數(shù)字處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

樊靈燕

（上海杉達(dá)學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院，上海201209）

0 引 言

近年來人們的購房熱情日益高漲，房屋購買率的增加帶動室內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有便捷、高效特點(diǎn)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)成為需求的主體[1]。傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要傳輸大量信息才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)場景的設(shè)計(jì)，使用者在聯(lián)網(wǎng)使用系統(tǒng)時存在卡頓、響應(yīng)時間長等缺點(diǎn)，沒有給使用者帶來良好的使用體驗(yàn)。目前急需一款較少信息量傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁瀏覽的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并且在圖像處理及數(shù)字處理方面具有良好的處理效果[2?4]。目前的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究中，側(cè)重于智能語音使用的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[5]，在數(shù)字處理技術(shù)和圖像處理方面存在極大缺陷；而使用多變限定作為基礎(chǔ)的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[6]，雖然在渲染和去噪方面取得了一定的研究成果，但是圖像處理效果并不理想。

在室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，調(diào)用和顯示圖像數(shù)據(jù)時會發(fā)生圖像數(shù)據(jù)傳輸，無論何種尺寸、何種像素的圖像，在傳輸過程中都會出現(xiàn)噪聲干擾的現(xiàn)象，影響圖像質(zhì)量。對于室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)來說，如果圖像信息不夠清楚，無法獲得良好的室內(nèi)設(shè)計(jì)效果。為了改善圖像質(zhì)量，一般會使用數(shù)字處理技術(shù)去除圖像中的噪聲，提高圖像信噪比，實(shí)現(xiàn)突出圖像特征的目的[7]。在對圖像進(jìn)行數(shù)字處理時，需要在去除噪聲的同時保證圖像邊緣細(xì)節(jié)信息保留明顯特征。常見的數(shù)字處理技術(shù)一般具備頻域和空間域局部分析能力，雖然能夠抑制噪聲干擾卻損失了邊緣信息，增加了圖像的模糊程度[8]。小波變換局部化特性良好，保證去除噪聲后的圖像能夠在不同分辨率上表現(xiàn)紋理和結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確檢驗(yàn)圖像邊緣，降低噪聲干擾的同時保留圖像邊緣信息，使圖像質(zhì)量得到提升，便于系統(tǒng)開展后續(xù)室內(nèi)設(shè)計(jì)工作。

圖像處理技術(shù)能夠提升室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中圖像的視覺效果，完善系統(tǒng)性能。室內(nèi)設(shè)計(jì)需要對圖案的色彩和紋樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，任何物體都能作為紋樣素材，而色彩提升則需要人為填充和處理。紋理屬于紋樣之一，針對紋理合成的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)是目前圖形處理、計(jì)算機(jī)視覺以及圖形學(xué)的主要研究熱點(diǎn)。紋理渲染能夠提升圖像表面細(xì)節(jié)，在實(shí)景效果中，能夠保證圖像的逼真效果。常用的視覺提升方法包括機(jī)器學(xué)習(xí)方面的圖像優(yōu)化方法和圖像重構(gòu)方法等[9]，但是渲染過程中經(jīng)常出現(xiàn)偽色彩和單色渲染的情況。針對室內(nèi)設(shè)計(jì)特性，使用物理作為基礎(chǔ)的渲染技術(shù)，使用光照算法并且開展優(yōu)化處理，高度真實(shí)還原室內(nèi)設(shè)計(jì)各元素的真實(shí)感，增強(qiáng)視覺傳達(dá)效果。

本文采用數(shù)字處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，獲得了良好的室內(nèi)設(shè)計(jì)效果和視覺傳達(dá)效果。

1 室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體框架

本文系統(tǒng)是一個混合式的架構(gòu)系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)使用C#平臺和Net平臺，運(yùn)用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）與C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器模式）結(jié)合的混合式架構(gòu)，將Web端作為統(tǒng)一的管理，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)同和流程管理，先解決角色身份驗(yàn)證和各參與方的權(quán)限集成。使用C/S結(jié)構(gòu)模式滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的高安全性、大數(shù)據(jù)傳輸、頻繁處理數(shù)據(jù)等要求，使用B/S結(jié)構(gòu)模式滿足系統(tǒng)過于復(fù)雜的管理流程和過于廣泛的管理范圍[10]。結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模式與C/S結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)共包括三層，分別為數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層將圖像、權(quán)限等數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭壿媽又?，邏輯層的圖像處理、數(shù)字處理、權(quán)限管理等模塊對圖像等內(nèi)容進(jìn)行處理[11]，邏輯層完成相關(guān)內(nèi)容處理后把設(shè)計(jì)結(jié)果傳輸?shù)綉?yīng)用層，由PC端或者瀏覽器界面將室內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)果顯示出來。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)字處理技術(shù)

