基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維住宅景觀交互式設計

張 藝

(黃淮學院建筑與工程學院, 河南駐馬店 463000)

近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸進入了人們的生活之中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種基于視覺技術(shù)、三維動畫制作技術(shù)以及計算機圖像技術(shù)的綜合技術(shù)。利用計算機圖像建模和處理的方式可以在計算機屏幕上制作一個虛擬空間。使用者可以自由地在這個虛擬空間內(nèi)進行移動并在虛擬場景內(nèi)與虛擬模型進行實時交互。目前，虛擬空間的漫游式應用一直都是虛擬技術(shù)在各種不同類型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)領域的熱門方向。漫游式系統(tǒng)技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的多功能情境與環(huán)境模擬。它使使用者能夠在虛擬空間中以最大的真實度和最豐富的體驗對虛擬空間中的不同場景進行感受，并能夠體驗各種不同的功能。

與傳統(tǒng)的二維顯示方法相比，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的漫游式系統(tǒng)擁有著明顯的優(yōu)勢。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的漫游式系統(tǒng)下，使用者能夠在虛擬場景中自由移動，并選擇最喜歡的角度觀察虛擬場景的模擬景觀，從而在最大程度上滿足使用者的個性化需求。使用者能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行預覽，從而對產(chǎn)品宣傳和快速推廣。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的三維住宅景觀漫游系統(tǒng)的設計具有著極高的實用價值。

1 虛擬現(xiàn)實漫游式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

虛擬漫游式技術(shù)起源于20世紀40年代，主要由軍方用于對飛行員的飛行軌跡進行模擬，后來逐漸進入民用領域。美國處于這一領域的研究前沿，代表了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最高水平。在歐洲和日本，所有國家都對這一新興技術(shù)給予了高度重視，并積極進行著虛擬現(xiàn)實應用系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用。2012年，日本東京的秋葉原在亞洲CG節(jié)上展示了可觸摸的虛擬現(xiàn)實漫游式系統(tǒng)。中國對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究起步較晚。但在國家政策和政府機構(gòu)的強大支撐下，中國也開始對此技術(shù)進行了研究與探索并實現(xiàn)了快速發(fā)展。

2 三維虛擬場景模型的設計方法

3D MAX有著強大的建模和動畫模擬能力。與平面圖像相比，在使用3D MAX進行分析時，我們能夠得到更加具體的、生動的和更加便于理解的結(jié)果。與此同時，3D MAX能夠準確地展示模擬場景中虛擬人物的移動、人物的互動過程以及景觀的不同角度。通過這一系統(tǒng)，使用者可以以極高的自由度對景觀進行探索，并獲得虛擬現(xiàn)實的體驗。它突破了傳統(tǒng)的書面和實地的展示方式，提供最真實和有效的虛擬住宅景觀游覽體驗。在3D MAX制作的三維空間中，住宅區(qū)的景觀細節(jié)和景觀的不同角度都可以以更加生動的方式進行展示。而與此同時，趣味性的三維圖片還能夠極大地吸引使用者的興趣。另外，使用者可以選擇慢放模式從而幫助使用者在運動視角下對真實視角進行觀察。

在傳統(tǒng)住宅景觀展示過程中，向客戶進行的景觀展示經(jīng)常僅限于口頭表達和人眼的生動觀察。而當園區(qū)尚未建立時，由于受到多種限制，這種方式無法將住宅建筑景觀的設計模型直接呈現(xiàn)給客戶。而使用這一系統(tǒng)，實際住宅環(huán)境景觀被輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動進行信息模擬。然后根據(jù)輸入的景觀信息，系統(tǒng)會自動繪制并構(gòu)建一個三維虛擬模型。在三維虛擬現(xiàn)實模型構(gòu)建完成后，使用者就可以使客戶端在虛擬場景中進行漫游并能夠在不同的位置和不同的角度對模擬場景內(nèi)的住宅景觀進一步的觀察。虛擬現(xiàn)實模型和原始的紙上單元型景觀展示相比在交互模式上存在著本質(zhì)的差異。

3 自然環(huán)境和人物模型的創(chuàng)建

使用3D MAX制作住宅景觀模型可以分為場景模型制作、材料場景數(shù)字化處理、自然景觀處理、交互引擎與虛擬人物模型等。系統(tǒng)使用相對簡單的“鑰匙盒”建模方法。6張圖片分別根據(jù)展示需要放置到一個立方體的6個表面上，然后通過編隊效應實現(xiàn)場景建模。為使虛擬場景更加自然和美觀，同時產(chǎn)生更高的真實度，還需要在對場景建筑和背景景觀建模之后進行進一步的自然景觀渲染。在三維住宅景觀的交互式漫游系統(tǒng)下，自然景觀的構(gòu)建和渲染占據(jù)著重要的地位。自然景觀的設計并不起始于理論。自然景觀與照明效果的渲染是隨著虛擬人物的移動而即時進行的。在人物進行移動時，渲染即時開始，即時完成。隨著人物的移動和視角變換的渲染，最終實現(xiàn)大范圍的自然景觀渲染。

