基于VRML的虛擬三維室內設計方法

謝海琴

(蘇州工業園區職業技術學院，江蘇 蘇州 215125)

0 引 言

虛擬三維室內設計是近年來虛擬現實技術的主要研究方向之一，其主要功能在于借助虛擬現實手段完成室內景觀的布置與擺放，從而使人們獲得一種身臨其境的真實體驗感[1]。然而現有設計方法在人機交互響應方面所需的等待時間過長，易導致用戶體驗感的持續下降，為解決此問題，提出一種基于VRML技術的虛擬三維室內設計方法。

1 虛擬三維室內設計方法

1.1 基于VRML的三維場景模型構建

三維室內設計需要利用VRML三維場景建模技術在計算機環境下營造一個相對逼真的虛擬世界，因此需要對場景模型中各個節點所在位置進行精準規劃。一般情況下，虛擬三維室內場景的構造，需要在色彩、質感、光照、形態等多個方面都保持絕對逼真性，且一個完整的構造模型應該由行為建模條件、幾何建模條件兩部分共同組成。VRML三維場景模型層次結構圖如圖1所示。

圖1 VRML三維場景模型的層次結構圖

行為建模可利用現有的三維虛擬造型軟件，通過人工處理的方式，對室內實體景觀進行建模處理，一般情況下，其所呈現的用戶界面更偏向于圖形化，能夠較好隱藏景觀對象的表現信息。幾何建模除需要掌握室內景觀對象的物理特性外，還需要對實體景觀所處的空間環境進行考察，其所呈現的用戶界面更偏向于立體化，但基本不能與用戶對象進行三維式交互。上述兩種建模方法在應用時各有優缺點，見表1。

表1 VRML三維場景建模方法優缺點對比

針對較為復雜的虛擬三維室內設計環境來說，不能單純采用行為建模、幾何建模中的某一種方式，而是需要將二者結合，在不違背VRML技術作用條件的情況下，盡可能真實地復原室內空間的原有設計環境。由于行為建模的交互能力較強，在建立設計主機與體驗對象之間交流關系時，應以該項應用原則作為主要參考條件。而對于立體化程度相對較高的室內三維空間設計環境來說，則應主要參考集合建模原理，并適當借助行為建模條件，對個別平面化景觀進行模擬與復原。

1.2 室內場景復雜度消減

在進行基于VRML的虛擬三維室內場景設計時，單純使用虛擬現實技術來描述景觀所處的空間位置，易造成室內場景復雜度的不斷提升，從而使參與對象獲得相對較差的感官體驗。為避免上述情況的發生，應在現有景觀支持條件的作用下，充分模擬可能出現的交互情況，從中選取出現明顯卡頓或負荷量較大的情況，并對其進行剔除處理，一方面抑制室內場景復雜度的無辜攀升，另一方面使整個室內空間環境的交互性能水平得到大幅促進[2]。本次研究采用VRML三維場景模型控制室內環境的景觀復雜度，在處理過程中由于光照等外界自然條件的影響，場景紋理會出現較為明顯的改變，但此變化并不會影響最終的室內場景復雜度消減結果(室內場景紋理是指室內景觀物體的表面細節，包括顏色、花紋等多項幾何紋理條件)。

在消減室內場景復雜度時，紋理映射能夠直接改變室內環境中的光強分布情況。所謂紋理映射，是指將一個平面紋理圖像映射到空間實體景觀表面上的操作過程。例如室內地板模型可借助圖片或照片作為紋理映射的操作依據，既能有效減少木條紋的實際應用數量，也能使細節特征得到準確表達。由于紋理映射條件的存在，基于VRML的虛擬三維室內設計方法才能較好復原室內景觀的真實存在形態。

1.3 虛擬動態交互

實現虛擬三維室內設計的動態交互主要體現在：當用戶對象的景觀視點發生改變時，能夠較為快速且準確地表現出當前景觀視點范圍內的場景環境[3]。在上述過程中同時涉及虛擬動態交互的透視投影與平行投影，具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 虛擬動態交互原理示意圖

目標景觀所處位置始終保持不變。在透視投影原理的作用下，該景觀在最終的虛擬三維室內環境中以點狀場景的形式存在；而在平行投影原理的作用下，該景觀能夠始終保持原有的場景存在狀態。出于體驗真實性考慮，在進行虛擬三維室內景觀設計時，需要在VRML技術的支持下，參考透視投影與平行投影原理，一方面可使室內景觀在重建后始終位于其原始存在位置處，另一方面也可有效確保景觀的空間立體化表現效果。

隨著 VRML技術作用時間的延長，虛擬三維室內場景中景觀節點所處的位置也會逐漸發生改變。因此，為獲得真實的場景構建結果，應不斷獲取當前時間節點處，景觀節點的空間與平面位置信息，并聯合虛擬對象的時空參數結果，尋找全景圖像的最優數值結果，也就是室內全景圖的最優定位算法，實現對基于VRML虛擬三維室內設計方法的順利應用。

2 實驗設計

2.1 實驗準備

為驗證基于VRML虛擬三維室內設計方法的有效性，設計如下對比實驗。將搭載本文所述方法的計算機作為實驗設計主機，將搭載傳統方法的計算機作為對照組設計主機，閉合實驗組、對照組電源控制開關，記錄兩組人機交互響應時間的具體變化情況。詳細的實驗環境參數配置結果見表2。

表2 實驗環境參數配置

在上述物理實驗環境下，對實驗組、對照組設計方法進行實驗，并統計人機交互響應時間的具體數值變化情況。

2.2 數值分析

本次實驗共分為10組，其中前5組檢測在體驗者進行視角變換時設計主機的響應時長，后5組檢測體驗者點擊鼠標后設計主機的響應時長，具體實驗結果見表3。

表3 實驗數值對比表

分析表3可知，在體驗者進行視角變換時，實驗組響應時間最大值為0.6 s、最小值為0.2 s，二者間差值為0.4 s；對照組響應時間最大值為1.2 s、最小值為0.7 s，二者間差值為0.5 s。在體驗者點擊鼠標時，實驗組響應時間最大值為0.6 s、最小值為0.3 s，二者間差值為0.3 s；對照組響應時間最大值為1.2 s、最小值為0.8 s，二者間差值為0.4 s。

綜上可知，從極大值角度來看，在體驗者進行視角變換時，實驗組數值0.6 s與對照組數值1.2 s相比，下降了0.6 s；在體驗者點擊鼠標時，實驗組數值0.6 s與對照組數值1.2 s相比，也下降了0.6 s。從極小值角度來看，在體驗者進行視角變換時，實驗組數值0.2 s與對照組數值0.7 s相比，下降了0.5 s；在體驗者點擊鼠標時，實驗組數值0.3 s與對照組數值1.2 s相比，下降了0.9 s。

3 結束語

在VRML技術的作用下，新型虛擬三維室內設計方法從場景模型入手，不僅實現了對室內場景復雜度的消減，也可較好維護景觀的虛擬動態交互能力。從實用性角度來看，應用基于VRML虛擬三維室內設計方法后，人機交互響應時長數值得到了有效控制，滿足提升室內景觀交互響應效率的實際應用需求。