圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統

田楊

摘? 要： 由于傳統的室內設計系統場景再現能力有限，支持的場景范圍較小，為此，提出圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統。系統硬件是由圖像處理模塊、虛擬仿真模塊、數據庫支持模塊組成，主要負責處理圖像信息。在Qt 5.9.6環境下開發系統軟件，并采用Visual Studio 2015完成室內設計系統軟件運作流程的設計。考慮到系統界面設計的仿真效果，利用Qt 5.9.6軟件編寫模型規則編碼，最后采用在32位Windows 7操作系統、顯卡為NVIDIA GeForce 9800 GT、內存為4.00 GB的計算機環境下，分別測試兩個室內設計系統支持的場景范圍，實驗結果表明，所提系統支持的場景范圍更廣，更符合設計需求。

關鍵詞： 室內設計系統; 圖像信息處理; 虛擬現實技術; 室內場景仿真; 軟件開發; 系統測試

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0062?03

Interior design system based on image processing and virtual reality technologies

TIAN Yang

（Department of Communication and Animation， Tangshan University， Tangshan 063000， China）

Abstract： Since the traditional interior design systems are of limited scene reproduction ability and small supported scene range， an interior design system based on image processing and virtual reality technologies is proposed. The system hardware is composed of image processing module， virtual simulation module and database support module， which is mainly responsible for the image information processing. The system software is developed in the Qt 5.9.6 environment， and the software operation process of the interior design system is designed with Visual Studio 2015. In view of the simulation effect of the system interface design， the software Qt 5.9.6 is used to compile the model rule code. The scene ranges supported by two interior design systems are respectively tested by the computer with Windows 7 32?bit operating system， NVIDIA GeForce 9800 GT graphics card and 4.00 GB memory. The experimental results show that the scene range supported by the proposed system is wider and more in line with the design requirements.

Keywords： interior design system; image information processing; virtual reality technology; interior scene simulation; software development; system test

0? 引? 言

室內設計系統是一個重要的研究領域，若能提高室內設計效果，即可在圖片檢索和視頻檢索領域中發揮重要的作用。常規的室內設計系統容易受到光照和噪聲的影響，無法對室內場景進行精準的分類[1]。為此，本文提出圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統。圖像處理技術和虛擬現實技術成為近幾年計算機應用領域的熱點，因其沉浸效果明顯，具有場景再現的能力，已被廣泛應用于各個行業。虛擬現實技術利用人機互動理念將構思仿真成可見的場景，用戶可以通過輔助手段在場景中實現飛行和行走等操作。圖像處理技術通過計算機處理圖像信息實現圖像分類，在處理方法上具有處理范圍廣、精度高等優勢。

通過深入學習和研究，整理了室內設計系統的基本框架，為改善室內場景圖像分類效果，做了一些前期準備，將圖像處理技術應用到室內場景分類上，在此想法上，從場景結構學角度出發，對子類目標進行分類，研究當前圖像分割的基本原理。再從室內場景結構的角度，利用虛擬現實技術對室內場景圖像進行仿真，考慮到室內色彩、裝飾和陳設等要素。硬件設備選用建模設備、三維視覺顯示設備、交互設備傳遞虛擬環境，用多媒體計算機作為硬件環境，完成室內系統硬件的設計。軟件則選擇具有伸縮性的Qt 5.9.6軟件，再采用Visual? ?Studio 2015的標記語言組合不同的場景，具體操作步驟如下。

1? 硬件結構設計

室內設計系統是基于圖像處理技術和虛擬現實技術開發的，包括三個主要模塊，室內設計系統硬件框架如圖1所示。

室內設計系統是由圖像處理模塊、虛擬仿真模塊、數據庫支持模塊組成。各模塊具體功能如下：

圖像處理模塊是系統的核心模塊，主要表現為兩個方面：一方面是圖像中的目標檢測;另一方面是圖像描述和識別分類[2]。圖像目標檢測負責處理圖像信息和恢復圖像真實信息，目的是過濾無用信息，增強圖像有關信息檢測的可能性。圖像描述負責去除冗余信息，先提取圖像特征，辨識目標，再對目標進行進一步利用[3]。