使用數(shù)字處理技術(shù)降低系統(tǒng)中圖像的噪聲干擾。假設(shè)系統(tǒng)中存在某幅包含噪聲的圖像：

由多層小波變換式（1）得到：

也可表示為：

通過式（2）和式（3）可知，經(jīng)計(jì)算得到的小波系數(shù)屬于原始圖像，逆變換小波獲得原始圖像。獲得原始圖像小波變化的核心如下：設(shè)置一個閾值T，判斷小波系數(shù)的高頻域，如果小波系數(shù)大于該閾值，說明此小波系數(shù)較重要，需要保存；如果小波系數(shù)小于閾值T，則將小波系數(shù)設(shè)置為0。

使用軟閾值法確定閾值：

式中：i的取值為1,2,3，與HL、HH、LH三個子圖像（二維小波分解原始圖像后得到的子圖像，分別表示垂直高頻子圖像、對角高頻子圖像和水平高頻子圖像）對應(yīng)；j=j0,j1,j2,…,J，J代表小波分解層次；ci與σ分別表示常數(shù)和圖像噪聲方差。

為降低去噪后圖像中包含的馬賽克，獲得良好的去噪效果，將存在差異的小波系數(shù)與小波系數(shù)關(guān)聯(lián)的降噪因子相乘，降噪因子值需要低于1，同時，降噪因子與小波系數(shù)絕對值呈現(xiàn)反比例關(guān)系[12]。具體算法如下：

波系數(shù)與小波分解后的高頻系數(shù)；aver與σ代表不同方向高頻小波系數(shù)與不同小波分解層的平均值和方差。

由于小波系數(shù)具有統(tǒng)計(jì)特性，所以假設(shè)式（5）內(nèi)的k值是一個函數(shù)并且與指數(shù)相關(guān)：

式中a與b是給定的小波變換指數(shù)。

根據(jù)式（7）和式（8），則有：

依據(jù)式（6）和式（9）求得降噪因子k值為：

將式（10）重新代入到式（5）即可完成圖像的去噪。

1.3 圖像處理技術(shù)

為增強(qiáng)室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的圖像效果，實(shí)現(xiàn)紋理渲染技術(shù)處理圖像，模擬光照效果。

1）漫反射模擬。使用雙向反射分布函數(shù)模型描述光線反射情況。雙向反射分布函數(shù)模型的漫反射項(xiàng)為：

式中：l，v與n分別表示入射方向、攝像機(jī)觀察方向和物體表面法線，C代表物體表面所具備的顏色，一般使用紋理采樣獲取。

漫反射系數(shù)FD90的表達(dá)式如下：式中：h表示物體高度；ro代表物體表面粗糙度。

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，為防止卡頓，提升渲染的速度，需要假設(shè)所有方向上漫反射強(qiáng)度均相同[13]。為了真實(shí)模擬出室內(nèi)各裝飾物的真實(shí)效果，需要調(diào)整ro的值。

2）高光模擬?，F(xiàn)實(shí)生活中任何物體都存在高光反射，只不過強(qiáng)弱程度存在差異[14]。假設(shè)n與mj分別表示表面法線和微面元法線，微面元法線與表面法線并不完全相等，存在差異的微面元反射將相同的入射光線反射到不同的方向，假如微面元法線mj達(dá)到觀察方向v和入射方向l的一半，可以將微面元法線mj作為高光參與到雙向反射分布函數(shù)模型計(jì)算中。實(shí)際計(jì)算時需要把各個微面元之間存在彼此遮擋的問題也考慮進(jìn)去。

根據(jù)以上分析，運(yùn)用Torrance?Sparrow微面元模型表示雙向反射分布函數(shù)模型的高光反射項(xiàng)：

式中：D(h)主要用來計(jì)算微面元占比多少能夠符合mj，表示微面元法線分布函數(shù)；G(l,v,h)計(jì)算微面元被遮擋部分的占比，也是陰影?遮掩函數(shù)；F(l?h)表示入射光線中反射光線的占比，同時也代表剩余活躍微面元的Fresnel（菲涅爾）散射函數(shù)主要校正整體宏觀空間與微面元空間之間存在的表面數(shù)量差異[15]。式（13）屬于比較高端的渲染方式，多用于電影動畫的渲染，能夠?qū)Ψ钦鎸?shí)光照效果實(shí)行模擬，但是實(shí)際應(yīng)用于本文系統(tǒng)中會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過慢的問題，為提升系統(tǒng)運(yùn)行速度，使用GGX模型作為基礎(chǔ)的高光反射公式模擬系統(tǒng)中物體的高光效果，運(yùn)用GGX模型得到線分布函數(shù)D(h)為：

