三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅晶 鄧詩隆

關(guān)鍵詞： 三維虛擬技術(shù); 建筑空間; 用戶體驗(yàn); B/S結(jié)構(gòu); 動態(tài)交互; 3ds MAX

中圖分類號： TN911.73?34; TU?859 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0137?04

Design of 3D virtual building space experience system

LUO Jing1， DENG Shilong2

（1. School of Design， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 2. Shanghai Tuozhen Architectural Design Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： Since the 3D virtual building space experience system based on the VRML can only realize static experience without dynamic interaction experience involved， and has poor user experience performance， a new 3D virtual building space experience system is designed. The B/S structure is used to divide the 3D virtual building space experience system into the customer layer， logic layer and data layer. The 3ds MAX 3D virtual modeling program and Photoshop software are used to construct the 3D model of building space on the basis of the 2D map. The X3D and 3D modeling program are used to conduct the modeling for elements of map， building， traffic and vegetation in the 3D virtual building space model. In the system， the framework and web tools of the Dreamweaver software are used to realize the static 3D virtual building space experience. The 3D virtual building space model is imported into the simulation software. After operations such as material and light settings for the model， the set model is imported into the VR?Platform software to set the model running window by using the plug?in， so as to realize the interactive 3D virtual building space experience. The experimental results show that the designed 3D virtual building space experience system has strong sense of reality and interaction performance， and high user experience performance.

Keywords： 3D virtual technology; building space; user experience; B/S structure; dynamic interaction; 3ds MAX

運(yùn)用三維虛擬技術(shù)，能夠令用戶直觀、具體地體驗(yàn)建筑空間仿真設(shè)計(jì)效果，直接感受建筑空間中各種建筑形態(tài)、周圍環(huán)境、風(fēng)景、裝修風(fēng)格、顏色等各個方面的建筑空間環(huán)境;也使用戶進(jìn)一步了解三維虛擬技術(shù)在建筑空間設(shè)計(jì)方面的運(yùn)用，帶動整個建筑行業(yè)科技水平的提升，并且使三維虛擬技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)體驗(yàn)，在三維虛擬建筑空間體驗(yàn)上缺乏真實(shí)感、交互性差，用戶體驗(yàn)性差。因此，本文設(shè)計(jì)新的三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)，提高三維虛擬建筑空間體驗(yàn)的真實(shí)性以及交互性，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)性能。

1 ?三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

本文通過B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)，其由客戶層、邏輯層、數(shù)據(jù)層構(gòu)成。數(shù)據(jù)層內(nèi)主要由儲存X3D文件、XML DB以及建筑空間信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。邏輯層內(nèi)包含Web服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器。Web服務(wù)器用于收集瀏覽器發(fā)送的HTTP請求同時發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器把Web服務(wù)器發(fā)來的HTTP請求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫辨識語句，并發(fā)送給數(shù)據(jù)庫請求查詢[1]。客戶層用戶直接從瀏覽器將請求發(fā)送給服務(wù)器（Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器），請求下載三維虛擬建筑空間場景文件，通過瀏覽器內(nèi)的BS Contact插件將三維虛擬空間展示出來[2]。客戶層人機(jī)交流主要利用JavaScript的API讀取X3D文件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶三維虛擬建筑空間交互體驗(yàn)[3]。

1.2 ?三維虛擬建筑空間建模

圖1是三維虛擬建筑空間的建模路線圖。三維虛擬建筑空間建模的位置數(shù)據(jù)是通過二維地圖當(dāng)作底圖來展現(xiàn)的。運(yùn)用3ds MAX三維虛擬建模程序構(gòu)造建筑空間三維模型，完成三維虛擬建筑空間的三維搭建。三維虛擬建筑空間模型數(shù)據(jù)要與其屬性信息相符合并且要加入紋理，紋理能夠直觀表現(xiàn)出實(shí)體以及環(huán)境的外在特點(diǎn)，通過Photoshop等軟件操作后導(dǎo)進(jìn)三維虛擬建筑空間模型[4]。建筑空間三維模型經(jīng)過可視化操作把形態(tài)和色彩整合為一體，以數(shù)字地形為基礎(chǔ)，全部模型構(gòu)建在其上，依據(jù)其位置、角度、比例構(gòu)建出完整的三維虛擬建筑空間模型[5]。

1.3 ?三維虛擬建筑空間模型中元素的建模

1.3.1 ?地圖建模

地圖建模方式共有三種：基于離散點(diǎn)建模、基于三角網(wǎng)建模、基于等高線建模。基于離散點(diǎn)建模運(yùn)用離散點(diǎn)三維建模通過X3D將坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字地圖[6]。但該方法存在精度低、復(fù)雜度高的缺點(diǎn)。基于三角網(wǎng)建模是把所有地區(qū)建模成一連串相連的多形態(tài)三角形[7]。基于等高線建模則利用3ds MAX三維建模軟件內(nèi)的地形工具將等高線直接轉(zhuǎn)換為三維模型，具有準(zhǔn)確度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[8]。因此，本文采取基于等高線建模方法，對數(shù)字地圖進(jìn)行建模。

