基于VRML的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法

謝海琴

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215125)

0 引 言

虛擬三維室內(nèi)設(shè)計是近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要研究方向之一，其主要功能在于借助虛擬現(xiàn)實手段完成室內(nèi)景觀的布置與擺放，從而使人們獲得一種身臨其境的真實體驗感[1]。然而現(xiàn)有設(shè)計方法在人機交互響應(yīng)方面所需的等待時間過長，易導(dǎo)致用戶體驗感的持續(xù)下降，為解決此問題，提出一種基于VRML技術(shù)的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法。

1 虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法

1.1 基于VRML的三維場景模型構(gòu)建

三維室內(nèi)設(shè)計需要利用VRML三維場景建模技術(shù)在計算機環(huán)境下營造一個相對逼真的虛擬世界，因此需要對場景模型中各個節(jié)點所在位置進行精準(zhǔn)規(guī)劃。一般情況下，虛擬三維室內(nèi)場景的構(gòu)造，需要在色彩、質(zhì)感、光照、形態(tài)等多個方面都保持絕對逼真性，且一個完整的構(gòu)造模型應(yīng)該由行為建模條件、幾何建模條件兩部分共同組成。VRML三維場景模型層次結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 VRML三維場景模型的層次結(jié)構(gòu)圖

行為建?？衫矛F(xiàn)有的三維虛擬造型軟件，通過人工處理的方式，對室內(nèi)實體景觀進行建模處理，一般情況下，其所呈現(xiàn)的用戶界面更偏向于圖形化，能夠較好隱藏景觀對象的表現(xiàn)信息。幾何建模除需要掌握室內(nèi)景觀對象的物理特性外，還需要對實體景觀所處的空間環(huán)境進行考察，其所呈現(xiàn)的用戶界面更偏向于立體化，但基本不能與用戶對象進行三維式交互。上述兩種建模方法在應(yīng)用時各有優(yōu)缺點，見表1。

表1 VRML三維場景建模方法優(yōu)缺點對比

針對較為復(fù)雜的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計環(huán)境來說，不能單純采用行為建模、幾何建模中的某一種方式，而是需要將二者結(jié)合，在不違背VRML技術(shù)作用條件的情況下，盡可能真實地復(fù)原室內(nèi)空間的原有設(shè)計環(huán)境。由于行為建模的交互能力較強，在建立設(shè)計主機與體驗對象之間交流關(guān)系時，應(yīng)以該項應(yīng)用原則作為主要參考條件。而對于立體化程度相對較高的室內(nèi)三維空間設(shè)計環(huán)境來說，則應(yīng)主要參考集合建模原理，并適當(dāng)借助行為建模條件，對個別平面化景觀進行模擬與復(fù)原。

1.2 室內(nèi)場景復(fù)雜度消減

在進行基于VRML的虛擬三維室內(nèi)場景設(shè)計時，單純使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來描述景觀所處的空間位置，易造成室內(nèi)場景復(fù)雜度的不斷提升，從而使參與對象獲得相對較差的感官體驗。為避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)在現(xiàn)有景觀支持條件的作用下，充分模擬可能出現(xiàn)的交互情況，從中選取出現(xiàn)明顯卡頓或負(fù)荷量較大的情況，并對其進行剔除處理，一方面抑制室內(nèi)場景復(fù)雜度的無辜攀升，另一方面使整個室內(nèi)空間環(huán)境的交互性能水平得到大幅促進[2]。本次研究采用VRML三維場景模型控制室內(nèi)環(huán)境的景觀復(fù)雜度，在處理過程中由于光照等外界自然條件的影響，場景紋理會出現(xiàn)較為明顯的改變，但此變化并不會影響最終的室內(nèi)場景復(fù)雜度消減結(jié)果(室內(nèi)場景紋理是指室內(nèi)景觀物體的表面細(xì)節(jié)，包括顏色、花紋等多項幾何紋理條件)。

在消減室內(nèi)場景復(fù)雜度時，紋理映射能夠直接改變室內(nèi)環(huán)境中的光強分布情況。所謂紋理映射，是指將一個平面紋理圖像映射到空間實體景觀表面上的操作過程。例如室內(nèi)地板模型可借助圖片或照片作為紋理映射的操作依據(jù)，既能有效減少木條紋的實際應(yīng)用數(shù)量，也能使細(xì)節(jié)特征得到準(zhǔn)確表達。由于紋理映射條件的存在，基于VRML的虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法才能較好復(fù)原室內(nèi)景觀的真實存在形態(tài)。

