VR/AR室內云的設計與應用

陳小連

(泉州信息工程學院 創意設計學院視覺傳達設計系，福建 泉州 362000)

近年來，隨著建筑行業的快速發展，逐漸由傳統發展方式轉變到了互聯網與裝飾結合的新模式，推進了室內裝飾行業智能化發展。對于建筑設計師來說，室內設計渲染效果的好壞非常重要，渲染效果較理想，能夠使客戶明確室內設計的效果，確定設計方案[1]。但是，目前室內設計軟件操作難度較大，渲染時間較長，且室內設計的風格越來越多，家具變化也越來越多。設計師在采用傳統軟件進行室內設計時，會導致設計方案與客戶所需設計方案脫節，設計效果千篇一律[2]。為此相關領域研究人員進行了相應的研究。

文獻[3]提出通過適老建筑室內色彩環境的設計，引入虛擬現實技術，在進行室內色彩設計時模擬真實場景，將室內空間建構和相應色彩進行可視化呈現，完成室內色彩設計。該方法將虛擬現實技術引入，將適老建筑室內色彩進行場景模擬，實現了個性化的室內設計，但該方法構建虛擬場景時的技術研究存在局限性，雖然完成了個性化設計，但僅考慮色彩的設計，局限性較大。文獻[4]提出結合虛擬現實技術進行室內裝修技術。該技術首先介紹了室內設計互動分析的主要內容和其特質，然后分析了該方法運用到住宅內的可行性，最后提出加強該技術在室內設計中的運用措施。該方法只是一個理論層面的探討，并沒有實際的操作。

基于上述問題的存在，設計一種基于VR/AR技術的室內云軟件。VR/AR技術是時下備受關注的新技術，通過虛擬圖像給用戶帶來逼真體驗。VR技術與AR技術是兩種不同顯示技術。本文將VR技術與AR技術應用在室內云軟件設計中，改善室內設計效果。實驗結果表明，設計的基于VR/AR技術的室內云軟件模擬室內設計的場景效果較佳，能夠滿足用戶的需求。

1 VR/AR技術發展現狀

目前，VR技術已經廣泛應用到室內設計、房產開發、文物古跡修復、旅游行業和教育事業等多個領域中。其中，在建筑設計領域中應用最多。該技術具有其他建筑技術沒有的操作特點和優勢，如建筑環境、空間體驗等，能夠避免因建筑實際施工后與用戶預期不符造成的返工現象，在減少設計成本的基礎上提高施工效率[5]。

VR是一種可在虛擬場景中感受實際體驗的計算機系統。該系統通過計算機技術創建視、聽、觸的感官世界，通過交互設備體驗虛擬中的真實感。

AR技術是一種新生圖形顯示技術，該技術能夠通過捕捉現實場景，將已經設計的貼圖與實際場景融合，使體驗者能夠在虛擬場景中體驗室內設計后的效果。該技術已在醫療、圖書、手機等領域廣泛應用，發展趨勢較好。

將VR/AR技術應用到室內設計中，實現室內裝飾設計的真實感，滿足客戶需求。

2 VR/AR技術在室內設計領域應用

通過VR技術能夠模擬整個室內虛擬場景，使用戶能夠直觀感受到設計的真實環境效果，方便室內環境布置和調整。其中，包含立體聲合成與立體顯示技術。VR技術能夠模擬人在正常生活環境中聽覺特點，使室內設計中聽覺效果與實際情況無明顯差距。同時，可以使建筑室內設計中通過應用觸覺反饋技術，提高用戶與室內環境的交互性，帶給客戶真實的室內環境體驗。

AR技術在室內設計中，主要是提供新鮮事物供人們體驗，其中，有較多制備完畢的家具、電器、陳設品供設計師和用戶調用[6]，能夠實時預覽家具模型，并能夠通過顯示器將虛擬家具放置到家中。用戶通過AR技術能夠看到室內中的沙發、茶幾、電視等設備擺放位置，實際沉浸到室內環境[7]中。同時，設計師能夠運用AR技術中已有的模型布置場景，創作出屬于自己的AR作品。

