圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

田楊

摘? 要： 由于傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)場景再現(xiàn)能力有限，支持的場景范圍較小，為此，提出圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件是由圖像處理模塊、虛擬仿真模塊、數(shù)據(jù)庫支持模塊組成，主要負(fù)責(zé)處理圖像信息。在Qt 5.9.6環(huán)境下開發(fā)系統(tǒng)軟件，并采用Visual Studio 2015完成室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件運(yùn)作流程的設(shè)計(jì)。考慮到系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的仿真效果，利用Qt 5.9.6軟件編寫模型規(guī)則編碼，最后采用在32位Windows 7操作系統(tǒng)、顯卡為NVIDIA GeForce 9800 GT、內(nèi)存為4.00 GB的計(jì)算機(jī)環(huán)境下，分別測試兩個室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持的場景范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)支持的場景范圍更廣，更符合設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng); 圖像信息處理; 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 室內(nèi)場景仿真; 軟件開發(fā); 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0062?03

Interior design system based on image processing and virtual reality technologies

TIAN Yang

（Department of Communication and Animation， Tangshan University， Tangshan 063000， China）

Abstract： Since the traditional interior design systems are of limited scene reproduction ability and small supported scene range， an interior design system based on image processing and virtual reality technologies is proposed. The system hardware is composed of image processing module， virtual simulation module and database support module， which is mainly responsible for the image information processing. The system software is developed in the Qt 5.9.6 environment， and the software operation process of the interior design system is designed with Visual Studio 2015. In view of the simulation effect of the system interface design， the software Qt 5.9.6 is used to compile the model rule code. The scene ranges supported by two interior design systems are respectively tested by the computer with Windows 7 32?bit operating system， NVIDIA GeForce 9800 GT graphics card and 4.00 GB memory. The experimental results show that the scene range supported by the proposed system is wider and more in line with the design requirements.

Keywords： interior design system; image information processing; virtual reality technology; interior scene simulation; software development; system test

0? 引? 言

室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個重要的研究領(lǐng)域，若能提高室內(nèi)設(shè)計(jì)效果，即可在圖片檢索和視頻檢索領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。常規(guī)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)容易受到光照和噪聲的影響，無法對室內(nèi)場景進(jìn)行精準(zhǔn)的分類[1]。為此，本文提出圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。圖像處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為近幾年計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)，因其沉浸效果明顯，具有場景再現(xiàn)的能力，已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用人機(jī)互動理念將構(gòu)思仿真成可見的場景，用戶可以通過輔助手段在場景中實(shí)現(xiàn)飛行和行走等操作。圖像處理技術(shù)通過計(jì)算機(jī)處理圖像信息實(shí)現(xiàn)圖像分類，在處理方法上具有處理范圍廣、精度高等優(yōu)勢。

通過深入學(xué)習(xí)和研究，整理了室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本框架，為改善室內(nèi)場景圖像分類效果，做了一些前期準(zhǔn)備，將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)場景分類上，在此想法上，從場景結(jié)構(gòu)學(xué)角度出發(fā)，對子類目標(biāo)進(jìn)行分類，研究當(dāng)前圖像分割的基本原理。再從室內(nèi)場景結(jié)構(gòu)的角度，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對室內(nèi)場景圖像進(jìn)行仿真，考慮到室內(nèi)色彩、裝飾和陳設(shè)等要素。硬件設(shè)備選用建模設(shè)備、三維視覺顯示設(shè)備、交互設(shè)備傳遞虛擬環(huán)境，用多媒體計(jì)算機(jī)作為硬件環(huán)境，完成室內(nèi)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。軟件則選擇具有伸縮性的Qt 5.9.6軟件，再采用Visual? ?Studio 2015的標(biāo)記語言組合不同的場景，具體操作步驟如下。

1? 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于圖像處理技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的，包括三個主要模塊，室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是由圖像處理模塊、虛擬仿真模塊、數(shù)據(jù)庫支持模塊組成。各模塊具體功能如下：

圖像處理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，主要表現(xiàn)為兩個方面：一方面是圖像中的目標(biāo)檢測;另一方面是圖像描述和識別分類[2]。圖像目標(biāo)檢測負(fù)責(zé)處理圖像信息和恢復(fù)圖像真實(shí)信息，目的是過濾無用信息，增強(qiáng)圖像有關(guān)信息檢測的可能性。圖像描述負(fù)責(zé)去除冗余信息，先提取圖像特征，辨識目標(biāo)，再對目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步利用[3]。

