基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實技術的室內設計系統(tǒng)研究

王波 李憲鋒 張丹

摘? 要： 傳統(tǒng)室內設計由于軟件技術的局限性，無法完全實現(xiàn)復雜真實場景的三維圖形重建，不能滿足用戶的視覺真實感體驗需求。為了進一步提高設計效率，呈現(xiàn)真實的室內空間設計，拉近設計與用戶之間的距離，提出基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實技術的室內設計系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術和VR-GIS理論相結合，繪制室內空間信息和圖形，生成室內空間重建全景圖，創(chuàng)建室內空間重建數(shù)字模型，達到真實呈現(xiàn)室內空間場景的目的。最后，利用位置對比得到室內空間重建的數(shù)字模型，并以此模型為基礎創(chuàng)建動態(tài)虛擬場景，進而實現(xiàn)室內復雜場景三維圖形的重建，并且通過轉換虛擬室內空間點錨點，滿足用戶在使用過程中的真實體驗需求。

關鍵詞： 室內設計系統(tǒng); 虛擬現(xiàn)實技術; 圖像處理; VR?GIS繪制; 室內景觀重建; 人性化設計

中圖分類號： TN911.73?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0068?04

Research on interior design system with virtual reality technology

based on image processing

WANG Bo1， LI Xianfeng2， ZHANG Dan1

（1. North China Institute of Science and Technology， Langfang 065201， China; 2. Academy of Art， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract： The traditional interior design technology fails to achieve 3D graphic reconstruction of complex real scenes， thus it can not effectively meet users′ sense of visual reality. Therefore， an interior design system with virtual reality technology based on image processing is proposed to improve the design efficiency and reconstruct the interior design. In combination with the virtual reality technology and VR?GIS （virtual reality geographic information system） theory， the indoor landscape information and image are drawn to generate the panorama and digital model of the indoor landscape reconstruction， and to reconstruct the indoor landscape. It is verified with comparison that the digital model of indoor landscape reconstruction can create dynamic virtual scenes， thus it can reconstruct the 3D graphics of complex scenes. In addition， the anchor point of virtual indoor scene can be converted to meet the needs of users′ reality sense during application.

Keywords： interior design system; virtual reality technology; image processing; VR?GIS rendering; indoor landscape reconstruction; humanized design

0? 引? 言

在計算機圖形處理能力與網(wǎng)絡技術不斷發(fā)展的過程中，圖形學與網(wǎng)絡技術逐漸結合，在此背景下產生了虛擬現(xiàn)實技術。在工程領域信息化中，虛擬現(xiàn)實技術對基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實技術的室內設計系統(tǒng)分析具有重要意義。現(xiàn)代社會人們對于居住環(huán)境的需求在不斷提高，這就對室內設計前期方案的用戶體驗提出了新的要求，即通過虛擬現(xiàn)實技術最大化呈現(xiàn)空間設計效果。優(yōu)秀的室內設計能夠提高建筑空間的質量，并且為人們留下美好的印象，充分發(fā)揮建筑的社會功能，展現(xiàn)科學技術成就。傳統(tǒng)設計過程是設計師圍繞用戶需求進行圖紙設計，利用設計圖紙的反復修改確定最終方案，這個過程中，由于非專業(yè)的用戶對于最終方案缺乏直觀的認知，所以最終的設計結果與用戶的需求可能會產生脫節(jié)。另外，傳統(tǒng)的設計過程具有周期長、成本高的特點，這也在無形中增加了設計師的工作量，導致設計師不能夠很好的把精力用在設計問題的解決上。本文利用圖像處理的虛擬現(xiàn)實技術進行室內設計的空間方案再現(xiàn)，能夠為設計人員提供一個基于虛擬三維環(huán)境的室內空間規(guī)劃和設計，并且還能夠通過動態(tài)與交互方式實現(xiàn)未來室內空間身臨其境的全面體驗與審視。對比傳統(tǒng)設計方法，基于圖像處理的虛擬現(xiàn)實技術進行室內設計花費的時間更少，節(jié)約的資金更多，同時還能夠滿足用戶進行空間切身體驗的消費需求[1]。

1? 系統(tǒng)需求和結構設計

虛擬室內設計系統(tǒng)的主要功能如下：

1） 可視化模擬真實的室內環(huán)境。在現(xiàn)實生活中的室內環(huán)境要求有鮮明色彩與燈光，通過色彩的冷暖和燈光的聚散創(chuàng)造氣氛。

2） 數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)主要包括運動物體模型、家具模型、房屋模型、裝飾模型。設計人員通過上述四種常見模型實現(xiàn)模型庫的創(chuàng)建，同時，能夠使模型調入到三維虛擬場景中進行反復的搭配與設計，直到實現(xiàn)理想的空間設計效果。

3） 交互性。在本文設計過程中，交互性需求包括：用戶能夠以設計的效果進行漫游，對方案進行確定;設計人員能夠通過用戶的需求對調入到三維虛擬場景的模型參數(shù)進行修改。以上的交互性都是通過Java和VRML通信機理實現(xiàn)的。Java對VRML場景控制過程中，通過附加封裝類EAI進行實現(xiàn)，Java通過此類能夠動態(tài)化地實時控制VRML場景。