3 基于VR/AR技術的室內云軟件設計

3.1 室內設計云軟件功能設計

在設計基于VR/AR技術的室內設計云軟件之前，確定室內設計云的設計需求[8]。針對設計師需求，提高室內設計渲染速度，針對用戶來說，增加室內設計的交互性，實時查看設計效果，并對電腦渲染設計結果與實際設計效果進行對比。為滿足不同群體的設計需求，結合藝術手段優化軟件界面，將技術與藝術相結合，設計該軟件的功能如下。

(1)創建上帝模式，可以在任意空間建造、編輯模型，對模型進行旋轉、移動、縮放等基本操作可以從任意角度觀察建筑設計效果。

(2)AR掃描分享，訪客可進入分享者設計的云空間。

(3)第三方分享接入以及第三方用戶登錄。

(4)用戶可通過錄制視頻分享室內設計成果。

3.2 基于VR/AR技術的室內設計云軟件框架

基于VR/AR技術的室內設計云軟件框架如圖1所示。

圖1 基于VR/AR技術的室內設計云軟件框架

在用戶啟動該軟件后，進入到軟件主界面，用戶可根據自身需要點擊菜單，調用軟件中相應響應函數，以滿足自身的功能需要。

基于VR/AR技術的室內設計云軟件中主要包括三類對象：空間對象[9]、物品對象以及場景對象。空間對象中主要包含燈、墻、過道以及柱子等，且包含材質與紋理等，這些對象供用戶與設計者改變空間對象屬性；物品對象主要包含門、窗、家具等，用戶與設計師可隨意改變并且能夠從數據庫中做出相應選擇。這些設計對象通過軟件中對象管理模塊進行管理，其結構如圖2所示。

圖2 面向對象的數據結構

該軟件建立的虛擬室內環境中，可實現用戶交互式漫游，包含以下內容。

第一，用戶接口模塊接受用戶請求，根據實際需求展示室內設計三維空間[10]。

第二，場景管理模塊創建管理三維空間。

第三，對象管理模塊接收用戶請求信息，接收或返回重建信息。

第四，通過網絡結構實現室外通信。

3.3 室內設計云軟件登錄界面優化

在上述功能設計基礎上，需要對室內設計云軟件的登錄界面進行優化設計。登錄界面的設計不僅僅是進行藝術設計，還需要根據軟件的功能進行設計與優化。對登錄界面的色彩進行選擇，搭配合理顏色。設計的軟件登錄界面顏色是使用者對軟件的第一視覺感知，設計的登錄界面以白色和藍色為主色調。根據軟件功能，設計個性化登錄界面中所需的功能按鈕。本文將此登錄界面設計為簡單的云平臺界面，讓使用者一目了然，方便快捷實現登錄。軟件登錄界面設計如圖3所示。

圖3 VR/AR技術室內設計云軟件登錄界面

軟件的菜單以及功能設計如表1所示。

表1 軟件菜單以及功能簡介

3.4 室內云軟件功能實現

結合VR技術與AR技術，將這兩種技術作為室內云軟件中數據的管理平臺，并通過虛擬現實與室內景觀信息之間的交流，分析設計室內景觀，將需要設計的景觀位置反映到VR技術與AR技術中，結合過程如圖4所示。

圖4 VR技術與AR技術結合圖

在室內云軟件中場景搭建中，首先導入待設計資源，對室內景觀全景圖進行重建[11-12]，以人眼觀測的有效視角進行全角度拍攝。在建筑信息數字化生成過程中，通過空間坐標將室內區域劃分，采用固定矩陣中的行列號表示室內各景觀的地理空間位置。

在室內場景圖重建過程中，地形模型和重建全景圖中存在兩個變量，此時，

H(t,s)=A[a0+a1+a2+a3+…+an]

(1)

