基于B樣條輔助虛擬現實室內設計

摘" 要： 為了獲得理想的虛擬現實室內設計效果，提出基于B樣條輔助虛擬現實室內設計方法。首先采用3DMAX建立基本體繪制室內家具模型，利用擴展基本體L?形墻、C?形墻構建個性化墻體，并利用Maya軟件設計虛擬現實室內特效;然后以渲染完成的室內模型為前提，采用多視窗交互方法定義曲線以及直線相機路徑，設計室內展示動畫，利用外部播放器程序播放;最后采用B樣條基的形式對虛擬現實室內設計效果進行修復，并加入一階左導數與右導數相等的約束條件，使得最終效果是表面連續光滑，不會讓人產生突兀的感覺，并通過仿真模擬實驗驗證其性能。結果表明，所提方法可獲得理想的虛擬現實室內設計可視化效果，生動地展示了室內設計結構、質感、造型等信息，克服了當前虛擬現實室內設計方法存在的缺陷。

關鍵詞： 室內設計; 動畫技術; 虛擬現實; 模型繪制; 特效設計; 模型渲染; 效果修復

中圖分類號： TN02?34; TP391.41" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2019）21?0177?05

Abstract： In order to obtain ideal virtual reality interior design effect， a B?spline assisted virtual reality interior design method is proposed. Firstly， the basic body is built with 3DMAX for drawing of the interior furniture model， the personalized wall is built by means of basic body extended L?shaped wall and C?shaped wall， and the virtual reality interior special effects are designed with Maya software. Then， on the premise of finishing the interior model in rendering mode， multi?window interaction method is used to define curve and straight camera path， and the interior display animation is designed and played according to the program of external player. Finally， the B?spline based form is used to restore the effect of virtual reality interior design， and the constraint condition that the first?order left derivative is equal to the right derivative is added. The final effect is that the surface is continuous and smooth， which will not make people feel abrupt， and its performance is verified in simulation experiments. The results show that the method proposed in this paper can obtain the ideal visual effect of virtual reality interior design， vividly display the information of interior design structure， texture， shape， etc.， and overcome the defects existing in the current virtual reality interior design methods.

Keywords： interior design; animation technology; virtual reality; model drawing; special effect design; model rendering; effect restoration

0" 引" 言

室內裝飾效果設計是保障室內裝飾用戶滿意度的有效方式，向用戶展示了室內房屋結構、軟裝硬裝造型、比例、材質等信息[1]。隨著虛擬現實技術的發展，室內裝飾設計突破了二維效果圖設計的局限，基于三維模型從多個視角向用戶展示室內設計效果[2]，使用戶仿佛置身虛擬的現實體驗中，感受室內裝飾方案的優劣[3?4]。

為營造一個輕松、活潑的室內設計展示氛圍，提出基于B樣條輔助虛擬現實室內設計方法。目前，3DMAX和Maya是兩種使用頻率較高、設計效果較優的計算機動畫設計軟件，因此，本文設計虛擬現實室內效果時，主要采用3DMAX構建室內場景與物體模型，采用Maya設置場景燈光與環境氛圍，兩種計算機動畫制作技術均發揮了各自的優勢。根據渲染完成的室內場景與物體模型，設計相機路徑，制作室內場景動畫，最后用B樣條基的形式對虛擬現實室內設計效果進行修復。采用本文方法設計的虛擬現實室內效果便于用戶深層次、全面性了解設計師的意圖和思想，整體把握裝飾方案，利于快速修改與確定施工方案。

1" 基于B樣條輔助虛擬現實室內設計方法

作為一款3D動畫制作軟件，3DMAX在建筑設計、工業設計、室內設計等可視化領域應用廣泛。建模簡單、使用便捷是3DMAX的主要優點，因此室內設計師傾向使用3DMAX構建虛擬的室內三維模型[5]。Maya同樣是一款三維動畫制作軟件，屬于世界頂級三維動畫技術，場景渲染、動畫制作、特效設計功能突出，影視特效設計使用Maya技術的頻率較高，設計品質有保障。基于Maya特效設計的優勢，室內設計行業、游戲設計行業傾向使用Maya軟件渲染場景設計效果[6]。3DMAX與Maya同屬于計算機動畫技術范疇，二者兼容，兩種技術配合使用簡便。相對而言，Maya專業性更強，使用難度大。

1.1" 基于3DMAX構建室內三維模型

采用計算機動畫技術中的3DMAX構建虛擬現實室內設計的三維模型，共分為基礎建模、二維圖像建模、復合建模幾部分。3DMAX軟件疊加多個自帶的三維模型基本體，形成一個基本的三維模型。室內場景中的墻體、家具均為基礎模型[7]。形成基礎模型的基本體有兩種類型：標準基本體和擴展基本體，兩種基本體模型內容如表1所示。

由表1可知，室內設計中的家具均由這些標準基本體構成，如圓柱和長方體可構成椅子模型，如圖1所示。擴展基本體模型相對標準基本體復雜，種類相對多樣化。采用L?形墻、C?形墻可設計個性化的室內墻體樣式，滿足用戶多樣化的需求。虛擬現實室內設計中使用的高級三維模型也是以兩種基本體為基礎元素形成的。

