基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統研究

秦俊暉

摘? 要： 針對傳統的環境藝術設計系統場景切換時間慢的情況，將虛擬現實技術應用到環境藝術設計系統構建中。在分析環境藝術設計特征的基礎上，構建硬件系統框架，主要設計了采集器、控制器、處理器和數據接口。在此基礎上，采用Matlab運算軟件對系統中的不同數據進行格式變換，采用二值轉換算法獲取到格式后的環境數據，完成基于虛擬現實技術的環境藝術系統設計。實驗對比結果表明，此次構建的基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統比傳統的場景切換時間快，能夠在短時間內完成系統內各個場景的切換，具備極大優勢，證明了該系統具備有效性。

關鍵詞： 虛擬現實技術; 環境藝術; 設計系統; 切換時間; 場景切換; 運行效率

中圖分類號： TN99?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0092?03

Study on environmental art design system based on virtual reality technology

QIN Junhui

（Institute of Information Technology of GUET， Guilin 541001， China）

Abstract： In view of the slow scene switch of the traditional environmental art design system， the virtual reality technology is applied to construct the environmental art design system. The framework of the system hardware is constructed on the basis of the characteristic analysis of the environmental art design. The system hardware is the core of the system， which consists of collector， controller， processor and data interface. On this basis， the different data formats in the system are transformed by Matlab operation software， and the binary conversion algorithm is adopted to obtain the formatted environmental data to complete the design of environmental art system based on the virtual reality technology. The results of contrastive experiments show that the environmental art design system based on the virtual reality technology can switch faster than the traditional system， and can complete the scene switch in a short time. Therefore， it has great advantages and proves the system effectiveness.

Keywords： virtual reality technology; environmental art; design system; switch time; scene switch; operational efficiency

0? 引? 言

環境藝術設計受到多種因素影響，如果環境藝術設計中存在一定的問題，會導致設計成果達不到預期，同時，傳統系統表現力差，會導致設計藝術理念出現偏差和設計方向錯誤。因此，構建一個基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統來解決目前存在的問題。由于虛擬現實技術具備的特性，其應用范圍也非常廣，在設計領域、軍事領域、醫學領域等都得到了廣泛的應用。虛擬現實技術是一種具備交互特征的虛擬世界為中心的計算機仿真技術，通過計算機的計算力生成可交互、實時動態的三維立體，給用戶帶來一種沉浸式體驗。通過將虛擬現實技術應用到環境藝術系統設計中，能夠提高環境藝術設計的逼真性和快速性，促使環境藝術設計走向更高的層次。

通過分析目前環境藝術設計的基本要求，將虛擬現實技術應用到環境藝術設計系統中，該系統硬件中包括環境模塊和全局控制模塊，軟件主要實現系統中的數據處理以及存儲。實驗對比結果表明，此次設計的系統比傳統系統場景切換的響應時間短。在環境藝術設計中使用虛擬現實技術能夠創造出良好的三維虛擬環境，使用戶對設計方案有更多的認識，加快環境藝術設計行業的發展。

1? 環境藝術設計系統硬件設計

此次設計的環境藝術設計系統硬件以提高系統運行速度作為目標，主要對系統中的各個功能進行管控，硬件框架如圖1所示。

圖1中，設計系統選用的采集器為TDAD8585型號采集器[1]，該采集器主要對環境數據進行采集，實現場景的仿真效果。采用ARM Cortex?A8處理器，該處理器效率高，處理器速率能夠在600 MHz到超過1 GHz的范圍內調節，滿足系統功耗的需求。結合1個63位DSP處理單元[2]，對串流應用有較高的加速能力，適用于環境藝術設計系統。

同時，為保證該系統的場景切換速度，設計控制器對系統各個場景切換進行控制，該控制器中采用型號為TK?08A0的控制電路板[3]，該電路板支持AM3接口的AMD系列處理器，并與內存插槽[4]相結合，提高了系統擴展能力，控制器如圖2所示。

該控制電路板中配置1～4個處理器，保證在頻率不變的情況下，提高控制器的性能。在實際使用時，采用總線接入系統的方式，并且在該控制電路板外圍具有多個分線，將其與系統進行連接，接入到CPU[5]中。在控制電路板開啟時，操作系統內的音效、音樂、場景起始、場景切換等，系統中的各個場景切換通過該控制器完成，并添加腳本，實現各個場景之間的數據交換。在此基礎上，將OSG接口與控制器結合，當系統處于工作狀態時，控制器將與OSG系統相連接，使用該接口省去插件環節，并且該接口中存儲各種場景，底層框架優秀，在具體使用時只需要在平臺上重新編譯。將場景控制轉換要求發送到調試設備上，通過該控制器對系統進行控制，滿足系統場景切換的速度要求。