1.3 虛擬動態(tài)交互

實現(xiàn)虛擬三維室內(nèi)設(shè)計的動態(tài)交互主要體現(xiàn)在：當(dāng)用戶對象的景觀視點發(fā)生改變時，能夠較為快速且準(zhǔn)確地表現(xiàn)出當(dāng)前景觀視點范圍內(nèi)的場景環(huán)境[3]。在上述過程中同時涉及虛擬動態(tài)交互的透視投影與平行投影，具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 虛擬動態(tài)交互原理示意圖

目標(biāo)景觀所處位置始終保持不變。在透視投影原理的作用下，該景觀在最終的虛擬三維室內(nèi)環(huán)境中以點狀場景的形式存在；而在平行投影原理的作用下，該景觀能夠始終保持原有的場景存在狀態(tài)。出于體驗真實性考慮，在進行虛擬三維室內(nèi)景觀設(shè)計時，需要在VRML技術(shù)的支持下，參考透視投影與平行投影原理，一方面可使室內(nèi)景觀在重建后始終位于其原始存在位置處，另一方面也可有效確保景觀的空間立體化表現(xiàn)效果。

隨著 VRML技術(shù)作用時間的延長，虛擬三維室內(nèi)場景中景觀節(jié)點所處的位置也會逐漸發(fā)生改變。因此，為獲得真實的場景構(gòu)建結(jié)果，應(yīng)不斷獲取當(dāng)前時間節(jié)點處，景觀節(jié)點的空間與平面位置信息，并聯(lián)合虛擬對象的時空參數(shù)結(jié)果，尋找全景圖像的最優(yōu)數(shù)值結(jié)果，也就是室內(nèi)全景圖的最優(yōu)定位算法，實現(xiàn)對基于VRML虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法的順利應(yīng)用。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗準(zhǔn)備

為驗證基于VRML虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法的有效性，設(shè)計如下對比實驗。將搭載本文所述方法的計算機作為實驗設(shè)計主機，將搭載傳統(tǒng)方法的計算機作為對照組設(shè)計主機，閉合實驗組、對照組電源控制開關(guān)，記錄兩組人機交互響應(yīng)時間的具體變化情況。詳細(xì)的實驗環(huán)境參數(shù)配置結(jié)果見表2。

表2 實驗環(huán)境參數(shù)配置

在上述物理實驗環(huán)境下，對實驗組、對照組設(shè)計方法進行實驗，并統(tǒng)計人機交互響應(yīng)時間的具體數(shù)值變化情況。

2.2 數(shù)值分析

本次實驗共分為10組，其中前5組檢測在體驗者進行視角變換時設(shè)計主機的響應(yīng)時長，后5組檢測體驗者點擊鼠標(biāo)后設(shè)計主機的響應(yīng)時長，具體實驗結(jié)果見表3。

表3 實驗數(shù)值對比表

分析表3可知，在體驗者進行視角變換時，實驗組響應(yīng)時間最大值為0.6 s、最小值為0.2 s，二者間差值為0.4 s；對照組響應(yīng)時間最大值為1.2 s、最小值為0.7 s，二者間差值為0.5 s。在體驗者點擊鼠標(biāo)時，實驗組響應(yīng)時間最大值為0.6 s、最小值為0.3 s，二者間差值為0.3 s；對照組響應(yīng)時間最大值為1.2 s、最小值為0.8 s，二者間差值為0.4 s。

綜上可知，從極大值角度來看，在體驗者進行視角變換時，實驗組數(shù)值0.6 s與對照組數(shù)值1.2 s相比，下降了0.6 s；在體驗者點擊鼠標(biāo)時，實驗組數(shù)值0.6 s與對照組數(shù)值1.2 s相比，也下降了0.6 s。從極小值角度來看，在體驗者進行視角變換時，實驗組數(shù)值0.2 s與對照組數(shù)值0.7 s相比，下降了0.5 s；在體驗者點擊鼠標(biāo)時，實驗組數(shù)值0.3 s與對照組數(shù)值1.2 s相比，下降了0.9 s。

3 結(jié)束語

在VRML技術(shù)的作用下，新型虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法從場景模型入手，不僅實現(xiàn)了對室內(nèi)場景復(fù)雜度的消減，也可較好維護景觀的虛擬動態(tài)交互能力。從實用性角度來看，應(yīng)用基于VRML虛擬三維室內(nèi)設(shè)計方法后，人機交互響應(yīng)時長數(shù)值得到了有效控制，滿足提升室內(nèi)景觀交互響應(yīng)效率的實際應(yīng)用需求。