VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

張文

摘? 要： 傳統(tǒng)三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)存在內(nèi)存利用率過高的問題，影響系統(tǒng)運行流暢度。針對上述問題，提出VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。引用VR外戴設(shè)備，設(shè)計接觸傳感器，通過設(shè)置的傳感器節(jié)點實現(xiàn)視點和場景的轉(zhuǎn)換;利用CAD和3ds MAX軟件建立家居模型，并導(dǎo)入虛擬場景中，將家居設(shè)計展示在用戶面前，通過VRML建模語言調(diào)整模型的屬性，實現(xiàn)三維家居設(shè)計。測試結(jié)果表明，在使用相同的模型文件情況下，與傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計及展示系統(tǒng)相比，設(shè)計的VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)內(nèi)存利用率更低，系統(tǒng)運行更流暢。

關(guān)鍵詞： 三維家居; 家居展示; 系統(tǒng)設(shè)計; VR技術(shù); 家居建模; 系統(tǒng)測試

Abstract： In allusion to the memory utilization is too high in the traditional 3D home design and its display system， which affects the system′s running fluency， a development and application of 3D home design and display system based on VR technology is proposed. VR external wearing equipment is used to design contact sensor， and the conversion of viewpoint and scene is realized by setting sensor nodes. The CAD and 3ds Max software are used to build home model， which is imported into the virtual scene to display the home design to users. The attributes of the model is adjusted by means of VRML modeling language to realize 3D home design. The testing results show that， under the condition of using the same model file， the designed VR technology of 3D home design and display system has lower memory utilization and runs more fluency in comparison with the traditional 3D home design and display system.

Keywords： 3D home; home display; system design; VR technology; home modeling; system testing

0? 引? 言

VR是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的縮寫，是一種集合計算機、電子信息和仿真技術(shù)于一體的技術(shù)。該技術(shù)通過計算機模擬出虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感，具有較好的交互性、多感知性、構(gòu)想性和自主性[1]。目前該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在影視、教育、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域，其中有一部分專業(yè)人士已經(jīng)研究出虛擬實驗室、漫游系統(tǒng)和數(shù)字展覽館等，具有良好的發(fā)展趨勢[2]。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，家居設(shè)計和家裝行業(yè)得到快速發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的人對自己的家居有著自己的個性化設(shè)計要求，通常通過三維家居展示系統(tǒng)與設(shè)計師一起協(xié)同工作完成自己的DIY設(shè)計[3]。但是傳統(tǒng)的家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)缺少交互性，并且在使用該系統(tǒng)時，存在內(nèi)存利用率過高的問題，影響系統(tǒng)運行的流暢度。

針對上述情況，將VR技術(shù)引入到三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)中，將虛擬和現(xiàn)實結(jié)合在一起，突破時間和空間領(lǐng)域，使用戶沉浸在家居設(shè)計和展示的環(huán)境中，隨意操作設(shè)計并得到環(huán)境真實的反饋。

1? 三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)硬件設(shè)計

利用VR技術(shù)的交互性強的特點，通過感知操作實現(xiàn)用戶與家居設(shè)計及展示系統(tǒng)的互動，主要通過傳感器、視點、事件觸發(fā)和事件路徑實現(xiàn)互動能力[4]。傳感器節(jié)點是交互能力的基礎(chǔ)，設(shè)計的系統(tǒng)通過交互能力將三維家居展示給用戶，在三維家居設(shè)計場景圖中，傳感器節(jié)點一般是以其他節(jié)點的子節(jié)點的身份而存在，其父節(jié)點稱為可觸發(fā)節(jié)點，觸發(fā)條件和時機由傳感器節(jié)點類型確定[5]。

