基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法研究

胡家強 吳鋒

摘 要： 平面效果圖以及動畫播放方法設計出的室內景觀虛擬效果，存在實時交互性和真實沉浸感差的弊端，用戶滿意度低。因此，設計基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法，其采用VRML/X3D技術實現室內景觀的虛擬設計，通過VRML語言模型塑造室內景觀虛擬設計的軟件架構，給出方法的室內景觀虛擬設計流程。分析室內戶型以及樣本間主要場景的仿真實現。采用VRML瀏覽器實現室內景觀虛擬漫游系統，通過X3D技術塑造室內建筑景觀虛擬漫游系統模塊結構，設計X3D函數流程，提高室內景觀虛擬交互功能。實驗結果說明，所提方法設計出的室內景觀虛擬效果更加真實，并且沉浸感強，具有較高的用戶滿意度。

關鍵詞： 三維視覺； 室內景觀； 虛擬設計方法 ；VRML/X3D技術； 虛擬交互功能； 虛擬漫游系統

中圖分類號： TN911.73?34； TP391.41 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0040?04

Abstract： The virtual effect of the indoor landscape designed by means of animation playback method and planar effect diagram has the disadvantages of poor real?time interaction and reality immersion， and low user satisfaction. Therefore， an indoor landscape virtual design method based on 3D vision is designed， in which the VRML/X3D technology is used to realize the virtual design of indoor landscape， and the VRML language model is adopted to establish the software architecture of indoor landscape virtual design. The flowchart of the indoor landscape virtual design is given. The simulation implementation of the main indoor scene of the prototype room and house type is analyzed. The VRML browser is used to realize the virtual roaming system of indoor landscape. The X3D technology is adopted to establish the module structure of virtual roaming system of indoor building landscape. The X3D function flow is designed to improve the virtual interactive function of indoor landscape. The experimental results show that the proposed method has real indoor landscape virtual effect， strong immersion and high user satisfaction.

Keywords： 3D vision； indoor landscape； virtual design method； VRML/X3D technology； virtual interaction function； virtual roaming system

0 引 言

虛擬現實技術是當前計算機領域研究的關鍵技術，其能夠在多維信息空間中塑造和諧的交互環境，在室內景觀虛擬設計中具有重要的應用價值。當前建筑行業的競爭壓力和多樣化需求逐漸提升，大量的建筑公司將直觀形象的三維虛擬現實技術應用到室內景觀虛擬設計中，設計出用戶滿意度高的室內場景，提高收益[1]。傳統平面效果圖以及動畫播放方法設計出的室內景觀虛擬效果，存在實時交互性和真實沉浸感差的弊端[2]。而VRML/X3D技術是一種重要的虛擬現實技術，其能夠實現室內景觀的虛擬展示設計，VRML（Virtual Reality Medaling Language，虛擬現實建模語言）對塑造虛構的室內三維場景模型語言進行設置，X3D（Extensible3D，可擴展三維）對在多媒體中整合基于網絡傳感的交互三維圖像的國際規范實施了定義。因此，本文提出基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法，采用VRML/X3D技術實現室內景觀的虛擬設計，完成室內三維虛擬場景的漫游，提高室內景觀逼真性建模以及交互功能。

1 基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法

1.1 軟件架構

本文基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法的軟件架構用圖1描述，其分為6個部分，分別是互聯網售房，樣板間預覽，整體室內景觀虛擬化游覽，客戶的基本信息歸納整理等。利用三維視覺的虛擬化設計提高室內景觀的真實沉浸感。

1.2 工作方式

互聯網B/S結構是室內景觀虛擬設計系統的基礎。在服務器端（Server）所給的VRML文件中也包括其他要素，如動畫、影像、聲音等，這些都與客戶計算機平臺毫無關系。Clicnt端能使用本機瀏覽器中的VRML插件做出虛擬現實場景，并且能依靠網絡下載所需要的文件。為了更方便快捷地在本地電腦里實現虛擬現實工作，VRML文件可以依靠本身數據量小，縮減傳輸量來完成[3]。如圖2所示，設計師使用個人電腦在其中進行虛擬環境和建造模型的設計，并用虛擬的產品模型與之融合，在此基礎上利用外部程序操控開展現實交互。將這些數據整合歸納，連接服務器。這樣就可以讓參觀者從Intemet連接服務器，對其所用數據進行下載，其中的模型可以利用瀏覽器進行實時渲染，此時這臺電腦就可以作為一個桌面虛擬現實系統實現虛擬漫游。

在關于真實感受方面，虛擬構造的展示場景更容易讓人接受。與常規的展示設計相比，虛擬空間展示可以全部模擬出現實場景，參觀者可以完全參與其中，與其互動，大大增加了場景的真實性[4]，而不是單一靜止地展示環境。

1.3 室內景觀虛擬設計流程

可以按照軟件工程的思想指導來劃分項目，用以實現系統。其目標分別為需求分析，可行性分析，系統分析，詳細設計，開發，交付，試運行等。從室內景觀虛擬設計要求來說，首先要建立小區環境場景建模。使用VRML語言編輯和可視化虛擬設計軟件[5]，二者搭配使用分批建造幾何模型；其他大場景再使用部分小場景拼合。室內景觀虛擬設計流程如圖3所示，具體描述為：

