基于VR技術(shù)的樣板間展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐雪峰，楊 慶

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 建筑裝飾與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 淮安223003）

0 引 言

2020年，一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠疫情對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了極大的影響，許多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)嚴(yán)重下滑趨勢(shì)，而唯獨(dú)電子商務(wù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)顯示出了強(qiáng)大的韌性。房地產(chǎn)企業(yè)為了提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力，不失時(shí)機(jī)地借助電子商務(wù)平臺(tái)，將營(yíng)銷創(chuàng)新轉(zhuǎn)向“線上營(yíng)銷”。通過(guò)線上營(yíng)銷平臺(tái)，利用VR引導(dǎo)用戶看房、體驗(yàn)沉浸式樣板房［1］，從而大大提高用戶對(duì)商品房的認(rèn)可度和認(rèn)購(gòu)比率。本文正是在這種背景下，利用Unity3D、3DMAX等技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套基于VR技術(shù)的樣板間展示系統(tǒng)，便于消費(fèi)者身臨房屋虛擬現(xiàn)場(chǎng)，自由地觀察室內(nèi)空間的布局和家居的展示效果，做出最后的選擇。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)一個(gè)好的系統(tǒng)一般需要分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)施、維護(hù)5個(gè)步驟。本文從房地產(chǎn)行業(yè)房屋銷售現(xiàn)狀和問(wèn)題入手，分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可行性、功能需求和非功能需求；對(duì)樣板間三維展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制定詳細(xì)的方案；按照設(shè)計(jì)要求完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和檢測(cè)；確保系統(tǒng)的安全使用，并在使用過(guò)程中收集反饋信息，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供支持。由此可以看出，設(shè)計(jì)是開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，而系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)是所有設(shè)計(jì)的前提。本文在前期系統(tǒng)基本需求分析基礎(chǔ)上，按照數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和用戶層3個(gè)層面構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 樣板間虛擬三維展示系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of virtual 3D display system in sample room

在三層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)層主要包含利用建模工具創(chuàng)建的場(chǎng)景模型和實(shí)物模型數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)層主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能包，如：三維場(chǎng)景包、漫游包、個(gè)性化定制包等；用戶層是用戶直接操作的界面接口，用來(lái)實(shí)現(xiàn)樣板間信息的查看與交互。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）三維場(chǎng)景展示功能設(shè)計(jì)。虛擬樣板間在展示現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景時(shí)，要從整體上設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景模塊之間的位置，能實(shí)時(shí)加載虛擬場(chǎng)景，并渲染，利用Unity3D引擎中內(nèi)置的強(qiáng)大的渲染引擎，生成LOD層次性強(qiáng)的渲染畫面，得到場(chǎng)景對(duì)象的優(yōu)化顯示效果。

（2）三維場(chǎng)景漫游功能設(shè)計(jì)。三維場(chǎng)景漫游模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，可以給用戶強(qiáng)烈的沉浸感。利用Unity3D引擎技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬樣板間三維漫游，用戶對(duì)三維場(chǎng)景縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作，非常逼真地反映樣板間的結(jié)構(gòu)。

樣板間展示是以房間布局、家居裝飾等各種實(shí)物模型為載體，以實(shí)時(shí)信息傳遞為目的的專業(yè)性展示。在虛擬空間中，針對(duì)潛在的購(gòu)房者，利用場(chǎng)景漫游和交互功能可以調(diào)動(dòng)用戶的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等識(shí)別系統(tǒng)，進(jìn)行信息的發(fā)布、傳遞、接受和反饋，克服空間和時(shí)間的限制，達(dá)到實(shí)時(shí)的營(yíng)銷效果。

（3）個(gè)性化定制模塊設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)虛擬樣板間展示的效果，利用新的技術(shù)將真實(shí)樣板間無(wú)法展示的角度，在虛擬樣板間實(shí)現(xiàn)，抓住潛在客戶的內(nèi)心，提升展示成果。為此，在前期調(diào)研和功能需求分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)真實(shí)樣板間無(wú)法實(shí)現(xiàn)的個(gè)性化需求定制模塊。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

對(duì)于虛擬樣板間展示系統(tǒng)，首先要獲取整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立場(chǎng)景模型，為模型添加貼圖、材質(zhì)，優(yōu)化處理后將其導(dǎo)入到渲染引擎中，進(jìn)行場(chǎng)景模型渲染烘焙，產(chǎn)生逼真的虛擬場(chǎng)景，通過(guò)頭戴式顯示設(shè)備HTC Vive實(shí)現(xiàn)沉浸式交互。本系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線如圖2所示。

（1）與房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商溝通交流，了解用戶的具體需求，包括對(duì)樣板間場(chǎng)景構(gòu)建、工作量計(jì)算、系統(tǒng)方案制定、開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇等等。

（2）現(xiàn)場(chǎng)勘察，獲取樣板間的原始數(shù)據(jù)。原始的數(shù)據(jù)包括：樣板間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，墻體、窗、梁、管道、煤氣等信息。

（3）構(gòu)建虛擬場(chǎng)景。三維模型是虛擬場(chǎng)景最基礎(chǔ)的組成部分，本系統(tǒng)主要包括墻體模型，窗戶模型，梁、吊頂模型以及室內(nèi)家居布置等場(chǎng)景組成元素的模型。

（4）優(yōu)化模型和整合場(chǎng)景。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，需要對(duì)三維模型優(yōu)化處理。尤其是家居模型，需要大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化可以降低系統(tǒng)資源占用率，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行效果。

（5）設(shè)計(jì)漫游和交互。保存模型文件，將文件導(dǎo)入到Unity引擎中，設(shè)置場(chǎng)景，添加天空盒效果、光照效果，進(jìn)行碰撞檢測(cè)設(shè)置，添加漫游和交互控制腳本。

