基于VR的在線定制家具虛擬場景設計與實現

羅銳　桑海偉　趙建川　馬敏耀　 丁云云　張小紅　黃潔

摘要：本文介紹了一種可以讓用戶根據自己的喜好設置不同風格的虛擬現實家具應用系統，結合虛擬現實（VR）和3DMAX技術，實現通過頭戴式顯示器與耳機和手持控制器，允許用戶與各種家具進行交互，能夠實時更改面料、樣式等元素，為用戶提供身臨其境的家具定制化體驗，實現虛擬現實家具的交互式個性化定制。

關鍵詞：虛擬現實;3DMAX;交互;場景

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0186-03

1引言

隨著時代的發展，人口數量的增多，住房需求也迅速升高。促進了家裝行業的發展越來越快，與此同時，用戶對于裝修的風格也提出了更高的要求，裝修不再是傳統意義上的裝修，而是個性化設計。但是由于每個人心中的裝修風格都是不一樣的，無法保證設計師設計的風格都能夠滿足用戶的要求，而虛擬現實（VR）技術為家裝行業提供了新的方式。VR是利用計算機三維圖形和VR設備給使用者提供交互式和沉浸式的視覺體驗。集數字圖像處理、圖形學、多媒體技術、傳感和測量技術、仿真和人工智能等多種技術于一體，利用計算機模擬生成一種多源信息交融的、交互式的三維動態視景和實體行為的仿真系統。具體來說，就是模擬人眼的視覺效應，雖然看不到真實的環境，卻可以看到非常逼真的虛擬畫面，達到虛擬現實的目的。

用戶很難想象家具裝修后的場景。虛擬現實可以讓消費者嘗試不同的面料、顏色以及其他屬性，看到裝修后的家具效果。虛擬現實為消費者提供了家具信息的存在感，利用VR技術設計的智能家具定制系統，打破了傳統的設計觀念，可以讓客戶自己設計自己感受，最終達到讓客戶選擇自己心儀的設計方案。

2系統設計

虛擬環境中三維模型是基于現實環境中的實物，從而模擬出來的圖像，虛擬現實建模中最關鍵的技術是三維建模，在進行建模過程中需要用到相應的軟件，3DMAX是AUTODESK公司的游戲和動畫的3D建模和渲染軟件，具有功能完善、兼容性強和制作效率高等優點，使用3DMAX工具集來整形和定義詳細的環境，對象和字符，建立事物建模。3DMax可與大多數主流渲染器配合使用，能夠滿足虛擬現實中家具模型制作的要求，因此選用3DMAX進行家具以及場景的建模。

在軟件開發上選擇了Unity3D作為開發軟件，Unity3D擁有對25個以上平臺的支持開發平臺，通過功能全面的C#腳本和包括通信，渲染和物理的API，可適應當前不斷發展的技術需求。Unity3D提供靈活的圖形優化的可編程渲染管線（SRP），一流的視覺質量的高清渲染管線（HDRP），和保證性能的輕量級渲染管線（LWRP），在性能和質量上Unity3D均完全設計的滿足。

智能家具定制作為虛擬技術的一種應用，應該在生理和心理上給予用戶真實體驗，根據用戶的需求，在實現用戶要求的風格的同時，也能利用VR實現效果預覽，本系統功能如下：1）選擇任何自己想要的家具、材料、顏色、大小、方式和位置;2）可以隨時更改各種裝修風格;3）自主的選擇與房間相協調的家具款式，用戶也可以選擇自己喜歡的家具款式;4）體驗設計后的家裝效果。

3系統實現

3.1 系統開發流程及方法

通過計算機和頭戴式顯示器（HDM）來體驗虛擬場景。數字交互式3D圖像與虛擬現實相結合，通過建模、布景、光照、貼圖、渲染和HTC VIVE硬件提供可視化定制設計的家具。開發流程如圖1。

利用3DMAX軟件對家具的各種模型元素進行設計和實現，圖2為3DMAX中沙發模型，依托于資源豐富和模型細膩的3DMAX軟件，能夠滿足用戶的各種需求，而Unity3D支持各種3D格式，包括fbx和3ds等格式的文件，Unity3D提供了比任何“游戲制作”的程序更靈活和更強大的工具，使用Unity3D，將創建好的模型直接添加到場景，Unity3D以快速，直觀的方式將家具的基本對象創建完成。

在使用3DMax建立了家具的基本元素后，使用VRTK和SteamVR插件，快速實現手柄與實體的交互。VRTK的一系列腳本和功能，在Unity3D中快速輕松地構建VR解決方案。它提供了許多常見的解決方案，使用戶體驗更加接近真實。比如虛擬空間內的運動，交互，抓取和使用對象等交互、通過指針或觸摸交互等。

