基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計

湯喜輝

摘? 要： 針對傳統(tǒng)室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)立體圖像設(shè)計水平較低的問題，設(shè)計一種基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)。硬件部分通過插補器、感知器、傳感器的設(shè)計實現(xiàn)了室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的動畫與交互功能;通過三維視覺圖像重建模塊、VRLM瀏覽器模塊的設(shè)計實現(xiàn)室內(nèi)景觀的三維重構(gòu)，完成軟件部分的設(shè)計。將硬件部分與軟件部分結(jié)合建立基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)。為了驗證該室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計水平，將該室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)與基于ArcGIS Engine的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)、基于Unity3D的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)進行對比實驗。實驗結(jié)果表明，三種室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平分別為86.97%，46.72%，62.34%。通過比較可知，基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平最高，證明了該系統(tǒng)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)景觀設(shè)計; 三維建模; 交互功能; 場景重構(gòu); 參數(shù)設(shè)定; 對比分析

中圖分類號： TN911?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）04?0173?03

Design of interior landscape design system based on three?dimensional modeling

TANG Xihui

（Henan University of Urban Construction， Pingdingshan 467036， China）

Abstract： An interior landscape design system based on 3D （three?dimension） modeling is designed to improve the low level of stereo image design of the traditional interior landscape design system. In the hardware part of system， the animation and interactive functions are achieved by the design of the interpolator， the perceptron and the sensor. The 3D reconstruction of the interior landscape is realized by the design of 3D visual image reconstruction module and VRLM browser module. The design of the software part is completed， and the interior landscape design system based on 3D modeling is established in combination with the hardware part and the software part. The interior landscape design system is compared with the interior landscape design system based on ArcGIS Engine and the interior landscape design system based on Unity3D to verify the design level of the indoor landscape design system. The experimental results show that the 3D image design level of the three interior landscape design systems is 86.97%， 46.72% and 62.34%， respectively. By the comparison， it can be seen that the 3D image design level of the interior landscape design system based on 3D modeling is the highest， which proves the superiority of the system.

Keywords： interior landscape design; three?dimensional modeling; interactive function; scene reconstruction; parameter setting; contrastive analysis

0? 引? 言

當(dāng)建筑的室內(nèi)環(huán)境面積較小且較為簡單時，可以利用傳統(tǒng)的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)繪制室內(nèi)景觀的平面圖像，對建筑的室內(nèi)景觀情況進行描述與表現(xiàn)。而當(dāng)建筑的室內(nèi)環(huán)境面積很大且過于復(fù)雜時，利用傳統(tǒng)的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)往往無法直觀表現(xiàn)室內(nèi)景觀的真實狀況。難以將室內(nèi)景觀繪制成三維立體圖像是傳統(tǒng)室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的最大弊端[1]。為了克服這種弊端，在室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)中引入三維建模技術(shù)。

三維建模技術(shù)是一種立體虛擬建模技術(shù)，其原理是利用相機進行360°環(huán)拍，從而掌握建筑室內(nèi)景觀的詳細狀況，然后利用計算機技術(shù)對建筑室內(nèi)景觀進行真實、立體的還原。作為一種先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，三維建模技術(shù)的引入可以通過塑造立體的室內(nèi)三維場景來實現(xiàn)建筑室內(nèi)景觀的立體展示與虛擬展示設(shè)計。因此提出一種基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)，通過生成圖像的工作流程、分析結(jié)果拼接、信息數(shù)字化分析、全景信息記錄等來實現(xiàn)室內(nèi)景觀的虛擬展示設(shè)計。基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)既可以對平面室內(nèi)景觀圖像進行繪制，也可以通過三維建模生成立體的室內(nèi)景觀圖像，并且通過三維建模能夠為客戶提供更加清晰、立體的室內(nèi)景觀細節(jié)，便于客戶進行選擇[2]。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的硬件包括插補器、感知器、傳感器[3]。通過插補器與感知器實現(xiàn)了基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的動畫與交互功能，利用感知器與傳感器的節(jié)點并結(jié)合三維建模技術(shù)即可在系統(tǒng)中建立逼真而立體的三維模型，使瀏覽者能夠身臨其境地觀察室內(nèi)景觀。基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的硬件模塊圖如圖1所示。

1.1? 傳感器設(shè)計

傳感器的類型包括碰撞傳感器、可見性傳感器、接近傳感器、平面移動型傳感器、任意旋轉(zhuǎn)型傳感器、單軸旋轉(zhuǎn)型傳感器與觸摸傳感器[4]。這些傳感器能夠為室內(nèi)景觀三維模型中的物體與瀏覽者提供交互機制。而感知器能夠以系統(tǒng)時鐘與瀏覽者的動作為依據(jù)對相應(yīng)事件進行觸發(fā)，插補器則能夠收集觸發(fā)事件所產(chǎn)生的反應(yīng)，并將這些反應(yīng)傳遞給系統(tǒng)從而使室內(nèi)景觀三維模型能夠?qū)g覽者的操作作出反應(yīng)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的交互功能[5]。傳感器節(jié)點的類型則包括SensorSphere，SensorCylinder，SensorPlane。這三種節(jié)點能夠輸出對象移動方向與移動距離，當(dāng)瀏覽者使用鼠標操作室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)時，通過傳感器節(jié)點的移動即可實現(xiàn)室內(nèi)景觀三維模型中某物體的移動。為了使傳感器節(jié)點更加精準地感知瀏覽者的操作，需要對傳感器節(jié)點的工作區(qū)域進行設(shè)定。為了使室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在特定的時刻觸發(fā)特定事件的功能，還需要設(shè)置一個時間傳感器對時間進行控制[6]。

