基于OpenGL與Direct3D的室內軟裝三維模擬系統設計

張龍

摘 ?要： 針對傳統室內軟裝三維模擬系統選取幾何建模方法三維模擬室內軟裝效果，缺乏有效的充實和渲染手段，真實性差。文中設計一種基于OpenGL與Direct3D的室內軟裝三維模擬系統，采用3DMAX軟件建立室內模型，將該模型導入OpenGL三維圖形標準庫模塊中，利用基本幾何圖元繪制室內軟裝場景元素，通過穿墻、重疊以及尺寸約束函數對場景元素進行約束，確保室內軟裝代理區域合理布局，充實室內模型，充實后室內模型傳送至Direct3D渲染引擎模塊變換單元實施軟裝布局，利用照明單元和光柵化單元對布局后室內進行渲染，獲取最優室內軟裝效果，并輸出室內軟裝三維模擬圖像。實驗結果表明，利用該系統三維模擬的室內軟裝真實性強，編輯操作平均運行時間為327 ms，用戶滿意度高。

關鍵詞： OpenGL; Direct3D; 室內軟裝; 三維模擬系統; 變換單元; 約束函數

中圖分類號： TN02?34; TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）19?0119?05

Abstract： The traditional three?dimensional simulation system for indoor soft?fitting chooses geometric modeling method to simulate the effect of indoor soft?fitting， which lacks effective enrichment and rendering means， and has poor authenticity. Therefore， an indoor soft?fitting 3D simulation system based on OpenGL and Direct3D is designed. The indoor model is built by means of 3DMAX software. The model is imported into OpenGL 3D graphics standard library module. The elements of indoor soft?fitting scene are drawn by using basic geometric primitives. The elements of indoor soft?fitting scene are constrained by piercing walls， overlapping and size constraint functions， so as to ensure the reasonable layout of the agent area of indoor soft?fitting. The enriched indoor model is transmitted to the transformation unit of Direct3D rendering engine module to implement soft?fitting layout. The lighting unit and rasterization unit are utilized to render the arranged room， so as to obtain the optimal indoor soft?fitting effect and output the three?dimensional simulation image of the indoor soft?fitting. The experimental results show that the indoor soft?fitting simulation using this system has strong authenticity， the average running time of editing operation is 327 ms， and the user satisfaction is high.

Keywords： OpenGL; Direct3D; indoor soft?fitting; 3D simulation system; transformation unit; constraint function

0 ?引 ?言

室內軟裝又稱為室內陳設，是指家庭或商業建筑空間內家具、布藝、燈飾等后期裝修布置。我國經濟發展迅速，人們生活水平有所提高，逐漸重視家庭裝修質量。家庭裝修質量不僅是指家具材質質量，更重要的是色彩搭配以及居住舒適度，裝修質量可直接體現居住人的文化內涵及生活品味[1]。制定室內軟裝方案時，設計師通常需要通過可直接展示室內設計的軟件與客戶溝通及修改設計，因此一種可真實模擬室內軟裝的三維模擬系統對于提升家裝設計質量具有重要意義。

傳統的室內軟裝三維模擬系統通常選取幾何建模方法獲取室內場景信息，雖成本較低但是開發工具性能較差，導致系統缺失真實性，無法獲取真實色彩搭配以及裝修材質情況[2]。本文設計一種基于OpenGL與Direct3D的室內軟裝三維模擬系統，該系統將OpenGL軟件與Direct3D軟件相結合，有效提升了室內軟裝三維模擬的真實性，使客戶真實感受室內軟裝設計與布局效果，提升室內軟裝設計質量[3]。

1 ?室內軟裝三維模擬系統

1.1 ?室內軟裝三維模擬系統總體結構

基于OpenGL軟件以及Direct3D軟件設計室內軟裝三維模擬系統總體結構圖，如圖1所示。該系統選取Windows 7作為操作系統，采用3DMAX 7.0軟件進行室內軟裝三維模型以及動畫制作，使用OpenGL軟件與Direct3D軟件相結合作為三維程序開發工具。

OpenGL軟件以及Direct3D軟件包含在程序接口范疇之內。OpenGL軟件可以利用點、線、簡單圖形以及復雜曲線、曲面展示所需函數，并且可適應Unix，Windows 7等平臺進行操作。OpenGL軟件的主要功能是繪制室內場景元素圖形并發送至Direct3D軟件進行最終處理[4]。Direct3D軟件是一種3D繪圖編程接口，利用Direct3D軟件通過抽象處理將具有相同作用的不同硬件歸類處理。

采用3DMAX軟件作為建模工具建立室內模型，完成建模后保存至3ds格式文件，3ds格式是一種以“塊”形式進行存儲的格式，包括待軟裝室內各種場景數據以及編輯窗口[5]。將3DMAX軟件建立的室內模型利用OpenGL三維圖形標準庫模塊繪制室內軟裝場景元素充實模型。將充實后模型轉換成“*.x”格式文件加入至Direct3D渲染引擎模塊中進行布局以及渲染操作，完成編輯后輸出最終室內軟裝三維模擬圖像[6]。