2? 環境藝術設計系統軟件功能設計

傳統環境藝術設計系統分析真實環境圖數據格式能力較低，對環境模型塑造不完全，所以將初始圖中的數據進行處理。環境藝術設計系統中的各個數據雜亂無章，所以對初始圖數據進行修正，得到相同區域的網格數據[6]，對環境藝術設計中的不確定點數值實時預測，通過臨近的已知點進行加權計算，計算公式為：

式中：[di]為加權函數;[c]為已知環境的數量;[vi]為環境藝術設計系統中的不相鄰場景間的距離。在環境藝術設計系統中，各個場景間的分布情況不同，會對數據產生不同干擾作用[7]，因此對環境藝術設計系統中的數據進行數據轉換，加強系統的穩定性。數據轉換流程圖如圖3所示。

采用Matlab運算軟件[8]對系統中的環境數據實施數據格式變換，首先將系統中的環境數據存到BIN文件[9]中，采用二值轉換算法[10]獲取到格式后的環境數據，計算公式為：

在上述數據轉換完成的基礎上，構建數據庫，基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統除基本環境數據外，需要包括環境的地理信息和屬性信息的特征數據，以此塑造環境藝術設計系統庫，確保創建的虛擬環境逼近真實環境，其中涵蓋地理紋理特征。

數據庫構建流程如圖4所示，對環境藝術設計系統中的數據庫實施管理，對數據庫進行層次操作[12]，對場景的應用程序進行高層次調控。通過該數據庫，為環境藝術設計過程提供場景規劃依據，并將所有的場景進行科學分配，提高各個環境之間的協調性。避免在系統視景元素的位置產生間斷問題，發生抖動或者場景跳變問題。因此，為了保證場景數據的精準度，對系統中的數據庫原點實施重置[13]，準確描述各個場景位置[14]，并控制區域列表，對系統中的環境元素進行組織和匯總管理，使數據庫中的數據元素在場景中實現觀測，保證系統在篩選和渲染前過濾掉不顯示的元素[15]，以提高環境藝術設計系統的運行效率。

3? 仿真實驗

3.1? 實驗環境設計

為證明基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統的實際效果，進行仿真實驗。選擇傳統環境藝術設計系統進行對比測試。主要對比兩個系統的場景切換響應時間，為使實驗更具真實性，對實驗環境進行設計，該測試環境中包含測試過程中的硬件環境和軟件環境，測試環境如表1所示。

3.2? 場景切換時間對比

在上述設計的環境下進行實驗，對比兩個系統的場景切換響應時間，進行4次實驗，將每次實驗間隔控制在2 h，保證在下次實驗時不會對實驗產生影響，實驗結果如圖5所示。

通過圖5能夠看出：在第一次實驗時，傳統系統場景頁面響應時間為25 s，本文設計的系統響應時間約為4 s，較傳統系統低21 s;第二次實驗時，傳統系統響應時間為18 s，本文設計系統為5 s，比傳統系統低13 s;第三次實驗，傳統系統場景切換響應時間約為31 s，本文設計系統響應時間約為3 s，較傳統系統低28 s;第四次實驗，傳統系統的場景切換時間高達35 s，本文設計系統約為8 s，較傳統系統降低27 s。

通過上述對比實驗能夠證明，本文設計的基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統場景切換響應時間比傳統系統響應時間少，而傳統的場景切換時間過長，降低了用戶使用系統的好感度，限制了系統的發展。

通過上述實驗能夠看出，基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統在短時間內就能夠完成各個場景之間的切換，實用性能強。

4? 結? 語

本文構建了一個基于虛擬現實技術的環境藝術設計系統，對該系統的硬件與軟件進行了設計。硬件設計主要實現對整個系統的控制，加快系統的運行速度，軟件主要實現整個系統內的數據整合，減少系統的響應時間，增強與各個環境之間的協調性。通過實驗證明，本文系統比傳統系統的場景響應時間短，大大減少了各個場景之間的切換時間。通過該系統能夠營造出更加逼真、生動的虛擬環境，使用戶在觸覺、視覺、聽覺上都得到體驗，加深用戶記憶，增強虛擬環境的畫面感。同時，能夠幫助設計師設計出更優秀的作品，滿足人們的實際需求，并且能夠準確預算設計所需資料，控制施工成本。

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