使用在VR中較為常見的接觸傳感器。系統(tǒng)中家居場景的變換由接觸傳感器的節(jié)點控制，用戶在使用設(shè)計的系統(tǒng)時，佩戴外部設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)部存在一個開關(guān)節(jié)點，傳感器節(jié)點是它的子節(jié)點，當(dāng)該節(jié)點被觸發(fā)時，開關(guān)節(jié)點同時被觸發(fā)，引發(fā)某種特定的變化[6]。而視點的變化需要不同的觸發(fā)傳感器，在虛擬場景中用戶視線觀察的位置為視點節(jié)點，用戶通過觸發(fā)傳感器節(jié)點來切換視點。將視點切換與上述場景變化的視點變化聯(lián)系起來，構(gòu)成一個事件體系，該事件體系由相互通信的傳感器節(jié)點組成，在傳感器節(jié)點上存在多個事件入口和對應(yīng)的事件出口，當(dāng)用戶觸發(fā)后它就此事件傳送一個特定的值，則該節(jié)點為當(dāng)前視點[7]。根據(jù)以上內(nèi)容確定接觸傳感器的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

通過接觸傳感器調(diào)整觀察的視角，完成場景轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)用戶與虛擬家居環(huán)境的交互。

2? 三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 構(gòu)建三維家居模型

三維家居展示的真實程度主要由家居設(shè)計中建模的精細(xì)程度決定，設(shè)計過程就是建模過程，主要分為家居數(shù)據(jù)采集、CAD繪制、模型構(gòu)建、紋理貼圖和美化等[8]。

通過攝影方式采集家居的各種信息，采用專業(yè)的數(shù)碼相機拍攝，有助于后續(xù)處理，突出家居細(xì)節(jié)特征[9]。利用圖像編輯軟件對獲得圖像信息進行調(diào)整和特效處理，使圖片達(dá)到最佳展示效果[10]。在圖像編輯軟件中進行畸變校正，修正圖像中透視變形、暗影等攝影硬件造成的圖像缺陷問題;對于形態(tài)復(fù)雜的家具，通過摳像去底手段，減少干擾因素，呈現(xiàn)實物精細(xì)輪廓;對于圖像中存在的色調(diào)、色相和亮度偏差問題，利用曲線工具將其減弱，在顯示效果達(dá)到滿意程度后，將圖片保存。

根據(jù)獲取的圖像建立三維模型，需要確定家居內(nèi)部各個組成部分的位置信息，設(shè)置圖像中的坐標(biāo)為二維平面坐標(biāo)，通過參照物得到家居內(nèi)物品的三維空間的位移量，與二維坐標(biāo)相對應(yīng)，坐標(biāo)系上的物品在水平方向的位置為[Δx]，縱向方向?qū)?yīng)物品在縱向的位移量為[Δy]。二維坐標(biāo)系中參照物的點為：

式中：[p0]為參照物坐標(biāo);[pzx，y，z]為二維圖像左上角位置;[plx，y，z]為二維圖像右上角位置。確定家居設(shè)計中各個部分的位置信息后，利用建模軟件建立整個家居產(chǎn)品模型。

三維模型的建立需要利用二維三視圖，通過CAD軟件繪制建模所需要的尺寸結(jié)構(gòu)線，導(dǎo)入至3ds MAX中直接拉伸出實體模型。建模完成后，利用3ds MAX的基本材質(zhì)，使用三種參數(shù)構(gòu)成對象表面，三種參數(shù)分別是環(huán)境光顏色、漫反射顏色和高光顏色，使用這三種顏色和對高光區(qū)的控制，生成出有效的渲染效果。完成渲染后，通過設(shè)計接觸傳感器控制家居模型，根據(jù)個人需要設(shè)計出滿足自身需求的家居類型，并將其展示出來。

2.2? 基于VRML的三維家居設(shè)計及展示

VRML作為虛擬現(xiàn)實建模語言，其面對的對象是節(jié)點，子節(jié)點的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物，通過實例后得到復(fù)用，經(jīng)過定義后，就可以建立動態(tài)的虛擬世界。在完成三維家居建模后，利用VRML將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實場景中，在虛擬現(xiàn)實中顯示出來，用戶佩戴VR設(shè)備，通過接觸傳感器控制模型移動、選擇等，將虛擬環(huán)境中的家居風(fēng)格設(shè)計成滿足自身需求的家居。