構(gòu)建一個建筑物、人物模型和自然景觀模型是構(gòu)建三維住宅景觀交互系統(tǒng)的第一步。真實的住宅建筑和景觀數(shù)據(jù)輸入?yún)f(xié)調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)將建立一個三維現(xiàn)場模型。然后將模型人物的物理參數(shù)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中。系統(tǒng)將以相同的單位比例構(gòu)建三維住宅景觀模型和基本人物模型。在完成基本住宅景觀模型和基本人物骨骼之后，進入第二個部分。第二個部分是加入完整的人物動作骨骼動畫。人物模型骨骼動畫的運動是虛擬現(xiàn)實景觀瀏覽的核心部分。在加入骨骼運動的全部動作之后，人類骨架模型就可以進行移動。骨架系統(tǒng)的完整身體模型構(gòu)建完成后，將重心設置在人物站姿的雙腿中間位置。在輸入的骨骼動作數(shù)據(jù)中，需要注意四肢和軀干部分的三維人體骨骼模型并使用不同的運動學計算方法。人物模型的腿部和足部必須使用逆運動學方程進行重新計算，從而實現(xiàn)三維人物模型的移動和技術(shù)性動作等。

4 運動目標追蹤的相關性計算方法

在虛擬現(xiàn)實單元的漫游場景內(nèi)，對人物軌跡進行追蹤即是對運動物體相對于靜態(tài)背景進行追蹤。在原始區(qū)域跟蹤的基礎上，特征追蹤與模型追蹤等相關的最終方法都可以進行改善。具體的追蹤算法的作用在于在序列圖像中對移動目標的追蹤進行區(qū)分，并對移動追蹤目標(視角移動)的灰色質(zhì)心坐標進行計算。然后對目標的最小外接矩形進行計算。在這個矩形中，可以找到兩次診斷的中央焦點，從而確定追蹤點。

與傳統(tǒng)的移動目標追蹤方法相比，本文所提出的改善后的移動目標檢測方法在進一步特征點的進一步提取方面存在一定的困難。但該算法所體現(xiàn)的移動目標的形狀、定義與對比等都比相關背景高。此外，這種算法還能夠更好地改善使用者的體驗，并能夠重建虛擬現(xiàn)實住宅景觀游覽過程中視角移動的真實軌跡。移動中的人物模型和視角中心的特征點的提取都非常清晰。該系統(tǒng)還能夠進行自動計算和三維模型簡化，即便建筑模型或景觀模型在視角移動過程中被遮蔽。

5 結(jié)果分析與討論

5.1 關鍵功能測試

測試需要建立在以下原則的基礎上。第一，測試的功能與內(nèi)容應當涵蓋使用者的一切操作與動作。具體的測試包括模型功能測試、使用者權(quán)限測試、數(shù)據(jù)庫故障耐受性測試和模型碰撞測試等。第二，在測試過程中，測試人員不允許通過主觀判斷對軟件模型的功能進行判斷。第三，軟件測試是軟件開發(fā)過程的重要組成部分。在模型編碼階段，開發(fā)者可以進行獨立的模塊功能案例測試。通過這種方法，開發(fā)過程中的測試問題能夠很快地進行定位和解決，而在測試過程中出現(xiàn)的問題則相對較難解決，例如，如何在網(wǎng)絡監(jiān)控點部署發(fā)生沖突的情況下進行日志數(shù)據(jù)的采集等。

模型的測試程序與硬件測試程序的不同的。模型測試是功能性測試，也就是觀察網(wǎng)絡是否已建立、網(wǎng)絡保持與數(shù)據(jù)傳輸是否運作良好，并觀察三維住宅景觀漫游系統(tǒng)的交互設計是否達到了預期的測試結(jié)果。無論能否對觀察者的觀景軌跡進行正確的計算，所呈現(xiàn)的都是人物模型移動過程中最為重要的指標。在本文中，虛擬現(xiàn)實住宅景觀交互漫游系統(tǒng)是在Windows系統(tǒng)下運行的。人物與景觀瀏覽的圖像處理是通過V++6.0 Vega軟件對漫游和瀏覽過程中人物和視角的移動軌跡進行模擬的。