1.3.2 ?建筑物以及交通建模

建筑物建模過程包含三部分：遠(yuǎn)處建筑的模型構(gòu)造運(yùn)用貼圖紋理方法，把建筑轉(zhuǎn)換成對象屬性值;數(shù)字區(qū)域建筑物采用外景體建模;室內(nèi)場景的建筑物通過精細(xì)模型構(gòu)造[9]。交通建模依照已經(jīng)構(gòu)建完成的數(shù)字地圖和道路橫縱坐標(biāo)信息，包含道路、人行道、道旁柵欄三部分展開建模。道路部分因?yàn)樾螒B(tài)簡單，能夠運(yùn)用幾何圖形進(jìn)行構(gòu)建。

1.3.3 ?植被建模

植物建模主要有規(guī)則幾何圖形建模和三維構(gòu)造建模兩種方式。前者通過幾何圖形表達(dá)植物形狀和大小，再采用紋理進(jìn)行具體化表達(dá)，只適用于簡單植被，不適合復(fù)雜度高的植被;基于三維構(gòu)造的植被建模能夠更清晰地表達(dá)繁雜的植被類別和形態(tài)。因此本文利用三維構(gòu)造方式進(jìn)行植被建模。

1.4 ?系統(tǒng)靜態(tài)三維虛擬建筑空間體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

靜態(tài)圖像三維虛擬體驗(yàn)系統(tǒng)是通過Dreamweaver軟件實(shí)現(xiàn)的，通過軟件內(nèi)的框架網(wǎng)頁工具，把瀏覽器頁面劃分為多個小頁面窗口，實(shí)現(xiàn)多個窗口展示多個Web頁面，而且可以單獨(dú)預(yù)覽。框架是現(xiàn)在網(wǎng)頁制作的通用工具，框架網(wǎng)頁現(xiàn)在也應(yīng)用廣泛，它可以通過點(diǎn)擊網(wǎng)頁中的小圖片，實(shí)現(xiàn)多角度觀看視圖的效果[10]，還可以通過框架內(nèi)的空間布置元素按鍵連接多個網(wǎng)頁頁面，實(shí)現(xiàn)三維虛擬建筑空間的靜態(tài)體驗(yàn)。

1.5 ?系統(tǒng)交互式三維虛擬建筑空間體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

將設(shè)置好的模型導(dǎo)入到VR?Platform軟件中，運(yùn)用該軟件對模型運(yùn)行窗口進(jìn)行設(shè)置，選取原始視圖，設(shè)定運(yùn)行頁面大小、像素、比列，用戶通過本文系統(tǒng)觀看交互式三維虛擬建筑空間體驗(yàn)效果如圖2所示。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ?成果分析與實(shí)例

圖3為用戶反饋的三維虛擬建筑空間體驗(yàn)效果圖。圖像呈現(xiàn)速度高達(dá)一百萬點(diǎn)/幀;對常規(guī)圖像進(jìn)行計(jì)算時無卡頓感，三角面達(dá)到[114];本文系統(tǒng)能夠滿足用戶的需求，在操作體驗(yàn)上達(dá)到了較高的水平。

2.2 ?三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)以斗拱為例展示本文系統(tǒng)的應(yīng)用過程。

1） 構(gòu)建模型。根據(jù)斗拱組成部件進(jìn)行分類，模型可以整體構(gòu)建，相應(yīng)信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，完成建模。

2） 數(shù)據(jù)整理。構(gòu)建完模型后，整理斗拱的相關(guān)人文信息如圖4所示。

3） 模型發(fā)布。將完善好的模型發(fā)布到系統(tǒng)，斗拱的三維虛擬建筑空間交互展示效果如圖5所示。

2.3 ?性能分析

實(shí)驗(yàn)在某城市中心隨機(jī)選擇100位市民，分成10組，采用本文系統(tǒng)、基于VRML的體驗(yàn)系統(tǒng)以及基于感知的體驗(yàn)系統(tǒng)，對設(shè)計(jì)的城市中心某建筑三維虛擬建筑空間的體驗(yàn)情況進(jìn)行評分，獲取的評分結(jié)果見表1～表3。

由表1～表3可以看出，本文系統(tǒng)的建筑空間用戶體驗(yàn)各項(xiàng)評分均值都在90分以上，而其他兩種三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)評分均值都在85分左右，這充分說明了本文系統(tǒng)在用戶體驗(yàn)上優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有真實(shí)感強(qiáng)、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具備良好的用戶體驗(yàn)性能。

3 ?結(jié) ?論

本文為了解決基于VRML的三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)無法進(jìn)行動態(tài)交互體驗(yàn)的缺陷，設(shè)計(jì)三維虛擬建筑空間體驗(yàn)系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)了建筑空間的靜態(tài)體驗(yàn)以及動態(tài)交互式體驗(yàn)，具有較好的真實(shí)性及交互性。

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