基于虛擬現實的室內空間表現研究

陳海軍

摘要：室內空間的表現形式多樣，從傳統的手工繪制、實體模型表現，到計算機輔助設計的二維圖片，再到虛擬現實表現，由二維到三維到四維再到多維，從業者一直在探索，一直在創新。虛擬現實技術應用于室內設計是行業技術發展的一個飛躍。VR室內空間表現不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個交流工具。它以視覺形式反映了設計者的思想，把空間變成看得見的虛擬物體和環境，用戶沉浸其中，使以往傳統表現模式提升到數字化的即看即所得的完美境界，大大提高了設計效率和質量，提升了用戶的體驗。

關鍵詞：虛擬現實;VR;室內空間表現

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0129-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

B20峰會上，建設創新型世界經濟，以互聯網為核心的新一輪科技和產業革命蓄勢待發，人工智能、虛擬現實等新技術日新月異，虛擬經濟與實體經濟的結合將給人們的生產方式和生活方式帶來革命性變化。“十三五”規劃也明確把虛擬現實作為戰略性前沿技術而進行基礎研發與提前布局。這幾年虛擬現實取得初步發展，可以說是我國的朝陽產業，各行各業對VR技術的需求日益旺盛。虛擬現實技術也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學技術領域。

1 VR虛擬現實室內空間表現技術

“虛擬現實”英文“Virtual Reality”，簡稱“VR”，是數字科技發展的產物，并伴隨著數字科技進步不斷發展創新，自VR技術出現到現在，逐漸向各行各業積極拓展延伸，涉及軍事、設計、娛樂、教育、醫療、地產等，藝術設計也在積極探索與虛擬現實的融合。

室內空間的表現形式多樣，虛擬現實的出現為室內空間的表現提供技術支持與物質保障。其原理是基于一個或者多個信息處理實時圖像圖形的三維軟件，創建幾何模型，對其著色、材質、陰影、渲染等，以視覺表現的方式來展示設計者的思路，并同時利用第三方硬件（如計算機、VR眼鏡、數據頭盔、VR手柄等）或平臺與觀者進行交互體驗。例如室內空間裝修之前的工作，首先要做的是設計師根據自己的設計理念，對空間的結構、風格、規劃等仔細構想，利用虛擬現實技術按照自己的構思去構建身臨其境的空間環境、而觀者能沉浸其中，看到表現效果、體會設計師理念，動手操作互動，從而構建自然和諧、人機交互的環境。

2 室內空間表現發展歷程

室內空間的表現形式多樣，從傳統的手工繪制、實體模型表現，到計算機輔助設計的二維圖片，再到虛擬現實表現，由二維到三維到四維再到多維，從業者一直在探索，一直在創新。

（1）傳統手工繪制形式

在計算機技術沒有普及之前，一直是以手工繪制的形式來表現室內空間設計，其以徒手為基礎，以各繪圖工具為媒介，把設計師所思所想記錄下來，可以說是一種最為純凈與自然的表現形式。設計師思維最直觀的體現方式，是由思維轉化成設計，由手工繪制推動和深化的過程當中，設計師需具備成熟的技巧和方法。形象的刻畫、環境的塑造、材質的賦予等設計語言，都需要成熟豐富的技巧來組織，以達到與思維的高度統一。這種表現方式自然純凈、豐富自由，但相對而言，門檻較高，耗時較多。

（2）實體模型表現形式

在用圖紙表達室內設計空間的時候，雖然二維圖紙能表達三維空間效果，但設計理念和想法往往不能通過圖紙的方式完全表達出來。實體模型則以其最直觀的形象使設計想法最接近實際。在初期，概念型、草圖型實體模型可以讓作者推敲室內空間結構、色彩、采光等實際問題，從而推進設計過程，探求更理想的方案，甚至可以指導實際施工。在終期，展示型、商業型實體模型模擬非常高，展示最真實的效果，呈現給觀者的是最真實的體驗。

（3）計算機輔助設計表現形式

計算機技術的普及，給設計界帶來翻天覆地的影響，也給室內空間的表現帶來巨大的變化。隨著電腦硬件和軟件的不斷完善，設計者徹底從手工繪制的工作中解放出來，各種功能齊全的設計軟件如3DSMAX、CAD、PHOTOSHOP等，通過各種指令，就能極快地完成工作;同時，由于其可逆性，極大地縮短了設計時間，提高了工作效率，計算機網絡平臺資源的共享，更豐富了室內空間的表現手法，拓寬了設計思維。但有利也有弊，隨著計算機技術在室內空間表現領域的廣泛運用，素材資源的共享，促使設計師產生依賴心理，表現作品缺乏個性，忽視了藝術修養的培養。