本文所設計的系統(tǒng)的核心功能是對系統(tǒng)所構(gòu)建的住宅景觀虛擬場景中的虛擬人物進行操作從而進行景觀觀察和交互式操作的功能。使用者可以使用該系統(tǒng)以自由視角對住宅場景進行觀察并進行交互。使用者可以操作人物進入住宅建筑，從建筑內(nèi)部對住宅景觀進行觀察。在功能測試過程中，使用者進入操作界面并根據(jù)系統(tǒng)默認設置位于住宅場景入口處。操作者在虛擬社區(qū)中移動，隨機進入景觀建筑并觀察系統(tǒng)中的各種景觀的顯示是否正常。在移動的過程中，使用者持續(xù)移動視角觀察系統(tǒng)的各核心功能是否運作正常。

5.2 系統(tǒng)效能的分析與測試

為對虛擬顯示三維住宅景觀交互式漫游系統(tǒng)的功能效能與功能進行體現(xiàn)，筆者采用兩種不同的主機配置在效能測試中進行隨機效能測試。具體的設置內(nèi)容主要包括觀察系統(tǒng)的功能性模組是否運作正常、不同分辨率下是系統(tǒng)效能是否會發(fā)生降級以及系統(tǒng)的兼容性是否符合要求等。

測試1：系統(tǒng)正常運行以觀察系統(tǒng)的基本功能，如系統(tǒng)的響應速度以及系統(tǒng)顯示的流暢性等。測試結(jié)果：系統(tǒng)在兩個主機上均流暢運行。圖像展示流暢，無卡頓現(xiàn)象。系統(tǒng)所有功能均運行正常。

測試2是對漫游人物的詳細測試。人物在兩個主機上進行隨機移動。在觀察角度移動的過程中，測試建筑物模型的虛擬場景和自然景觀模型是否顯示正常。在對分辨率進行更改的過程中，記錄每5 s的圖片幀數(shù)。測試結(jié)果：系統(tǒng)能夠提供正常的人物漫游功能，并且場景中的所有場景模型都可以正常加載。

通過以上測試結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實單元模型在不同配置水平的測試主機上運行時能夠正常加載。受主機配置水平的影響，在低分辨率條件下，圖像幀數(shù)(FPS)較高。隨著分辨率的提高，虛擬現(xiàn)實圖像出現(xiàn)輕微的卡頓現(xiàn)象。此外，圖像幀數(shù)顯著下降。

從界面測試到功能性測試的一系列系統(tǒng)測試中，無不可接受的軟件缺陷。當系統(tǒng)運行以及關閉活動時，保存記錄的功能已經(jīng)生效完成。在系統(tǒng)啟動和關閉的過程中，無卡頓、崩潰、程序執(zhí)行速度(緩慢)以及其他未預期現(xiàn)象。軟件系統(tǒng)的優(yōu)化水平與功能的實現(xiàn)均處于良好水平。當一個賬戶在兩個應用客戶端上登錄時，系統(tǒng)將強制用戶登錄第一個客戶端并在屏幕中央顯示用戶的賬戶已在其他客戶端上被登陸。

對系統(tǒng)的效能進行了測試。通過初步的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的高峰期在每天的8～17點之間，并且在線人數(shù)峰值為500人。系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問量在1萬次左右。

6 結(jié)論

在本文中，本人設計了基于三維虛擬現(xiàn)實的三維場景交 互式漫游系統(tǒng)?，F(xiàn)場建筑模型、人類移動模型和自然景觀渲染模型均使用3DMAX動畫軟件進行構(gòu)建。通過約束條件與腳本，我們將相關數(shù)據(jù)輸入以完成模型展示不同部分的整合。測試后，系統(tǒng)能夠準確地隨著操作者的移動對住宅景觀與自然景觀進行渲染模擬。三維漫游功能也運行正常。該模型突破了對園區(qū)中的景觀環(huán)境進行展示的傳統(tǒng)方法以及傳統(tǒng)的紙上景觀地圖與景觀瀏覽現(xiàn)場展示模式等，能夠提供更多的景觀資源和瀏覽平臺供使用者對景觀區(qū)進行瀏覽。測試后，系統(tǒng)核心功能均運行正常。系統(tǒng)響應較快，各種模型的加載均正常。但在高分辨率條件下，對三維景觀進行系統(tǒng)瀏覽時會出現(xiàn)一定程度的卡頓并且圖片幀數(shù)會發(fā)生下降。后續(xù)還需要進一步對場景模型進行優(yōu)化以加速高分辨率下自然景觀模型的加載和渲染速度并提高使用者體驗。