根據(jù)VRML?Java虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建室內系統(tǒng)，主要目的就是輔助設計與空間效果漫游。輔助設計工作主要包括：通過首次分析用戶的需求，對調用模型庫的模型進行分析，生成初始場景和用戶的漫游結果;然后通過客戶的反饋信息進行修改，對最終的方案進行確定。為了將結果漫游展現(xiàn)出來，要利用窗口展現(xiàn)所生成的三維虛擬場景，并且以戶型結構設計漫游路徑，方便設計人員與用戶觀察設計結果。以功能進行劃分，系統(tǒng)包括漫游模塊與輔助設計模塊[2]，系統(tǒng)的層次結構如圖1所示。

2? 虛擬現(xiàn)實和VR?GIS繪制室內空間

為了提高虛擬現(xiàn)實環(huán)境的整體穩(wěn)定性，在設計過程中結合模型與圖像兩種方法。基于圖像方法利用全景圖對整體室內經緯空間和水平空間環(huán)繞瀏覽，之后通過無縫連接與紋理映射技術隨意地切換空間范圍中的視線，實現(xiàn)室內空間圖像的三維重建。基于模型方法主要是通過室內空間的實體位置創(chuàng)建虛擬環(huán)境，通過建模工具中的渲染功能與統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式，輸出空間重建圖。VR?GIS理論能夠將三維空間數(shù)據(jù)分析與可視化模擬能力進行重建，為了有效實現(xiàn)此理論，就要利用遙感重置得出室內空間的影像圖，之后利用GL圖形庫工具對圖像進行虛擬現(xiàn)實重建，最后利用相應的工具繪制室內空間的重建圖形[3]。

虛擬現(xiàn)實結合VR?GIS理論主要包括功能一體化、功能結合與數(shù)據(jù)結合。VR?GIS屬于后臺數(shù)據(jù)管理平臺，所以要求室內空間信息能夠實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的相互交流，利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互能力綜合分析室內景觀的分布，從而能夠在不同位置中都能夠利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行反應，對景觀重建圖像進行繪制，虛擬現(xiàn)實和VR?GIS的結構如圖2所示。

3? 網(wǎng)絡結構的使用

終端/主機結構通過一臺大型主機與多臺相互連接終端構成，大型主機為主要核心。在此結構中，通過主機實現(xiàn)計算機工作，終端只是輸入/輸出設備。此結構的優(yōu)勢為用戶能夠有效使用共享資源，但是因為主機包攬數(shù)據(jù)處理工作，因此要求其具備高性能。

為了彌補終端/主機的不足，基于傳統(tǒng)結構中間添加一層，使原本用戶機負責的功能在中間層實現(xiàn)，此中間層就是Web服務器層。因此，用戶端就不負責原本數(shù)據(jù)的存取，人們只需要將瀏覽器安裝在用戶端即可。之后，將原本服務器作為數(shù)據(jù)庫服務器，在數(shù)據(jù)庫服務器中實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安裝[4]。網(wǎng)絡結構如圖3所示。

4? 人性化設計

空內空間的布局尤為重要，其和用戶入住之后的便捷性、舒適性密切相關。如果布局不合理，會給用戶日后的生活工作帶來諸多的不便。設計人員在進入到服務器網(wǎng)頁之后，能夠選擇不同的家具模型，但是最合理、最科學的選擇也許并不是最可取的，這其中還要考慮每個用戶的個人喜好、情感投入、文化需求等因素，尊重用戶個人的風格喜好和情感需求也是本系統(tǒng)設計的一個目標。為實現(xiàn)上述需求，本文實現(xiàn)人性化模塊設計。用戶在進入到網(wǎng)頁后對此模塊進行選擇，根據(jù)提示內容實現(xiàn)相應數(shù)據(jù)的輸入，規(guī)劃理想戶型。在得出初步模型之后，用戶就能夠單獨設計每個房間，最后將此房間進行組合，從而使其成為滿足需求的戶型[5]。

5? 室內設計系統(tǒng)分析

5.1? 室內空間重建的全景圖

在室內空間全景圖重建過程中，利用人眼雙眼余光或者正常視角拍攝室內的空間。為了保證全景圖重建的真實性，通過圓柱面、球面、立方體等各種方式有效表達室內的空間，考慮本文中的數(shù)字模型，下述過程為室內空間通過圓柱全景圖的展現(xiàn)，本文利用造景師軟件實現(xiàn)重建全景圖的生成，空間重建全景圖的生成過程如圖4所示。