（4）虛擬現實表現形式

計算機技術發展到一定的高度，虛擬現實開始應用于室內空間表現領域。在計算機技術發展的初期，受硬件和軟件的限制，室內空間表現大多以圖片的傳媒方式來表達，這種二維方式的表達有很大的局限性，虛擬現實技術出現并運用以后，其可帶領觀者走進虛擬的多維空間，沉浸在其中，仿佛感知真實空間;可以與空間的物體接觸，改變物體的位置，與空間互動;還可以在視覺、聽覺、觸覺、運動、時間等多個維度感知空間，其是行業最近需要探知的方向。

3 VR室內空間表現的特征

（1）逼真感

VR室內空間表現的場景、模型及情感設計都是根據真實世界來虛擬，無論是VR圖形技術，還是VR圖像技術，都可以營造觀者感知的真實環境和事物。VR室內空間表現的界面、顏色、家具與現實空間所不同的是一個是感知上的逼真，一個是現實中的逼真。

（2）沉浸感

VR室內空間表現是利用計算機技術模擬產生三維的虛擬空間，觀者沉浸這個虛擬空間里，可以去任何地方，感知這個空間，觸摸這個空間，讓用戶有身臨其境般的體驗。觀者的感知系統感知虛擬空間帶來的刺激、驚喜，并產生情感與思維上的共鳴。

（3）交互性

當VR室內空間表現通過相應的技術讓場景環境、事物可操作的時候，觀者就可以和虛擬空間產生相互的作用。例如：把場景中的家具改變位置，界面改變造型，物件改變顏色，打開場景中的門窗、電視機、水龍頭，和場景中的VR空間管家對話等。這種用戶對虛擬空間中的事物發出操作指令和虛擬空間產生的反饋所產生的相互作用是傳統室內空間表現不能比擬的。

（4）自主性

如果把VR虛擬空間表現當成一個故事的話，設計師不再是唯一的主角了，用戶也不再是單純的觀眾了。VR空間表現可以對各設計元素如不同風格的裝飾，不同家具造型的動態對比，顏色的編輯，材質的修改等進行有效存儲，用戶在虛擬空間中可以自己DIY，做設計故事的主角，改變地板的材質，換一換墻壁的顏色，搭配一套自己喜歡的家具，這種虛擬空間表現的樂趣性不言而喻。

4 VR室內空間表現的主要技術要點與過程

VR室內空間表現的目的是要實現可視化，實現與用戶之間的溝通。為了生成這種特殊的環境，需要多種技術融合，實現VR室內空間的整體及細微的效果表達，讓用戶產生置身真實空間的感覺。

4.1 主要技術要點

（1）虛擬的空間場景建模技術

在虛擬室內空間中，建模技術是一個重要的環節，利用3D SMAX、MAYA等專業軟件創建建筑、家具、人物、植物、各裝飾構件等模塊，同時注意模型的優化，然后在這基礎上進行觸感反饋、立體視覺顯示、交互等技術，營造出一個室內空間整體環境。

（2）立體視覺顯示技術

立體視覺顯示方式很多，如裸眼3D顯示、全息投影3D顯示、眼鏡3D顯示等。VR室內空間表現現在比較常用的是利用基礎建模形成虛擬圖形輸入模塊，利用UE4虛擬平臺處理圖形輸入模塊，然后形成立體視覺顯示輸出模塊，最后，在計算機、VR眼鏡等專業設備上就可以看到非常真實的虛擬空間。

（3）實時反饋交互技術

虛擬的空間要想實現與現實空間相同的感受，僅僅靠立體視覺顯示不能達到與現實空間真實感的目的，用戶不能被動地接受，更應該主動地感受，應加入實時反饋交互技術，讓虛擬空間更具備真實感。如：在虛擬的室內空間當中，用手一推，窗戶打開，同時可能還有微風吹過;按下電視機的遙控按鈕，電視播放節目等，這種實時的反饋更能讓用戶身臨其境。

