基于VR 技術的室內物體可視化建模設計

張 帥，王玉亮

（滁州學院a.美術與設計學院，安徽 滁州 239000；b.計算機與信息工程學院，安徽 滁州 239000）

物體三維重建技術［1］在計算機視覺、圖像處理等領域飛速發展后，相關研究成為很多領域關注的熱點［2］。為了滿足數字城市建設要求，需要對可視化建模技術進一步研究，如文獻［3］運用計算機斷層掃描技術制作目標物體的收回建模圖，并結合數學建模和仿真模擬算法，完成三維建模及可視化處理。但是，該建模方法計算復雜度較高。文獻［4］基于三維激光點云數據進行可視化建模，通過坐標計算方法，明確點云數據與影像坐標之間的匹配關系，通過噪聲濾除和邊界線提取，得到目標物體的輪廓線，最終在計算機屏幕內呈現出可視化建模結果。但是，該方法建模耗時較長。文獻［5］基于目標物體的三維形態特征分析結果，結合數學知識建立基礎模型，應用B 樣條曲線插值算法，建立三角網格化模型，再經過紋理粘貼得到可視化模型。但是，該方法應用拓展性較差。

為了得到更好的可視化建模效果，將虛擬現實技術與可視化技術相結合，提出了一種基于虛擬現實技術的室內物體可視化建模方法。通過三維掃描儀和相機采集室內物體圖像，并利用虛擬現實（VR）技術建立可視化視覺通道，實現室內物體的交互式建模和對室內物體的智能調整和渲染處理，以達到提高建模效率和增強真實感的目的。

1 室內物體可視化VR 建模

1.1 室內物體圖像采集與邊界輪廓提取

室內物體可視化建模需要以物體圖像為基礎。為了得到更加全面的圖像數據，使用三維掃描儀［6］采集室內物體的幾何信息，再設置不同光源條件，用相機拍攝物體圖像。針對兩種方式采集的三維幾何信息進行變換和配準處理，得到物體可視化建模所需的完整幾何信息。對于某些特定數據來說，為了保證采樣數據的準確性，需要對整個室內物體圖像采集設備進行標定處理，具體的標定過程如圖1 所示。

圖1 圖像采集設備標定過程

按照圖1 所示的標定過程，完成相機標定、光源標定和三維掃描儀標定。利用標定后的設備完成室內物體圖像采集，應用基于閾值的二值化處理方法，提取室內物體的輪廓邊緣點。二值化處理模式［7］指的是判斷輸入圖像的像素灰度值，當像素灰度值低于閾值，輸出為白色，反之輸出圖像像素為黑色。二值化處理的表達式為

式中，(i,j)表示圖像內某像素點坐標，a表示處理前灰度值，b表示處理后灰度值，γ表示閾值。輸出結果為1，表明該像素為白色；輸出結果為0，表明該像素為黑色。

采用中值濾波方法，剔除采集的室內物體圖像中包含的噪聲信息，再按照上述二值化模式處理過程，將圖像中目標物體所在區域標注為黑色，其他區域標注為白色，基于此完成物體邊界輪廓的提取。

1.2 建立物體模型可視化視覺通道

為了保證室內物體模型的可視化，根據人們對身邊環境的感知原理，建立物體模型可視化視覺通道。通常情況下，人眼在觀看事物時，雙眼的視覺范圍存在一定的重疊區域，如圖2 所示。

圖2 雙目重疊示意圖

在可視化建模過程中，需要先針對圖2 所示的側視網膜圖像差進行分析，建立物品模型可視化視覺通道。倘若人眼前方有兩個物體，并且這兩個物體之間存在一定距離，則視物間距和側視網膜圖像差之間的關系可以描述為

依托于公式（3）的人眼感知原理，文中通過虛擬現實平臺設計可視化視覺通道，運行以加強真實感為核心的可視化策略，確保后續建立的室內物體模型以沉浸可視化形式呈現出來。

1.3 設計基于VR 技術的交互建模方法

依托于虛擬現實技術，搭建三維虛擬場景，在該場景中實現室內物體的幾何交互建模。考慮到室內物體可能會存在復雜的表面，因此，在建模過程中應用多邊形逼近方法快速繪制多個任意復雜形狀物體。具體的室內物體幾何模型構建層次結構如圖3 所示。