1.2" 基于Maya的虛擬現實室內特效設計

1.2.1" 光影效果設計

1） 室內場景燈光渲染

Maya模擬現實中燈光效果的能力較強，Maya軟件包含環境光、平行光、點光源、聚光燈、區域光、體積光6種燈光渲染類型。利用Maya中的光源渲染功能調整室內設計燈光的顏色、強弱、衰減度等參數，呈現各種模式的室內設計效果。

環境光：環境光效果與漫反射光照效果相似，再現了現實中物體在周圍環境照射下的效果[8]。現實中的環境光照射物體包括直接光照射物體和其他物體反射光照射物體兩部分，Maya的環境光渲染均可體現這兩種環境光的明暗變化效果。

平行光：室內場景的燈光方向影響平行光的光照效果，燈光所處位置不會對燈光效果產生影響。理論上，平行光不存在夾角，光線處于平行狀態。因此，將趨于平行的光線全部認為是平行光線。

點光源：燈光所處位置影響點光源效果，也是點光源的唯一影響因素[9]。以一個點為中心向外發散的光稱為點光源，因此，燈光縮放程度與角度大小均不干擾點光源。透視性強是點光源的優勢，室內場景中物體與點光源的距離越小，陰影透視效果越強，相反，物體與點光源的距離越大，陰影透視效果減弱，趨于平行光產生的陰影效果。

聚光燈：作為關鍵燈光渲染類別，聚光燈在虛擬現實室內設計應用中頻率較高。聚光燈的光照范圍劃分明確，呈圓錐狀，與探照燈發射的照明效果相似。聚光燈的優勢是突出被照射物體的重點部位，室內場景設計、場景中單個物體的設計應用這種渲染方式較多，以突出物體特點。聚光燈發射光線的形式與太陽相似，所以在室內設計中常常使用聚光燈模擬太陽光線，強調物體的存在。

區域光：區域光又稱面光源，發射的燈光具有一定的面積或者區域，所以稱為區域光，與聚光燈、點光源的光源差異較大。差異在于，區域光的發光點本身是一個區域，區域光的大小和強度由手柄控制，形成的陰影區域柔和、真實。區域光的大小、位置以及角度均影響燈光效果。

體積光：體積光是一種個性突出的光源，光源體積大小影響光照的強弱和照射范圍，燈光顏色、強度控制較為簡單，被照射物體被照亮的前提是物體位于體積光范圍內。虛擬現實室內設計的局部照明大多采用體積光。

2） 基于Maya的室內光影效果設計

場景創建、材質貼圖、光影效果設計、渲染效果合成是基于Maya設計室內光影效果的主要步驟[10]，如圖2所示。其中，設計光影效果時，可根據用戶需求構思整個室內場景，基于實際要求為室內場景定義光源和燈光陣列。值得注意的是，渲染效果確定之前應完成多次測試渲染，以獲取最佳的光影設計效果，最終呈現滿意度較高的室內場景整體光影效果[11]。合成mel語言編寫程序構建的模型與渲染器渲染效果，即可輸出室內場景光影設計。

1.2.2" Mental ray渲染器

Mental ray渲染器與Software是Maya的主要渲染器，Maya軟件默認的渲染器是Software，使用的頻率較高，渲染的模型精致、逼真，Software渲染器通過使用計算機CPU功能完成模型渲染，但是運算量大、時間長[12]。Maya 5.0及以后的軟件版本中增加了Mental ray渲染器，Mental ray屬于高端渲染器，生成的渲染效果充滿高級感，Mental ray渲染器擅長反射、透明、全局光的渲染，還具備渲染金屬、烤漆表面的功能，以Mental ray自帶的材質節點為基礎[13]。為營造高級、可視化、逼真的虛擬現實室內設計效果，主要采用Maya中的Mental ray渲染器完成場景渲染。

Mental ray渲染器模擬精確的全照效果的優勢突出，因為該渲染器包括最終聚焦與全局照明2個渲染引擎。Mental ray渲染器的材質明暗器功能強大，能夠準確表達物體輪廓線和手繪藝術效果。Mental ray渲染器自身具備4種SSS材質，滿足用戶個性化、多元化的SSS效果需求，實現效率較高[14]。Mental ray更換貼圖時無需其他修改器的幫助，具體方法為：簡單設置后，在材質置換貼圖通道中增加新的材質，即得到更新后的材質貼圖效果。

Mental ray渲染器的分布式渲染功能有效提升了渲染室內場景的效率，縮減渲染工作量。分布式渲染即采用2臺及以上計算機同時展開渲染工作，與其他渲染器的分布式工作不同，Mental ray無需安裝任何插件，按指定步驟設置Mental ray后即可分布式操作渲染器，快速完成室內場景設計的渲染工作。

