǒng)提供模板的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維模擬。

通過(guò)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)休閑椅進(jìn)行三維模擬，利用設(shè)計(jì)效果圖驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。

首先對(duì)休閑椅的椅靠背和椅座面造型進(jìn)行三維模擬，通過(guò)倒角方體制造一個(gè)長(zhǎng)、寬、高依次為40 cm，40 cm，10 cm，圓角1.5 cm倒角的長(zhǎng)方體，將其看作休閑椅坐面雛形，依據(jù)用戶喜好設(shè)置不同參數(shù)，同時(shí)復(fù)制椅座面雛形，調(diào)整角度將椅靠背和椅座面結(jié)合在一起，如圖4所示。

然后對(duì)椅座面和靠背形狀進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入命令面板中的控制點(diǎn)面板，用戶可按照自己的喜好任意調(diào)整控制點(diǎn)，如圖5所示。

經(jīng)本文系統(tǒng)調(diào)整后形態(tài)渲染效果如圖6所示。

完成椅靠背和椅座面的三維模擬后，通過(guò)線繪制椅腿造型，將其添加至椅靠背和椅座面，調(diào)整好的休閑椅三維模擬圖如圖7所示。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文系統(tǒng)能夠令用戶自主實(shí)現(xiàn)休閑椅的三維模擬，真實(shí)感強(qiáng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)軟裝三維模擬系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)，對(duì)室內(nèi)軟裝三維場(chǎng)景進(jìn)行制作，確定室內(nèi)軟裝布局。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)真實(shí)感強(qiáng)，系統(tǒng)缺陷少，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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