圖3 室內物體幾何模型構建層次結構圖

通過上述多邊形逼近方法，實時構建室內場景內物體的每個組成部分。為了避免多邊形數量過多造成模型繪制的速度較慢，保證虛擬現實環境下室內物體可視化建模的實時性，結合VR 技術［8-9］與多層次細節模型，實現室內物體幾何模型的交互構建。在虛擬交互建模過程中，運用邊緣像素分解策略，對室內目標物體圖像進行特征分組，明確物體拓撲結構信息，并基于此得出物體3D 幾何建模的尺度信息參量，即

式中，l表示褶皺信息，L表示物品邊緣輪廓總長度，?表示平滑算子，N表示物品建模的尺度信息參量。

確定物品建模的尺度信息后，在三維虛擬場景中計算最大像素點，實現圖像像素強度的紋理分割，并以最大像素點為原點搭建三維場景坐標系。由于計算機屏幕坐標屬于二維坐標，在屏幕坐標系下，視點前后兩個與其共線的點，存在相同的投影點。因此，在VR 交互建模時，需要設置代表模型深度信息的孔分量。再根據遠近平面映射后的透視變換關系，計算目標點在坐標系內的具體坐標。基于VR 技術的交互建模過程中，想實現VR 交互操作，需要針對預先搭建好的物體三維模型進行坐標系變換，使得三維模型出現在二維視平面內，在該虛擬坐標系［10］內通過平移、旋轉、縮放等交互操作，改變物體形狀、角度，觀察物體虛擬模型的合理性，從而合理調整物體建模參數，使得建模結果與顯示物體相符。在建模參數修正結束后，再將其映射至計算機屏幕上，將室內物體建模結果可視化呈現出來。

以物體模型上某一目標點為例，當其按照平移距離要求進行移動時，三維點坐標變換矩陣為

式中，(x,y,z)表示三維點坐標，表示變換后的三維點坐標，τ表示平移距離。

與平移交互操作不同，三維旋轉變換指的是目標點圍繞坐標軸旋轉一定角度，則旋轉變換矩陣為

式中，δ表示旋轉角度。

最后，在確定不同坐標軸的縮放尺寸后，可以將三維縮放變換矩陣表示為

式中，k表示縮放尺寸。

通過平移、旋轉、縮放等操作，在虛擬空間內實現室內物體3D 模型的交互開發，智能調整物體模型的建模參數，得到與實物相符的可視化模型。

1.4 實現室內物體可視化模型渲染

在室內物體3D 模型構建完成后，為了加強可視化模型的真實感，需要從原始圖像中提取細節紋理信息，運用體繪制方法對模型進行紋理渲染。首先，針對觀測體模型，搭建包含各種紋理數據信息的虛擬場景數據庫，根據人工下達的控制指令執行對應的模型渲染操作。

考慮到在一些情況下，虛擬場景中的室內物體模型可能會被其他非目標物體遮擋，為了避免渲染結果受到遮擋影響，文中運用剔除算法刪除虛擬場景內遮擋物。文中采用緩慢剔除算法轉換可視化模型的三維向量，分別計算渲染開始與渲染結束時的剔除距離，優化物體可視化模型的渲染結果。在實際操作過程中，依托于投影轉換原理，對視野向量坐標進行歸一化處理。對于一個三角面片來說，其法向量可以表示為

式中，r表示法向量，(c1,d1,e1)表示點C的坐標，(c2,d2,e2)表示點D的坐標，(c3,d3,e3)表示E點 的坐標。

結合歸一化后的視野向量與三角面片法向量，可得出

式中，ι表示視野向量。公式（11）計算結果顯示在二維坐標系內，表明三維坐標成功轉換為二維坐標，基于此可以確定可視化模型渲染過程中，需要剔除三維三角面角度，則

式中，ε表示角度。

通過上述計算，確定需要剔除的三角面，去除該三角面即表明去除了遮擋物體，在完成這一操作步驟后，再次進行渲染處理，完成室內物體可視化建模。

2 實驗與結果分析

針對室內物體可視化建模問題進行研究，為了提升建模速度，設計一種基于VR 技術的建模方法。為了驗證提出的建模方法是合理、可行的，設計實驗測試。

2.1 實驗準備

實驗以室內收納架上擺放的籃球為對象，進行物體可視化建模設計。在實驗準備階段，應用三維激光掃描設備和相機，采集不同光源條件下的籃球圖像，最終得到分辨率為102 4×657 的實驗圖像。再通過標定分析，對實驗圖像進行擬合分析，獲取可用于后續可視化建模的物體參數。這一過程中，三維激光掃描設備的主要參數信息如表1 所示。