（6）系統(tǒng)測(cè)試。連接HTC Vive設(shè)備，利用手柄控制器對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)換不同場(chǎng)景，并實(shí)時(shí)交互，增強(qiáng)用戶的沉浸感。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線圖Fig.2 System technology implementation roadmap

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（1）室內(nèi)基本結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。本系統(tǒng)采用3ds Max工具進(jìn)行場(chǎng)景建模，構(gòu)建的室內(nèi)三維虛擬系統(tǒng)要真實(shí)呈現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境中的各種要素，如門窗、吊頂、踢腳線、客餐廳、臥式等。在創(chuàng)建模型前，首先要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如單位設(shè)置、首選項(xiàng)、導(dǎo)入圖紙、文件保存路徑等，利用樣條線描線，擠出墻體；利用多邊形建模技術(shù)，制作出樣板間的基本結(jié)構(gòu)模型效果，如圖3所示；為了使樣板間在引擎中不能被太陽(yáng)光直接穿透模型，又創(chuàng)建了樣板間外層模型效果，如圖4所示。

圖3 樣板間基本結(jié)構(gòu)模型效果Fig.3 Effect of basic structure model of sample room

圖4 樣板間外層模型效果Fig.4 Exterior model effect of sample room

（2）室內(nèi)家居模型的構(gòu)建。家居模型的創(chuàng)建主要包括臥室、客廳、廚房、衛(wèi)生間等位置的常用家居。在家居模型創(chuàng)建過(guò)程中，可以根據(jù)家居模型的特點(diǎn)，在不影響場(chǎng)景效果的情況下，簡(jiǎn)化模型。本系統(tǒng)模型的最終效果如圖5、圖6所示。

圖5 臥式家居模型制作后的效果Fig.5 Effect of horizontal household model

圖6 客廳家居模型制作后的效果Fig.6 The effect of living room home model production

（3）模型貼圖處理。樣板間場(chǎng)景模型及室內(nèi)物品模型構(gòu)建完成后，需要給模型添加材質(zhì)貼圖，展示不同的效果。在3ds Max中，設(shè)置相應(yīng)的材質(zhì)，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，添加貼圖，效果如圖7、圖8所示。

（4）場(chǎng)景渲染。在構(gòu)建樣板間虛擬場(chǎng)景前，需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如高清晰渲染管線HDRP、顏色空間、天空盒；將場(chǎng)景模型以文件的形式導(dǎo)入到Unity3D引擎中。為了增強(qiáng)場(chǎng)景的逼真度，需要進(jìn)一步添加材質(zhì)貼圖，并調(diào)整光效；為了增加場(chǎng)景和模型的反射效果，需要給場(chǎng)景添加反射探頭，并渲染烘焙。最后，根據(jù)場(chǎng)景效果使用后期屏幕渲染特效進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，最終效果如圖9、圖10所示。

圖7 臥式模型添加材質(zhì)貼圖效果Fig.7 Add material mapping effect to horizontal model

圖8 客廳模型添加材質(zhì)貼圖效果Fig.8 Add material mapping effect to living room model

圖9 臥式場(chǎng)景效果Fig.9 Horizontal scene effect

圖10 客餐廳廚房場(chǎng)景效果Fig.10 Kitchen scene effect of guest restaurant

（5）場(chǎng)景漫游。把SteamVR.Unity.Plugin.2.5導(dǎo)入到Assets中，Player預(yù)制件為場(chǎng)景設(shè)置play對(duì)象和SteamVR攝像機(jī)。SteamVR攝像機(jī)能根據(jù)自身的定位系統(tǒng)自動(dòng)捕捉到HMD顯示器與控制器的位置及運(yùn)動(dòng)方向。

復(fù)制地面，給地面添加碰撞體組件，設(shè)置材質(zhì)等，運(yùn)行即可產(chǎn)生場(chǎng)景漫游的效果。系統(tǒng)運(yùn)行的場(chǎng)景如圖11和圖12所示。

圖11 用戶在客廳漫游的場(chǎng)景Fig.11 Scene of users roaming in the living room

圖12 用戶在臥室漫游的場(chǎng)景Fig.12 Scene of users roaming in the bedroom

（6）場(chǎng)景交互。對(duì)于物體的抓取，可通過(guò)對(duì)物體添加剛體組件和碰撞器組件，并進(jìn)一步添加交互腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，抓取房間里的椅子，運(yùn)用VIVE手柄扣下扳機(jī)效果如圖13所示。

圖13 抓取物體的效果Fig.13 The effect of grabbing objects

為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)真實(shí)性，系統(tǒng)在虛擬漫游和交互功能的基礎(chǔ)上增加了小地圖功能。地圖可以快速、直觀地反映整個(gè)樣板間布局。通過(guò)查閱地圖，用戶可以比較快速地了解自身位置和樣板間中室內(nèi)空間的劃分情況。實(shí)現(xiàn)地圖的方式有很多，考慮到整個(gè)項(xiàng)目的可移植性和獨(dú)立性，本文設(shè)計(jì)的地圖系統(tǒng)把樣板間的彩屏圖進(jìn)行等比例映射，把用戶映射到彩屏圖上。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖14所示。

圖14 輔助小地圖效果Fig.14 Auxiliary map effect

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)依托大學(xué)生創(chuàng)新課題，開(kāi)發(fā)完成后，通過(guò)白盒和黑盒測(cè)試，表明系統(tǒng)軟件具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且移植性好、擴(kuò)展性強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)HTCVive交互設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，沉浸式交互體驗(yàn)效果明顯。系統(tǒng)在建模速度方面還有待提高，模型質(zhì)量還需精確化處理。