1） 采集數據。關于各種參考數據的采集，用于數據建模期。

2） 房地產相關產品的基本模式建立。房地產開發小區的構成分為三大類：樓房，分別為基腳模型、戶型模型和樓梯模型等；各個房屋戶型，分別為地面、窗戶、墻面、門等；還有小區環境，分別為小區大門模型、小區樓房模型、小區內公共設施模型[6]和小區內景觀模型等。

3） 展示模型可以用ISB軟件或者編程方式合并出來的一些基本模型，如組合小區環境模型、組合樓房模型、組合樓梯模型等。

4） 在建筑環境的體驗中，對于小區大門新增的自動感應功能和模擬現實小區常見的電動伸縮門等，都更強烈地加深了與展示對象的互動感。

5） 建立網絡主頁、主體網絡和網站，還應連接虛擬文件（*.wrl）。

6） 系統的網絡發布，上傳系統是系統設計的收尾工作。

2 主要場景仿真實現

2.1 戶型

門、窗、墻面、地面等基礎模型構成戶型模型。一套房屋的立體模型由ISB模型基礎組合而成。把墻面顏色的改變功能和其他互動效果集中在一起展示，彌補了模型數小的缺點。VRML的觸摸傳感器節點是完成這項功能的核心技術。圖4為戶型效果圖。

2.2 樣板間仿真實現

只有在戶型實現的基礎上才能實現樣板間模型仿真。利用VrmlPad（或X3D?Edit）軟件的Transform節點編程來完成對模型地面、墻面的添加材質（拍攝好的實木地板瓷磚等）的影像。模型外觀屬性可以利用模型節點造型來完成。其中，某個使用于造型的紋理映象被Texture域所定義，某個二維紋理坐標被TextureTransform域定義在紋理映射中作為造型時，為了使映射出的模型更具備真實感，必須再三調試scale的坐標變換值。若要依循設計師的設計為房屋添加裝飾品、家裝用品，則等需要在地面和墻面映射結束以后（之前需要的基礎模型制作已經結束）利用ISB軟件可視化來確定這些模型組合在房間里的位置[7]。同樣地M1pad（或X3D—Edit）軟件的Transform節點編程也可以做到這些。樣板房模型界面截圖如圖5所示。

2.3 室內景觀虛擬漫游系統的實現

2.3.1 VRML瀏覽器

瀏覽器能夠自由地在移動狀態模式和靜止查看模式之間實施切換，原因是瀏覽器設置有非常科學的控制面板，并且在兼容性、速度、質量和擴展能力等方面也具有先進水平。例如，本地硬盤可以使用播放插件下載上一節所列的VMRL資源站點。瀏覽器播放插件在被準確安置后，雙擊資源管理器中的.wrl文件，隱藏的播放插件頁面便可以打開，針對其中的三維場景實施各種設置[8]，播放插件的控制面板控制著三維場景目前的操作，其中分為運動行走模式和審視觀察模式兩個部分。

2.3.2 室內建筑景觀虛擬漫游系統模塊結構

本文通過X3D技術塑造室內建筑景觀虛擬漫游系統模塊結構，程序函數包括顯示、數據鏈表更新建立、控制消息捕獲、輸入X3D格式文件等[9]，室內建筑景觀虛擬漫游系統模塊結構如圖6所示。

本文通過X3D函數中的X3D數據接口和碰撞檢測模塊，對數據進行訪問和更新，提高室內景觀虛擬交互功能。針對數據的訪問和更新，可以由碰撞檢測完，再由X3D函數端口負責數據更新。而建立程序本身的數據鏈表最初階段依據X3D的數據格式創建，用戶控制消息由消息捕獲模塊進行收獲，然后直接由碰撞檢測模塊對消息實施解析[10]，顯示器直接顯示輸出結果。X3D函數流程圖如圖7所示。

3 實驗分析

3.1 運行效果

采用Virtual Reality Platform軟件和本文方法對某酒店房間室內景觀虛擬運行效果進行設計，模型導入如圖8所示。

為了獲取建筑漫游系統更準確的優劣區別，劃分了5個不同的場景漫游。詳細場景數據如表1所示。

圖9是某酒店房間室內景觀運行效果圖。分析圖9可得，本文方法塑造的室內景觀虛擬效果真實有效，并且具有較高的沉浸感。

3.2 性能檢測

實驗采用用戶調查問卷措施，檢測采用本文設計方法和傳統設計方法設計的某酒店房間的室內景觀后，不同用戶對該室內場景的感興趣度。實驗對入住該酒店房間的100個客戶發放調查問卷，收回有效率是100%，通過不記名的百分制進行打分，調查問卷中存在用戶對室內景觀的直觀感受評分、使用簡便性評分、藝術效果評分以及感興趣度評分等，將調查問卷分割成10組，對10組調查問卷的平均分進行匯總，結果如表2和表3所示。

4 結 論

本文提出基于三維視覺的室內景觀虛擬設計方法，采用VRML/X3D技術實現室內景觀的虛擬設計，提高了室內景觀的真實沉浸感和用戶滿意度。

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