（4）虛擬空間聲音合成技術

VR室內空間當中，視覺不是唯一，聽覺也可作為重要的反饋輔助，在虛擬室內空間適當加入合適的音效、音樂，構建帶有層次的聲音特效，合成環繞立體聲，提升用戶的沉浸體驗。

4.2 實施過程

（1）前期的規劃構思

古人云：“先謀，后事者昌”。前期對室內空間的規劃與構思在VR室內空間表現中處于首要地位，對具體的空間設計圖紙和空間場景做大致的規劃和構想，并對虛擬空間場景的建模和各個模塊的功能做出構思。收集空間設計的相關資料，對空間戶型進行調研與分析，對方案進行整體的構思并確定空間規劃方案。完成CAD制圖進行彩色平面圖制作。

（2）創建室內空間模型

當前期的規劃構思完善，準備工作做好以后，就可以開始基礎的室內空間場景建模了。建模工作一般通過SDAMAX來創建與優化。3D建模是Unreal Engine 4的基礎部分，場景的模型都要通過3DS MAX來完成，建模是構建場景的基本要素，一個好的虛擬現實項目要運行流暢，最重要就是模型的優化，同時還要保證模型的大小，保證程序發布之后不會占用太大的內存。基本的優化原則就是制作簡模，建模過程中基本上所有模型都是簡模，對于相交的面要刪除相交之后重復的面，盡量減少模型的點以達到優化的目的，把場景中看不見的面都刪除，這樣就減少3DS MAX的模型面數，實現在程序上的流暢狀態，然后再根據項目的需要來進行修改得出自己理想的模型 。

（3）構建虛擬室內空間

引進UE4虛幻引擎搭建虛擬平臺，在UE4平臺為優化了的室內空間模型添加燈光設置渲染、音效，圖形界面，編寫交互藍圖，最終形成一套完整的虛擬室內空間表現。其一，UE4引擎的畫質是數一數二的，其中燈光設置渲染是關鍵，逼真的場景能給用戶帶來真實的沉浸感，對于用戶來說真實感越好，容易得到認可。測試烘焙的話可以選擇preview模式，最終效果的話就要選擇production模式，通過提高該模型的燈光貼圖分辨率或是它的燈光貼圖UV面積利用率來提升效果。其二，根據空間的需求對場景中進行音樂的腳本添加與合成。例如：在虛擬室內空間中加固定聲源和移動聲源的方法。固定聲源：窗戶外面海浪的聲音，廚房里面油的聲音，電視畫面聲音等;移動聲源：家庭成員經過身邊漸行漸遠的腳步聲，多種聲音合成，形成環繞立體聲，猶如身臨真實空間的沉浸體驗。其三，根據室內空間與用戶、用戶與界面之間的關系，UI界面設計、交互技術也是虛擬現實項目的關鍵。VR室內空間表現通過UE4負責交互功能的開發，將虛擬場景與用戶連接在一起，協調整體虛擬系統的工作和運轉。搭建一個頁面簡約直接、邏輯結構合理、極具沉浸感的虛擬環境。

（4）后期輸出

通過執行輸出的可執行文件（EXE文件）或瀏覽器播放插件把模型顯示在屏幕上，使用鼠標和鍵盤點擊設置的交互區域或者第三方交互設備進行人機互動。通過以上，整套虛擬空間表現基本完成，如圖1所示。

5 結語

VR技術的出現為室內空間表現注入了新的活力，彌補了傳統室內空間表現的不足，其能充分地將室內空間的任何角度展示給觀者，加強了與用戶的聯系，提升了用戶的體驗，較傳統表現方式更直觀、更高效、更具多維性，在國內來說屬于新興的朝陽產業。盡管VR室內空間表現在發展初期遇到很多困難，如空間表現用戶體驗還是缺乏直觀性、軟硬件還是跟不上實時動態反應數據、交互性效果不夠理想等諸多問題，但促使人們尋求更多、更新的方法來解決問題。VR技術將是室內空間表現領域未來的發展方向。

參考文獻：

[1] 李良志.虛擬現實技術及其應用探究[J].中國科技縱橫，2019（3）：30-31.

[2] 石宇航.淺談虛擬現實的發展現狀及應用[J].中文信息，2019（1）：20.

[3] 湯朋，張暉.淺談虛擬現實技術[J].求知導刊，2018（36）：50-51.

[4] 徐一夫.虛擬現實技術發展淺談[J].科技傳播，2018，10（23）：122-123，130.

[5] 笪旻昊.虛擬現實技術的應用研究[J].電腦迷，2019（1）：53.

[6] 涂思危.VR虛擬現實技術發展與應用[J].中國科技縱橫，2019（4）：51-52，55.

[7] 王波，李憲鋒，張丹.基于圖像處理的虛擬現實技術的室內設計系統研究[J].現代電子技術，2020，43（11）：68-71，75.

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