5.2? 模型素材的修改

1） 簡化模型面數(shù)。本文研究的室內模型雛形指的是現(xiàn)成max高精度模型，模型的整體主要包括84萬個面，因為通過平面效果圖制作與渲染展現(xiàn)平面高度，面數(shù)高度并不會影響到單幀效果圖的渲染，但是基于實時渲染為核心的虛擬現(xiàn)實技術，要高于室內空間小場景的面數(shù)，就會增加硬件的負擔。那么，就要對原模型的面數(shù)進行瘦身。比如，三人長的沙發(fā)，原本的模型面數(shù)共有5.6萬個三角面，基于原本模型整體的形態(tài)不變，使多余的面數(shù)去除，使面數(shù)控制到1萬面左右。面數(shù)簡化的主要方法包括刪除沒有作用的面數(shù)線段，或者將看不到的面刪除[6]。多余面的刪除如圖5所示。

2） 修改模型UV。為了將貼圖紋理正確地展現(xiàn)出來，每個原模型都要制定貼圖坐標UV，使每個模型中都設置無重疊UV，將原本UV保留，為模型設置新貼圖通道2，在此通道中使用uvw開展命令展平UV。兩個通道的UV如圖6所示。場景模型不僅包括貼圖紋理UV，還具有燈光貼圖UV，兩者并不會沖突。最后，逐一導出修改模型，將其作為ASE模型文件，并且還是UDK引擎的支持模型格式。

5.3? 制作貼圖素材

貼圖為物體表面紋理，貼圖無法提高模型復雜程度，此步驟能夠突出對象細節(jié)重點，從而提高模型質感，完善模型造型，使所創(chuàng)建的三維場景更接近現(xiàn)實。

1） 烘焙燈光貼圖。貼圖烘焙技術指的是渲染max光照信息作為貼圖的方式，然后使烘焙后貼圖在場景中貼圖。光照信息就是貼圖，不需要CPU耗時進行計算，只需要計算普通貼圖就行，具有較快的反應速度。貼圖烘焙技術對靜幀來說并沒有太大的意義，此技術主要是在建筑漫游動畫、虛擬現(xiàn)實、游戲等領域中使用。

2） 原始max模型素材使用VRay渲染插件實現(xiàn)渲染，此插件具有較快的渲染速度。為了保留其強大渲染效果，并且將其應用到虛擬現(xiàn)實技術中，使VRay光照信息渲染成為貼圖，得出貼圖的燈光效果良好。地板紋理貼圖與烘焙Vray燈光貼圖如圖7所示。

3） 制作法線貼圖。法線貼圖是能夠在3D表面應用的特殊紋理，與傳統(tǒng)紋理不同，只能夠應用到2D表面。其屬于凹凸紋理擴展，具備每個像素高度值，具有大量細節(jié)表面信息，在普通物體中創(chuàng)建大量特殊立體外形，其能夠將三維模型充分展現(xiàn)出來，利用專用軟件使原本材質紋理貼圖轉變成為法線貼圖[7]，皮革法線貼圖效果如圖8所示。

6? 實驗結果和分析

為了便于本文所分析室內設計系統(tǒng)的開展，下述實驗都是基于正常條件下開展的。選擇100 m2普通民居作為實驗對象，對此民居中的洗衣機、床、冰箱、熱水器、電視機五種家電設備實現(xiàn)景觀重建檢測實驗。

將上述五種家電設備額定功率作為主要依據(jù)，定義參數(shù)見表1，床的額定功率設置為0。

表1中的[Xidx]，[Yidx]，[Zidx]指的是室內空間[X]，[Y]，[Z]方向指數(shù)分量;[Tidx]指的是三個指數(shù)分量的和。

實驗包括兩部分，在此空間中尋找以上五個家具電器的位置，利用普通模型結合數(shù)字模型對五個空間進行觀測，通過檢測結果對全景圖進行繪制和重建，對比真實位置，數(shù)字模型檢測結果和真實結果的對比如圖9所示，普通模型和真實結果的對比如圖10所示。

通過對比兩者的結果：基于普通模型的室內空間重建檢測的結果對比真實結果具有較大誤差，在[Tidx]指數(shù)不斷增加的過程中，也會擴大誤差。通過數(shù)字模型所重建的室內空間，與真實結果對比誤差并不大。隨著[Tidx]指數(shù)不斷增加，誤差也沒有增加。由此可以看出，本文所設計系統(tǒng)能夠對場景進行動態(tài)化的模擬，重建復雜場景三維圖形[8]。

7? 結? 語

本文分析了將圖像處理作為基礎的虛擬現(xiàn)實技術室內設計系統(tǒng)，能夠為室內設計提供直觀、有形的三維設計解決方案。虛擬室內設計系統(tǒng)不僅能夠美化室內空間環(huán)境，還能夠優(yōu)化室內設計程序，使設計時間得到大幅縮短，節(jié)約了設計成本，從而提高室內設計的社會價值。

參考文獻

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[6] 夏立文.虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展與應用[C]//中國計算機用戶協(xié)會網(wǎng)絡應用分會2018年第二十二屆網(wǎng)絡新技術與應用年會論文集.北京：北京聯(lián)合大學北京市信息服務工程重點實驗室，2018：237?243.

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[8] 葉新東.基于虛擬現(xiàn)實技術的語言學習生態(tài)模型研究[J].電化教育研究，2019，40（2）：105?112.