表1 三維激光掃描設備參數統計表

依托于上述實驗設備完成室內物品圖像采集后，進行二值化處理，得到室內物體邊界輪廓。二值化處理過程如圖4 所示。

圖4 二值化處理過程

2.2 可視化建模結果

由于提出的可視化建模方法是以VR 技術為核心的，為了更好地實施虛擬現實技術，應用Unity 3D 平臺搭建可視化建模實驗環境。該平臺可以支持圖形化開發環境、三維視景交互引擎、OpenGL 圖形引擎等多種引擎工具的使用。除此之外，Unity 3D 平臺具有較強的跨平臺性能，其開發的程序支持Windows、Linux 等多平臺的運行，基于此可以更好地利用虛擬現實技術對室內目標物體進行可視化建模。

按照研究內容，確定可視化視覺通道，通過交互建模方式形成圖5（b）所示的網格圖和圖5（c）所示的白模效果圖。

圖5 可視化建模示意圖

提取室內物體原圖中的紋理特征，結合體繪制方法和緩慢剔除算法，將紋理信息粘貼至處于白模效果的籃球三維模型中。考慮到籃球自身存在一定的彎曲弧度，當紋理信息映射至室內物體模型表面時，投影可能會出現一定程度的坐標偏差。實際操作過程中，通過圖像處理軟件，可以對紋理圖像內的自由節點進行標注和調整，確保紋理圖像精準覆蓋在籃球模型表面，最終得到圖5（d）所示的可視化建模結果。

2.3 建模時效性分析

隨著可視化建模方法應用范圍越來越廣，人們對建模時效性要求越來越高。因此，以建模時間為衡量指標，驗證文中設計建模方法的有效性。同時，為了提升實驗結果的說服力，在建模時效性分析階段選文獻［4］基于點云數據的建模方法、文獻［5］基于B 樣條曲線的建模方法作為對照組。其中，基于點云數據的建模方法的實現，需要通過3D 掃描器采集室內物體影像包含的點云數據，剔除不屬于目標點的數據后，執行統一的3D 建模處理步驟，得到可視化建模結果。而基于B 樣條曲線的建模方法提出；先應用數字圖像處理技術，獲取物體邊緣坐標點和中心點；再從中心點入手，通過B樣條曲線插值算法重建物體邊緣框架；最后進行紋理貼圖，實現可視化建模。

室內物體可視化建模，主要包括數據采集、數據處理、模型建立、參數調整、紋理渲染、可視化呈現6 個環節，分別記錄不同方法在每個可視化建模階段所用時長，得到圖6 所示的建模時間對比結果。

圖6 不同方法的可視化建模時間對比

根據圖6 可知，以VR 技術為核心的可視化建模方法，在各個建模階段所用的時間都低于其他兩種方法。整體來看，所提方法的階段建模平均耗時約為3 s，可視化建模總時間為18 s；應用基于點云數據的方法對室內擺放的籃球進行可視化建模，總建模時間為76 s；基于B 樣條曲線的建模方法總建模時間為85 s。3 種建模方法對比可知，運用VR 技術后，室內物體可視化建模時間大幅縮減，時效性更高。

2.4 建模效果對比

為了驗證本文所提方法在提高建模時效性的同時，也可以提高建模效果，分別利用本文設計方法、文獻［4］基于點云數據的建模方法、文獻［5］基于B樣條曲線的建模方法對圖5 中的原始圖像進行建模，并與圖5（d）的預期可視化建模效果進行對比。結果如圖7 所示。

圖7 可視化建模效果對比圖

分析圖7 可知，以VR 技術為核心的可視化建模方法的可視化建模效果與可視化建模預期效果接近度更高，文獻［4］方法的可視化建模效果亮度過高，文獻［5］方法的可視化建模效果亮度過暗。綜上可知，本文方法在提高可視化建模時效性的同時，提高了建模效果。

3 結束語

可視化建模技術作為一項新興技術，其發展受到很多研究人員的關注。本文提出將VR 技術融合到可視化建模過程中，設計了一種新型室內物體可視化建模技術。根據實驗驗證結果可知，所提方法的建模時間大幅降低，滿足了人們越來越高的建模時效性要求。