虛擬仿真模塊是根據(jù)規(guī)定室內(nèi)建設(shè)功能劃分的，分為以下幾種：

建筑類模型：不同風(fēng)格、不同高度。

植被模型：不同種類、不同型號。

家具類模型：床、桌子、家電。

小品類：凳子、花盆、衣架。

標(biāo)識類：區(qū)域標(biāo)識模型。

畫刷紋理模型：地磚畫刷、墻體畫刷。

用戶在操作時，需要從素材庫中拖拽模型圖片到相應(yīng)位置，為保證硬件設(shè)備流暢性，需要匹配地形網(wǎng)絡(luò)和地形網(wǎng)格。在虛擬場景中，將區(qū)域地形制作成500 m×500 m的規(guī)格，為適應(yīng)地形和模型的匹配，在規(guī)劃時需用素材模型進(jìn)行統(tǒng)一制作，以此防止模型形狀差距過大[4]。在3D MAX 9.0建模環(huán)境下創(chuàng)建特征模型支持模塊，遵循工程項(xiàng)目建模規(guī)范，制作虛擬室內(nèi)場景模型，該數(shù)字模型主要包括非規(guī)劃數(shù)字模型和規(guī)劃區(qū)數(shù)字模型這兩個部分，兩個性質(zhì)場景是并存的[5]。在進(jìn)行規(guī)劃區(qū)場景模擬時，需要將其作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要部分，利用模型編輯和紋理繪制等功能對其進(jìn)行網(wǎng)格化處理。非規(guī)劃區(qū)只作為參考使用，為不干擾用戶的操作，在設(shè)計(jì)上采用特征模型支持網(wǎng)對其進(jìn)行網(wǎng)格化處理[6]。數(shù)據(jù)庫支持模塊負(fù)責(zé)為用戶提供更大的空間，利用存儲的模型屬性數(shù)據(jù)建立大量的模型，幫助用戶管理素材模型進(jìn)行屬性信息查詢等[7]。

2? 軟件功能設(shè)計(jì)

室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Qt 5.9.6環(huán)境下開發(fā)的，將Visual Studio 2015作為軟件開發(fā)的編寫工具，具體實(shí)現(xiàn)步驟[8]如下：安裝Visual Studio 2015和Qt 5.9.6軟件;再將Qt 5.9.6嵌入Visual Studio 2015中，直接在Visual? Studio 2015中新建項(xiàng)目，即可在編寫方案軟件的界面輸入相關(guān)代碼;再安裝OpenCV 3.4.0，完成安裝配置[8]。室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件運(yùn)作模式如圖2所示。

軟件具體運(yùn)作流程如下：

獲取多幀圖像，將得到的多幀連續(xù)圖像進(jìn)行閾值二值化處理，并生成虛擬仿真圖像，進(jìn)行積分處理得到濾波后的圖像，提取輪廓按照輪廓大小進(jìn)行排序，篩選目標(biāo)，計(jì)算圖像模型的質(zhì)心坐標(biāo)[9]。當(dāng)設(shè)計(jì)人員打開攝像頭按鈕時，CCD相機(jī)會將采集到的室內(nèi)圖像進(jìn)行標(biāo)注，這樣在進(jìn)行處理時，就可以將原始圖像劃分為具體目標(biāo)，提取分割圖像的精確信息[10]。最后進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，將前期策劃的設(shè)計(jì)構(gòu)思表現(xiàn)成虛擬仿真圖像，按照1∶20的比例制作[11]。在界面設(shè)計(jì)上，為增強(qiáng)模型的逼真程度，需采用Visual Studio 2015對每一個模型按照以下規(guī)則進(jìn)行編碼，見表1。

應(yīng)用表1制作編碼，并上傳到系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量是系統(tǒng)運(yùn)行速度的關(guān)鍵，模型精度越高，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量也會隨之變大[12]，在進(jìn)行規(guī)則編碼時，需采用CAD/CAM編寫軟件對模型屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)管理[13]，見表2。

表2是在Qt 5.9.6環(huán)境上創(chuàng)建的，存取路徑對用戶是透明的[14]。

綜合上述設(shè)計(jì)流程，完成室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件開發(fā)的設(shè)計(jì)。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

為確保系統(tǒng)程序滿足應(yīng)用需求，需對室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所有特性和功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試內(nèi)容如下：檢測系統(tǒng)的場景支持狀況，為保證實(shí)驗(yàn)具有說服性，利用傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

3.1? 測試內(nèi)容

為確保室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到理想狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中需要依據(jù)測試指標(biāo)檢測系統(tǒng)的所有特性和功能是否以期望的方式運(yùn)行，圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測試內(nèi)容為場景的支持狀況。實(shí)驗(yàn)中使用的功能模塊實(shí)現(xiàn)狀況主要有：

1） 場景漫游：為了迎合用戶的操作習(xí)慣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時制作了單點(diǎn)導(dǎo)航界面和觸控手勢操作，這樣人性化的操作方式可以讓用戶在虛擬社區(qū)中加入觀看視點(diǎn)和角度。

2） 素材庫：即為系統(tǒng)虛擬仿真模塊，負(fù)責(zé)為用戶提供模型素材，在設(shè)計(jì)過程中，用戶可以使用拖拽的方式添加任意模型。

3） 屬性查詢：即為系統(tǒng)軟件添加模型屬性和查詢信息的錄入情況。

3.2? 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)在以下計(jì)算機(jī)環(huán)境中進(jìn)行測試，32 位 Windows 7 操作系統(tǒng)，顯卡為 NVIDIA GeForce 9800 GT，內(nèi)存為 4.00 GB。在該計(jì)算機(jī)環(huán)境下測試傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的場景支持情況。測試結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)場景支持范圍較小，測得的總面積為300 m2，僅有建筑模型和家具模型這兩類屬性信息，而使用圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的場景支持范圍總面積為700 m2，共有家具模型、畫刷紋理模型、標(biāo)識模型、家具模型這四類，在測試中，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)測試場景范圍更廣，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

4? 結(jié)? 語

為解決傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在的問題，本文提出圖像處理和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼顧虛擬仿真技術(shù)和圖像分類兩個領(lǐng)域的應(yīng)用，既滿足了用戶參與規(guī)劃的需求，又能很好地把握住房和周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系。該系統(tǒng)的順利運(yùn)行，表示現(xiàn)階段這種適用兩個領(lǐng)域的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)已在規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

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