1.3" 室內場景動畫設計

以室內場景的渲染模型為基礎設計場景動畫，室內場景動畫的切換實現方法如下：基于多視窗交互方法定義曲線以及直線相機路徑，然后為路徑關鍵點定義參數。室內動畫場景模擬有兩種方式：渲染動畫和OpenGL動畫。基于MPEG算法壓縮、擴展MPEG圖形標準，由此得到高品質的室內場景動畫[15]。利用外部播放器程序播放設計完成的室內動畫。室內虛擬動畫設計步驟如圖3所示。

1.4" 基于B樣條基函數的修正

上述設計的室內結果易出現邊界與物體本身不能光滑過渡。需要對物體表面進行重新修正，使室內表面過渡光滑，給人一種自然的感覺。為此，本文從數學的角度分析該問題。已知目前點集為[s0，s1，s2，…sn，][n]為點集個數。為了擬合該點集，本文采取B樣條基函數作為插值函數。B樣條曲線曲面在幾何造型方面具有許多優良的性質，比如凸包性、保凸性、幾何不變性、變差縮減性和端點插值性等，而且具有遞歸求值[5]、包絡[6]等一系列簡單易行的方法， 對其實現變差縮減也有簡單易行的算法[7]。所以本文選擇B樣條作為基函數。給定參數[t]軸上的分割[T=ti+∞i=-∞，]其中[ti≤ti+1，i=0，±1，…]，由式（1）遞推得到分割[T]的[n]次B樣條基函數[Fi，n+∞i=-∞]，根據B樣條基函數[Fi，n+∞i=-∞]和給定點列[Pi+∞i=-∞]，相應節點[T]上的B樣條曲線。

這里[Pi+∞i=-∞]和多邊形[P0P1P2P3…]分別稱為該B樣條曲線的控制原點和控制多邊形。

B基是一組全正基，規范化全正基構造的曲線具有很好的保形性。通過B樣條基函數去擬合室內場景出現過渡不平滑時不會破壞原先結構。

2" 仿真測試

在Windows XP系統中展開室內設計方法測試，實驗環境如下：計算機硬盤大于40 GB，內存在128 MB以上;CPU為最低800 MHz的主頻CPU;計算機顯卡是適用于虛擬現實平臺運行的DirectX 8.1。選定20個室內設計場景及設計要求，采用本文設計方法完成虛擬現實室內設計，采用基于3D技術的室內設計方法、基于OpenGL的室內設計方法同時設計20個室內場景案例，對比三種方法的設計效果。圖4為本文方法構建的室內墻體模型。

2.1" 渲染效果分析

三種方法設計的室內燈光渲染效果如圖5所示，限于篇幅，僅列舉其中一個設計案例。

圖5a）為本文方法設計的虛擬現實室內效果，包含多種光源渲染效果。在各種環境光、點光源、區域光照射下，室內裝飾呈現不同的明暗變化，家具的立體感、可視化效果增強。本文方法渲染的室內效果精致、高級，滿足了大部分用戶的需求。相對而言，基于3D技術的室內設計方法渲染的燈光和家具界限模糊、不清晰，燈光下物體陰影明暗變化不顯著，可視化效果較弱;另外，基于OpenGL的室內設計方法呈現的室內效果板塊化明顯，燈光總體強度較大，導致物體和物體間的界限不明確，如電視和背景墻幾乎融為一體，電視內的畫面難以分辨。

2.2" 室內設計方法性能分析

50名用戶針對三種方法做出的室內設計效果，從可視化效果、智能化、實用性等角度評估三種設計方法的性能優劣，采用不合格、合格、良好、優秀四個等級評估三種設計方法的性能，結果如表2所示。

表2結果顯示，本文方法設計的20個虛擬現實室內效果的光影效果優，可視化、智能化效果突出，兼具實用性，用戶可直接了解室內設計的結構、材質、布局等信息，不需要重新設計。基于3D技術的室內設計方法的光影效果較差，用戶滿意度較低，并且設計的室內效果實用性差，不符合用戶預期，需重新設計。基于OpenGL的室內設計方法的可視化效果突出，但是實用性不合格，可見該方法設計的虛擬現實室內效果雖然光影效果、智能化程度較好，但是實用性差，仍需重新設計。由于本文方法結合了計算機動畫技術3DMAX的建模優勢與Maya的渲染優勢，因此構建的三維室內虛擬模型清晰展現了現實場景中的特點，渲染的光影效果明暗變化顯著，光影層次分明。

3" 結" 語

本文提出基于B樣條輔助虛擬現實室內設計效果，其中Maya在渲染室內光影、渲染物體材質方面發揮了優勢，Maya是一種高端的動畫技術，在影視特點制作中應用廣泛，設計的虛擬現實效果精致且高級。Maya的Mental ray渲染器在渲染室內模型方面取得了較好的成果，準確描述了室內光線的明暗變化與反射效果。在以后的虛擬室內效果設計中，可嘗試與多種計算機動畫技術結合，融合不同設計方法的優勢，優化室內設計的可視化效果，為用戶提供更優質的裝飾設計服務。

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