式中α與ro2相等。

使用Smith?Schlick模型描述陰影?遮掩函數(shù)

式中p與相等。

運(yùn)用Schlick菲涅爾近似等式描述菲涅爾反射F(l?h)，即：

式中F0代表高光反射系數(shù)。

考慮實(shí)際物體的外觀情況，調(diào)節(jié)ro，取值為0.06時，高光效果更接近現(xiàn)實(shí)。

2 室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能測試

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)性能，將某室內(nèi)設(shè)計(jì)裝修公司作為研究對象，在該公司使用本文系統(tǒng)開展室內(nèi)設(shè)計(jì)活動。為對比系統(tǒng)性能，將基于智能語音的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和基于多變限定的室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)同時應(yīng)用到該公司的室內(nèi)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，對比系統(tǒng)分別來自參考文獻(xiàn)[7]和參考文獻(xiàn)[8]。采集室內(nèi)設(shè)計(jì)所需圖像樣本共1 500個，像素值均為3 264×2 488，本文系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)效果圖如圖2所示。從圖2中能夠看出，使用本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的室內(nèi)效果具有較清晰的視覺效果，光線效果接進(jìn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的光線效果，家具細(xì)節(jié)清晰明顯，效果圖中有箭頭標(biāo)識，在系統(tǒng)中瀏覽效果圖時，可以通過點(diǎn)擊控制相應(yīng)按鍵實(shí)現(xiàn)界面切換，如果需要打印則可以取消按鍵顯示，直接瀏覽效果圖。

圖2 室內(nèi)設(shè)計(jì)效果圖

將本文系統(tǒng)與兩個對比系統(tǒng)對所采集的素材圖像進(jìn)行去噪處理，去噪效果如圖3所示。

圖3 去噪效果對比

從圖3能夠看出，對比系統(tǒng)的去噪效果較差，去噪圖像存在較多毛刺和噪點(diǎn)，且邊緣劃分不明顯，出現(xiàn)部分邊緣缺失的情況；本文系統(tǒng)去噪后的圖像去除了噪點(diǎn)和毛刺，圖像平滑且邊緣劃分明顯，去噪后的圖像效果清晰，圖像細(xì)節(jié)信息保存良好，沒有出現(xiàn)馬賽克小格等不清晰情況。

在不同方差情況下，三種系統(tǒng)去噪結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在不同噪聲方差下，本文系統(tǒng)的峰值信噪比最高，進(jìn)一步說明本文系統(tǒng)具有更佳的圖像去噪效果。

圖4 峰值信噪比結(jié)果

對比不同系統(tǒng)渲染之后的效果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 渲染效果對比

由圖5a）中能夠看出，該對比系統(tǒng)渲染圖像時出現(xiàn)圖像扭曲的情況，這主要是由于圖像的周圍遭受擠壓，中間部分被放大，圖像四周被拉伸而中間的采樣率高于原圖像。圖5b）系統(tǒng)的渲染效果顏色偏暗且出現(xiàn)不規(guī)則光暈，主要是由于渲染率過大，失去圖像原有的真實(shí)效果。本文系統(tǒng)渲染后的圖像符合人眼習(xí)慣，減少了四周渲染率過大的情況，在透視分割之前合理修改裁剪空間，保證渲染效果，模擬出良好的光線效果和反射效果。

三種系統(tǒng)去噪和渲染所花費(fèi)的時間對比見表1。從表1中能夠看出，兩個對比系統(tǒng)在實(shí)時圖像去噪和圖像渲染時所花費(fèi)的時間較長、效率較低，這主要是由于這兩個系統(tǒng)所使用的去噪和渲染方式計(jì)算時間較長，系統(tǒng)耗費(fèi)時間較多。本文系統(tǒng)在實(shí)行渲染和去噪時花費(fèi)時間較短，去噪時間保持在1.5 s以下，渲染時間保持在2.7 s以下，系統(tǒng)在數(shù)字處理和圖像處理方面效率較高。

表1 圖像處理效率對比 s

3 結(jié) 語

本文從現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)和圖像處理兩個方面設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)去噪和渲染方面具有良好的效果，去噪后的圖像平滑清晰、邊界明顯，經(jīng)渲染后圖像上的物體具有良好的反射效果和高光效果，同時本文系統(tǒng)在進(jìn)行渲染和去噪時所花費(fèi)的時間較短，具有極高的運(yùn)行效率，相比同類型系統(tǒng)具有極高的優(yōu)勢，適合廣泛推廣。