在系統(tǒng)中，家居展示的界面設(shè)計非常重要，它是用戶與系統(tǒng)交換信息、傳達(dá)指令的媒介，實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部信息與用戶之間的語言的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的初始展示界面如圖1所示，用戶選擇合適的家居設(shè)計風(fēng)格，確定后通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)置身于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，觀察家居設(shè)計的細(xì)節(jié)。

對于家居的設(shè)計主要通過VRML來實現(xiàn)，通過material Material設(shè)計顏色，顏色對應(yīng)的代碼為diffuseColor。在VRML文件中，顏色的顯示用十六進制代碼值表示，用geometry Box設(shè)計模型的大小，利用function clicked（）和if語句實現(xiàn)對模型的不同操作。至此三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)設(shè)計完成。

3? 三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)性能測試

3.1? 測試環(huán)境

三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)的實現(xiàn)是基于VR技術(shù)的。整個場景采取統(tǒng)一坐標(biāo)系，采用分塊建模，聯(lián)合組裝的策略，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)樣式，規(guī)范模型標(biāo)準(zhǔn)和紋理處理標(biāo)準(zhǔn)。故系統(tǒng)測試環(huán)境選擇在基于IntelPentium架構(gòu)的個人PC機，其操作系統(tǒng)為Windows，使用的應(yīng)用軟件為VRML語言編輯器、Photoshop圖像處理軟件、Cool3D、AutoCAD、3ds MAX等三維建模生成工具，并將模型轉(zhuǎn)換為VRML文件。

3.2? 系統(tǒng)實體操作測試

為了確保系統(tǒng)以期望的方式運行，按照實際需求和規(guī)范，測試系統(tǒng)設(shè)計的功能。將外接式頭戴設(shè)備裝備在測試人員身上，通過輸入設(shè)備操控整個系統(tǒng)中展示出的虛擬實體家居。測試系統(tǒng)的實體操作能力，對虛擬環(huán)境中的實體做移動、旋轉(zhuǎn)和縮放等幾何變換調(diào)整。測試結(jié)果如圖2所示。

通過以上過程完成了虛擬環(huán)境的向左旋轉(zhuǎn)和實體移動，證實了該系統(tǒng)實體操作功能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求和測試需求。

3.3? 系統(tǒng)內(nèi)存利用率對比測試及分析

使用三維設(shè)計類的系統(tǒng)時，往往需要占用很大的內(nèi)存，承擔(dān)過多的負(fù)載，內(nèi)存利用率過高，使系統(tǒng)運行出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。為此，設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)存利用率對比測試，在測試設(shè)計的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)的同時，引用傳統(tǒng)的家居設(shè)計展示系統(tǒng)測試，兩個系統(tǒng)使用的是相同大小的VRML文件，運行相同的時間，設(shè)置相同的操作流程。對比分析獲得結(jié)果如圖3所示。

圖3中測試結(jié)果1為傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)測試結(jié)果，測試結(jié)果2為設(shè)計VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)測試結(jié)果。觀察圖中結(jié)果，測試結(jié)果1中顯示，內(nèi)存利用率為98%，內(nèi)存利用量為3 941 MB;測試結(jié)果2中顯示，內(nèi)存利用率為28%，內(nèi)存利用量為982 MB。兩者相比，設(shè)計的VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)內(nèi)存利用率更低。

4? 結(jié)? 語

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種非常新穎的藝術(shù)形態(tài)，將其融入到三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)開發(fā)中，通過傳感器觸發(fā)、事件輸入輸出和行為控制等功能，加強了交互能力，達(dá)到了真實虛擬的效果。設(shè)計傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)與VR技術(shù)下的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)的對比測試，其結(jié)果證明了設(shè)計的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的三維家居設(shè)計及其展示系統(tǒng)。但是在開發(fā)過程中，受到技術(shù)水平、時間和設(shè)備的限制，導(dǎo)致虛擬場景美感度不夠，仍需更深層次的研究。

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