1.2 ?OpenGL三維圖形標準庫模塊

將3DMAX軟件建立的3ds格式文件導入OpenGL軟件中，OpenGL軟件并不支持直接讀取3ds格式文件。因此需要先將3ds格式文件利用View3d等第三方工具轉換成OpenGL軟件可讀取的c格式文件，轉換c格式文件時隨之生成的.h與.gl格式文件導入OpenGL軟件中的程序框架，利用代碼編譯即可在OpenGL軟件中獲取所需模型。以上過程可能會導致軟裝家具或裝飾品等場景元素紋理丟失，而本文系統利用3DMAX軟件建立初步室內模型時并未添加家具等系統場景元素，因此以上過程在本系統中可行。

OpenGL三維圖形標準庫模塊具體流程為：

1） 利用VC++ 6.0軟件建立MFC數據庫應用程序，該應用程序為單文檔，并在該數據庫中加入opengl32.lib，glaux.lib等庫文件，并將gl.h，glu.h以及glaux.h等頭文件加入View類文件中。

2） 在應用程序中設置窗口描述表、OpenGL描述表、像素格式等編輯類消息函數，設置繪圖初始化函數以及顯示函數。

3） 將通過3ds格式轉化后的.h與.gl格式文件發送至該模塊工程文件中，生成函數為GL3DS_INITIALIZE_ MODLE（），將該函數加入至GL voied程序中，完成室內模型導入。

4） 在導入室內模型中利用基本幾何圖元繪制室內軟裝場景元素，為保證室內軟裝布局合理，加入穿墻約束函數、重疊約束函數以及尺寸約束函數，確保室內軟裝代理區域合理布局，充實室內模型。OpenGL軟件是一個功能極其強大的圖形標準庫，可處理較復雜的交互式三維圖像，并且包含獨立的窗口系統以及操作系統，可輕易繪制理想的室內三維圖像。將充實后的室內模型發送到Direct3D渲染引擎模塊進行布局修改以及渲染，可實現室內軟裝的三維模擬設計[7]。

1.3 ?Direct3D渲染引擎模塊

Direct3D軟件可對模型提供實時三維支持，是一個智能化圖像操作軟件，通過圖形硬件接口實現三維操作。Direct3D軟件僅支持“*.x”格式文件，將OpenGL三維圖形標準庫模塊充實后模型轉換成“*.x”格式文件后，加入到Direct3D渲染引擎模塊中進行操作。Direct3D渲染引擎模塊主要包括變換單元、照明單元以及光柵化單元，具體結構圖如圖2所示。

在變換單元中對OpenGL三維圖形標準庫模塊完成充實后的室內模型進行室內軟裝布局，并利用照明單元和光柵化單元渲染室內軟裝布局，增加室內軟裝三維模擬的靈活性[8]。

2.3 ?三維模擬效果對比

三種系統三維模擬樣本間客廳效果圖如圖4所示。

由圖4可以看出，本文系統所模擬客廳效果圖色彩鮮明，圖像清晰，而Untiy3D系統所模擬的客廳效果圖較為灰暗、物品邊緣存在缺失以及虛化問題，Smart3D系統所模擬的客廳效果圖模糊，存在嚴重的虛化問題。說明本文系統可清晰直觀地展現客廳軟裝實際情況，驗證了本文系統的室內軟裝三維模擬最終效果。

2.4 ?系統評分結果對比

選取200名家裝設計師，將200名家裝設計師共分為10組，令10組人員分別使用三種系統進行室內軟裝設計。設計完成后對200名家裝設計師進行統計，通過問卷回答方式驗證家裝設計師們對通過三種系統進行室內軟裝設計的滿意度。調查內容包括好感度、操作靈敏度、設計便利性、設計滿意度以及軟裝效果。10組人員對三個系統的評分結果如表2～表4所示。

通過表2～表4調查結果可知，本文系統的好感度、操作靈敏度、設計便攜性、設計滿意度以及軟裝效果評分結果均高于Untiy3D系統以及Smart3D系統。本文系統評分平均分均在95左右，而Untiy3D系統評分平均分均低于89，Smart3D系統評分平均分均低于85，說明本文系統的室內軟裝三維模擬效果較好，設計較便利，操作靈敏，用戶滿意度較高。

3 ?結 ?語

隨著人們生活水平的上升，室內軟裝設計已經成為近年來發展迅速的行業。為便于室內設計師更好地對室內軟裝進行設計，提升室內軟裝的三維模擬效果的真實性以及實時性，本文設計基于OpenGL與Direct3D的室內軟裝三維模擬系統，該系統將OpenGL軟件與Direct3D軟件相結合，先利用3DMAX軟件建立室內模型，再利用OpenGL軟件添加室內場景元素并對場景元素進行約束，充實室內模型，最后通過Direct3D軟件對家具進行最終布局以及渲染，實現室內軟裝的有效三維模擬，為室內設計提供可靠的分析依據。

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