沉浸系統最主要的特點就是真實，光影的添加讓場景更加真實。光照系統（Enlighten）的應用，提供兩種不同的技術來預先計算全局照明（GI）和反射光（圖3）。這些是烘焙全局照明和預計算實時全局照。

除了光照，如何通過分配材質來控制渲染器上的著色器，顏色和紋理來控制游戲對象的視覺外觀也是物品是否真實的關鍵。使基于物理的著色系統（PBR）是關于光和表面材質的更詳細的推理，效果對比如圖4。

3.2 系統功能實現

系統由模型搭建、場景布置、放置燈光、添加模型屬性（如材質、物理特性等）以及行為腳本等組成。對于腳本，Unity3D支持C#和JavaScript用于編程，通過將每個對象隔離，并迫使其他對象通過其方法與其交互，可以減少可能的無意交互的數量。

Unity3D提供了五大基本視圖選項卡，游戲、場景、Inspector、項目、層次結構。提供與之交互并進行測試的運行實例、靜態可編輯游戲場景、通過項卡修改場景中各個實體、可以將模型、材料和其他資源放置于游戲世界中、通過單擊和拖動來查找場景中的對象和實體，如圖5、6所示。

材質是紋理和著色器的組合，將要導入的紋理，轉換為jpg、png或bmp，拖到Unity項目目錄下的assets文件夾中，可以從項目選項卡直接拖動到游戲對象上。也可以通過C#將這些資源通過編輯器中的GUI Text和GUI Texture GameObjects作為元素讓用戶選擇，并用戶選擇的該紋理與實體實時渲染在場景中。如圖7所示。

場景的搭建，場景布置是否溫馨，燈光是關鍵，它將光芒投射到實體上。如果場景中沒有燈光，則所有多邊形都以相同的亮度級別繪制，這渲染出來的場景不真實。燈光還可以調節光的顏色，并且創造出陰影和投影。這會使消費者產生情感和共鳴。

4總結

互聯網已成為信息收集和數據分析的利器，影響著快速增長的線上購物者和各行各業的發展。基于Web的虛擬現實與在線家具定制平臺相結合，是制造商獲取用戶對家具喜好的有利手段，也是獲得消費者對市場現有家具反饋的方式。基于VR技術的個性化家具定制設計就是將客戶、企業、設計師緊密地聯系在一起。通過VR技術允許消費者更改家具寬度、高度、深度以及移動和旋轉等，從而提供與家具的動態交互。同時，允許消費者評估概念設計，在家具制造前對其進行預算、空間檢查和美觀性的權衡，并在沒有物理原型的情況下修改設計。消費者可以通過自導自演的選擇和配置來確定家具的最終樣式。越來越大的存儲容量允許存儲無限數量的家具模型，使用兼容的數據格式，可以容易地從其他VR顯示系統獲得大小、布局和其他VR顯示匹配的感知。虛擬現實只需要一些不大物理空間，就可以將很多的場景或者家具展示逐一展示給消費者。

虛擬現實可在不犧牲客戶需求的情況下實現驚人的真實感。而且每個家具使用的3D模型，可以在各種平臺和設備上提供服務。資產的分離使得速度和現實的完美融合。在數字化信息時代，虛擬現實技術可以處理無限數量的家具和家具排列。家具經銷商可以展示無盡的沙發、座椅等，同時也為經銷商創造了在目標消費者及其產品之間建立強烈情感聯系的機會，革新了傳統設計方法，為用戶選擇裝修風格提供了一種新的方法。

參考文獻：

[1] 劉丙信，劉金科，朱晨陽.基于VR技術的三維家居設計及展現系統[J].電子技術與軟件工程，2018（11）：73.

[2] 李智，董建峰，劉辰.家裝設計服務一體化應用云平臺的研究與實現[J].土木建筑工程信息技術，2017，9（5）：45-49.

[3] 傅小娟.淺談家裝設計色彩運用[J].西部皮革，2018，40（21）：60.

[4] 洪林炳，廖麗瓊，賀林.VR技術在室內家裝設計中的應用思考[J].視聽，2019（02）：239-240.

[5] 莊宏金.定制家居行業智能制造與智能物流升級——索菲亞未來工廠的探索與實踐[J].物流技術與應用，2018，23（12）：129-130+132-134.

[6] 王瑜晨.基于Unity3D橋梁VR仿真設計[J].中國新技術新產品，2019（01）：17-18.

[7] 孫琪，智英斌.VR技術在建筑室內設計中的應用探討[J].美術大觀，2018（12）：148-149.

[8] 牛祿青.虛擬現實：發展現狀與未來趨勢[J].新經濟導刊，2018（Z1）：34-38.

【通聯編輯：梁書】