1.2? 感知器設(shè)計

感知器的類型包括Visibility與Collision。Visibility的作用是對感知器感知范圍內(nèi)的所有可見造型進行顯示;而Collision 則能夠在自身感知范圍內(nèi)獲取各個節(jié)點與其替身的碰撞消息[7]。利用感知器的節(jié)點可以對室內(nèi)景觀瀏覽者的動作與行為進行感知。在室內(nèi)景觀的三維模型中，當(dāng)這些節(jié)點被瀏覽者觸碰時，它們會將被觸碰的信號傳遞給自己的相鄰節(jié)點并發(fā)出信號對自己的顯示效果、形狀或空間中的位置進行改變。

1.3? 插補器設(shè)計

插補器以VRML 2.0插補器為主，可以實現(xiàn)室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的動畫功能，主要以提供線性幀動畫為主，自帶完整的動畫機制[8]。VRML 2.0插補器能夠通過鍵點來實現(xiàn)其動畫機制，這些鍵點對應(yīng)著各自的關(guān)鍵狀態(tài)，在利用瀏覽器對室內(nèi)景觀三維模型進行渲染時，根據(jù)這些鍵點的關(guān)鍵狀態(tài)在室內(nèi)景觀三維模型中利用線性插值的方法即可生成場景相關(guān)動畫。根據(jù)鍵點關(guān)鍵狀態(tài)的不同數(shù)據(jù)類型可以將插補器節(jié)點分為六種類型，分別為：法向量插補器節(jié)點、坐標插補器節(jié)點、標量插補器節(jié)點、朝向插補器節(jié)點、顏色插補器節(jié)點和位置插補器節(jié)點。對于一些較為復(fù)雜的動畫來說，則需要在Script節(jié)點中引入由Java或Javascript編寫的程序腳本來實現(xiàn)[9]。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 三維視覺圖像重建模塊設(shè)計

基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的軟件包括三維視覺圖像重建模塊、VRLM瀏覽器模塊[10]。三維視覺圖像重建模塊主要是利用三維建模技術(shù)對室內(nèi)景觀進行三維重構(gòu)。該模塊的待匹配點主要以單個像素點為主，利用[Ix，y]表示單個像素點，用[Lx，y，σ]表示室內(nèi)景觀的三維重構(gòu)圖像像素點，用[Px，y，Lx，y，σ]表示三維重構(gòu)圖像像素點的邊緣輪廓特征量，那么室內(nèi)景觀三維重構(gòu)圖像的角點分布雅克比矩陣為：

[Jx，y，σ=PxPy=1? ? ? 0? ? ? ?Lxx，y，σ0? ? ? 1? ? ? ?Lyx，y，σ] （1）

利用直方圖分解方法對矩陣進行直方圖分解，可以得到室內(nèi)景觀三維重構(gòu)圖像區(qū)域?qū)傩詨K矩陣：

[M=Lxxx，y，σ? ? ? Lxyx，y，σLxyx，y，σ? ? ? Lyyx，y，σ] （2）

利用室內(nèi)景觀三維重構(gòu)圖像的區(qū)域?qū)傩詨K矩陣對室內(nèi)景觀進行三維場景重構(gòu)，三維場景重構(gòu)流程如圖2所示。

2.2? VRLM瀏覽器模塊設(shè)計

VRLM瀏覽器模塊可以通過COSmoplqyermrl瀏覽器實現(xiàn)室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的靜止查看模式與移動狀態(tài)模式的自由切換。利用COSmoplqyermrl瀏覽器自帶插件可以下載室內(nèi)景觀設(shè)計的相關(guān)資源[11]。當(dāng)在室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)中準確安置VRLM瀏覽器模塊后，對其中的.wrl文件進行雙擊即可獲取COSmoplqyermrl瀏覽器頁面，并設(shè)置其中的三維場景。利用VRLM瀏覽器模塊的控制面板可以對室內(nèi)景觀三維模型進行操作，可以分為審視觀察模式與運動行走模式，并利用工具鍵進行模式轉(zhuǎn)換[12?13]。通過硬件與軟件的設(shè)計實現(xiàn)了基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)。

3? 實驗研究

為了檢驗基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的有效性，設(shè)計對比實驗進行驗證。對比方案分別為：基于ArcGIS Engine的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)、基于Unity3D的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)、基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)。

3.1? 實驗參數(shù)

具體實驗參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。軟件環(huán)境：SQL Server、Websphere軟件;硬件環(huán)境：Jboss應(yīng)用服務(wù)器、Java EE組件、Web體系架構(gòu)。

3.2? 實驗過程

在Matlab Web平臺上利用Jboss應(yīng)用服務(wù)器、Java EE組件、Web體系架構(gòu)加載基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)并對其進行初始化操作。對室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平進行檢驗，以RYS指標作為判斷室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)立體圖像設(shè)計水平的依據(jù)。

3.3? 實驗結(jié)果

比較基于Unity3D的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)、基于ArcGIS Engine的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)和基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平，對比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，基于ArcGIS Engine的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平約為46.72%;基于Unity3D的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平約為62.34%;基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平約為86.97%。通過比較可知，基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平高于基于ArcGIS Engine的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)與基于Unity3D的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)，證明了基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4? 結(jié)? 語

基于三維建模的室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)通過三維建模技術(shù)的引入實現(xiàn)了室內(nèi)景觀設(shè)計，該系統(tǒng)的立體圖像設(shè)計水平高于傳統(tǒng)室內(nèi)景觀設(shè)計系統(tǒng)，在室內(nèi)景觀設(shè)計領(lǐng)域具有一定的可推廣性。

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