虛擬仿真模塊是根據規定室內建設功能劃分的，分為以下幾種：

建筑類模型：不同風格、不同高度。

植被模型：不同種類、不同型號。

家具類模型：床、桌子、家電。

小品類：凳子、花盆、衣架。

標識類：區域標識模型。

畫刷紋理模型：地磚畫刷、墻體畫刷。

用戶在操作時，需要從素材庫中拖拽模型圖片到相應位置，為保證硬件設備流暢性，需要匹配地形網絡和地形網格。在虛擬場景中，將區域地形制作成500 m×500 m的規格，為適應地形和模型的匹配，在規劃時需用素材模型進行統一制作，以此防止模型形狀差距過大[4]。在3D MAX 9.0建模環境下創建特征模型支持模塊，遵循工程項目建模規范，制作虛擬室內場景模型，該數字模型主要包括非規劃數字模型和規劃區數字模型這兩個部分，兩個性質場景是并存的[5]。在進行規劃區場景模擬時，需要將其作為規劃設計的主要部分，利用模型編輯和紋理繪制等功能對其進行網格化處理。非規劃區只作為參考使用，為不干擾用戶的操作，在設計上采用特征模型支持網對其進行網格化處理[6]。數據庫支持模塊負責為用戶提供更大的空間，利用存儲的模型屬性數據建立大量的模型，幫助用戶管理素材模型進行屬性信息查詢等[7]。

2? 軟件功能設計

室內設計系統的軟件設計是在Qt 5.9.6環境下開發的，將Visual Studio 2015作為軟件開發的編寫工具，具體實現步驟[8]如下：安裝Visual Studio 2015和Qt 5.9.6軟件;再將Qt 5.9.6嵌入Visual Studio 2015中，直接在Visual? Studio 2015中新建項目，即可在編寫方案軟件的界面輸入相關代碼;再安裝OpenCV 3.4.0，完成安裝配置[8]。室內設計系統軟件運作模式如圖2所示。

軟件具體運作流程如下：

獲取多幀圖像，將得到的多幀連續圖像進行閾值二值化處理，并生成虛擬仿真圖像，進行積分處理得到濾波后的圖像，提取輪廓按照輪廓大小進行排序，篩選目標，計算圖像模型的質心坐標[9]。當設計人員打開攝像頭按鈕時，CCD相機會將采集到的室內圖像進行標注，這樣在進行處理時，就可以將原始圖像劃分為具體目標，提取分割圖像的精確信息[10]。最后進行模型設計，將前期策劃的設計構思表現成虛擬仿真圖像，按照1∶20的比例制作[11]。在界面設計上，為增強模型的逼真程度，需采用Visual Studio 2015對每一個模型按照以下規則進行編碼，見表1。

應用表1制作編碼，并上傳到系統中，數據量是系統運行速度的關鍵，模型精度越高，系統的數據量也會隨之變大[12]，在進行規則編碼時，需采用CAD/CAM編寫軟件對模型屬性進行數據管理[13]，見表2。

表2是在Qt 5.9.6環境上創建的，存取路徑對用戶是透明的[14]。

綜合上述設計流程，完成室內設計系統軟件開發的設計。

3? 仿真實驗

為確保系統程序滿足應用需求，需對室內設計系統所有特性和功能進行實驗，測試內容如下：檢測系統的場景支持狀況，為保證實驗具有說服性，利用傳統的室內設計系統與圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統進行對比實驗。

3.1? 測試內容

為確保室內設計系統達到理想狀態，實驗中需要依據測試指標檢測系統的所有特性和功能是否以期望的方式運行，圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統和傳統室內設計系統的測試內容為場景的支持狀況。實驗中使用的功能模塊實現狀況主要有：

1） 場景漫游：為了迎合用戶的操作習慣，在系統設計時制作了單點導航界面和觸控手勢操作，這樣人性化的操作方式可以讓用戶在虛擬社區中加入觀看視點和角度。

2） 素材庫：即為系統虛擬仿真模塊，負責為用戶提供模型素材，在設計過程中，用戶可以使用拖拽的方式添加任意模型。

3） 屬性查詢：即為系統軟件添加模型屬性和查詢信息的錄入情況。

3.2? 結果與分析

實驗在以下計算機環境中進行測試，32 位 Windows 7 操作系統，顯卡為 NVIDIA GeForce 9800 GT，內存為 4.00 GB。在該計算機環境下測試傳統的室內設計系統和本文設計的室內設計系統的場景支持情況。測試結果如表3所示。

分析表3可知，傳統的室內設計系統場景支持范圍較小，測得的總面積為300 m2，僅有建筑模型和家具模型這兩類屬性信息，而使用圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統的場景支持范圍總面積為700 m2，共有家具模型、畫刷紋理模型、標識模型、家具模型這四類，在測試中，系統運行正常。

從實驗結果可以看出，本文所提的室內設計系統測試場景范圍更廣，能夠滿足設計需求。

4? 結? 語

為解決傳統室內設計系統存在的問題，本文提出圖像處理和虛擬現實技術的室內設計系統。該系統兼顧虛擬仿真技術和圖像分類兩個領域的應用，既滿足了用戶參與規劃的需求，又能很好地把握住房和周邊環境的協調關系。該系統的順利運行，表示現階段這種適用兩個領域的室內設計系統已在規劃設計領域中被廣泛應用。

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