式中，a0、a1、…an分別代表重建參數，H(t,s)代表重建全景圖坐標。

在此基礎上，建立室內設計模型，對地形進行編輯，將室內云軟件中的三維表面的參數表達為：

(2)

式中，i、j分別代表參數變量，x、y、z代表室內云軟件中建筑坐標位置。

采用數字高程模型表述三維向量的有限序列，表達式為：

M=(Xu,Yu,Zu),u=1,2,…,n

(3)

式中，Xu、Yu、Zu代表三維平面坐標，M代表模型的高程值參數。

基于上述分析，完成室內云軟件的設計，軟件總體流程如5圖所示。

《孫子·謀攻篇》中說：“知己知彼，百戰不殆。”何謂“知己”？對自身條件的嚴格審查和分析，才能知道自己的優勢何在，以此進行謀略和戰術安排。何謂“知彼”？知彼即對對方的力量進行深入的了解，以做到避強擊弱，采取不同的應戰方案。這是兵法中最光輝的軍事思想，提倡的謀略是建立在了解雙方力量的基礎上的。這樣的智慧，同樣適用于語文高考備考。此處之“己”我理解為學生，“彼”為高考大綱、高考真題等。

圖5 室內云軟件總體流程圖

使用該軟件構建室內場景的渲染速度、比例、質量等較好，在對所有場景渲染完成后，即可生成全景漫游。利用本文設計的云軟件，用戶可根據自身需要從數據庫中選擇貼圖，可以隨意調動場景中的物品位置，以完成室內設計。

4 實驗分析

為保證設計的基于VR/AR技術的室內云軟件的實際應用效果，進行仿真實驗分析，并將此次設計的軟件與傳統軟件對比。

4.1 實驗環境

以某居民居住建筑作為實驗對象，對屋中冰箱、床、洗衣機、電視機與熱水器五種設備進行室內設計。實驗環境如圖6所示。

圖6 實驗環境圖

4.2 實驗參數

實驗參數如表2和表3所示。

表2 實驗參數

表3 實驗物品位置參數

表中，X、Y、Z分別代表室內景觀位置指數分量。在實驗前，詢問用戶在屋中放置家具的實際位置，將想要放置的位置通過軟件進行設計，對比三種軟件家具位置擺放誤差。

4.3 實驗結果分析

將本文設計軟件、建筑室內色彩環境的設計方法以及結合虛擬現實技術的室內裝修技術進行室內設計的誤差對比。實驗結果如圖7所示。

圖7 不同軟件室內設計誤差對比

分析圖7可知，傳統室內設計方法在室內設計中，室內家具實際擺放位置相差較大，說明傳統室內云軟件在室內設計效果差，不能滿足設計需求。而本文設計的基于VR/AR室內云軟件在進行室內設計時，將室內家具擺放在適合的位置，擺放誤差較小，能夠滿足用戶需求，驗證了此次設計的室內云軟件比傳統軟件擺放誤差小，設計結果能夠滿足室內云軟件的設計需求。

為了進一步驗證所設計的軟件能夠有效實現室內設計，實驗對比了三種方法進行室內模擬的耗時，實驗結果如表4所示。

表4 不同方法室內設計模擬耗時對比(min)

分析表4中數據可以看出，在進行室內環境模擬時，三種方法進行模擬的耗時存在一定差距。其中，所設計方法耗時均在2.5min以下，而傳統方法遠高于設計的方法，驗證了所設計的軟件可以有效實現室內環境設計。

結語

此次設計的基于VR/AR室內云軟件，在制作過程中對用戶是透明的，操作簡易，用戶上手簡單，并且渲染速度快，能夠滿足互聯網視野下室內云軟件的設計需求。但此次設計的軟件存在一個缺點，對于網絡環境依賴性較大，因此，在后續的研究中，將把研究重點放到這一部分。希望此次設計的基于VR/AR室內云軟件能夠在建筑設計領域提供一定的幫助，推動建筑行業的發展以及提高用戶的滿意度。