基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)建構(gòu)

孫 喆，孔祥錚，劉君敏

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

0 引 言

近些年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）在大眾生活中越來越常見，如VR 電影、VR 互動體感游戲等，VR 技術(shù)在不同領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，悄然興起了一股VR 的熱潮。在室內(nèi)空間設(shè)計中，VR 技術(shù)也帶來了新的機遇及挑戰(zhàn)，VR 技術(shù)本身的沉浸感以及互動性為室內(nèi)空間的前期準(zhǔn)備、用戶參與以及個性化訂購等均提供了新的發(fā)展空間[1-2]。

1 VR 技術(shù)在室內(nèi)空間設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢

VR 技術(shù)在室內(nèi)空間設(shè)計中應(yīng)用具有多方面優(yōu)勢，其中對設(shè)計師來講，可以減少自身的想象力壓力，設(shè)計過程中也能夠減少修改次數(shù)和難度，能夠?qū)⒃O(shè)計成果直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，有效降低人力、物力以及時間的浪費；對用戶來講，在室內(nèi)設(shè)計階段也就可以直觀地看到完成后的效果，便于結(jié)合自己的需求提出建議或者實施修改，更有助于滿足自身個性化設(shè)計需求。

2 基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)需求分析

在VR 技術(shù)下的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)建構(gòu)中，存在的功能需求主要有：

2.1 實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的可視化真實模擬

在室內(nèi)空間設(shè)計中，想要營造溫馨的室內(nèi)環(huán)境，就需要鮮艷色彩以及燈光的參與，這樣便可以在冷暖色以及燈光聚散應(yīng)用下，在室內(nèi)空間營造不同的氛圍。

2.2 數(shù)據(jù)共享

VR 技術(shù)下的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)主要包括有四個模型，分別是房屋模型、運動物體模型（家電、門、窗等）、家具模型以及裝飾模型（窗簾、床罩、壁畫、地面等）。在以上模型的應(yīng)用下建構(gòu)模型庫，室內(nèi)空間設(shè)計過程中便可以依照設(shè)計需求在模型庫中直接選擇相應(yīng)模型，且在三維虛擬場景中調(diào)入展開設(shè)計[3]。

2.3 交互性

交互性涉及到兩方面：第一是設(shè)計人員，在設(shè)計過程中能夠結(jié)合客戶需求，針對三維虛擬場景中的調(diào)入模型參數(shù)實施合理調(diào)整；第二是客戶，在完成室內(nèi)空間設(shè)計后，客戶針對設(shè)計效果實施漫游，更有助于確定相應(yīng)設(shè)計方案。該交互性均是建立在VRML 和Java 通信機理的基礎(chǔ)上，也就是在Java Applet 的應(yīng)用下實現(xiàn)VRML場景控制。以上場景控制是借助于附加封裝類EAI 實現(xiàn)[4-5]。通過以上類的應(yīng)用，便能夠?qū)崿F(xiàn)Java 程序?qū)RML 場景的訪問，也能夠?qū)嵤┦录慕邮找约鞍l(fā)送，從而在場景中得到場景對象，并針對VRML 場景有效實現(xiàn)實時動態(tài)控制。室內(nèi)空間系統(tǒng)建構(gòu)必須要具備以上設(shè)計功能，才能夠滿足設(shè)計人員設(shè)計需求，為用戶展示真實性、直觀性的設(shè)計效果。

3 基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)建構(gòu)，整體上來看主要包括有兩個功能，分別是輔助設(shè)計工作和結(jié)果漫游。針對室內(nèi)空間的設(shè)計工作主要包括有以下內(nèi)容：第一，結(jié)合客戶首次需求的敘述，在模型庫中調(diào)用不同模型，生成初始場景；第二，客戶漫游，在完成設(shè)計后，依照客戶反饋信息，針對方案不斷進行修改，以便確定最終設(shè)計方案。想要實現(xiàn)結(jié)果漫游，不但要在窗口上顯示生成的三維虛擬場景，同時也需要結(jié)合不同戶型結(jié)構(gòu)，完成其漫游路徑設(shè)計，從而為設(shè)計人員以及用戶觀察設(shè)計結(jié)果提供便利，然后通過共同討論確定最終設(shè)計方案[6]。結(jié)合功能劃分在系統(tǒng)中主要包括有設(shè)計模塊以及漫游模塊兩大模塊。其中本次室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)詳情如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 基于VR 技術(shù)的室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)建模技術(shù)

4.1 空間模型建構(gòu)

VR 技術(shù)下的室內(nèi)空間設(shè)計實施程序主要包括以下步驟：

1）先確定設(shè)計方案，通過AutoCAD 制圖軟件的應(yīng)用完成場景的基本平面圖紙繪制；

2）在對設(shè)計平面圖紙線條實施清理后，在SketchUp 中導(dǎo)入，創(chuàng)建相應(yīng)模型，并選擇不同材質(zhì)；

3）完成建模后，針對模型進行精簡，并在虛擬現(xiàn)實平臺中導(dǎo)入，以實現(xiàn)對材質(zhì)和燈光效果等元素的調(diào)整，并進行烘焙渲染，部分虛擬平臺上可以省略這一步；

4）基于虛擬現(xiàn)實平臺，對比分析設(shè)計方案、材質(zhì)以及尺寸等參數(shù)，以完成全面輔助方案設(shè)計；

5）生成可執(zhí)行文件、動畫以及效果圖等，為用戶選擇提供便利[7]?？臻g模型建構(gòu)流程如圖2 所示。

圖2 空間模型建構(gòu)流程

4.2 原始房型的快速建模

與設(shè)計人員的常用工具軟件相比，在原始房型模型建構(gòu)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表的構(gòu)件式造型系統(tǒng)，則有助于顯著提升設(shè)計效率，從而顯著減少設(shè)計人員的時間和精力投入。原始建筑形態(tài)創(chuàng)建中，將墻體尺寸數(shù)據(jù)全面地輸入其中，則能夠?qū)崿F(xiàn)房型的快速創(chuàng)建。在確定墻體起點后，也就能夠?qū)㈤L、寬數(shù)據(jù)在操作中直接輸入，基于連續(xù)輸入狀態(tài)便可以實現(xiàn)輸入前后的兩面墻體快速連接[8-9]。同時在建模過程中，通過軟件已經(jīng)設(shè)置好的命令進行墻體建構(gòu)，更有助于實現(xiàn)快速建模，比如系統(tǒng)中所支持的矩形以及多邊形命令。也便于實現(xiàn)門洞、窗洞等在墻體上的設(shè)置便利性。在將開洞命令激活后，只要能夠在其中一面墻上實施操作，輸入起點位置以及終點位置后，系統(tǒng)即會依照系統(tǒng)中的默認(rèn)門窗高度對墻體進行開挖，且將其設(shè)置成為所需門洞窗洞造型。另外，也能夠結(jié)合墻體局部坐標(biāo)原點位置，實現(xiàn)對門洞以及窗洞相對位置的調(diào)整，并且以上操作過程中命令的輸入均無需太長時間。

基于原有房間結(jié)構(gòu)，在組件技術(shù)的應(yīng)用下完成建模系統(tǒng)設(shè)計，只需要在對墻面選定后切換到修改面板，基于已經(jīng)完成創(chuàng)建的門洞窗洞，就可以實現(xiàn)對門套以及窗套的建構(gòu)。對于在以上操作，通過點擊其相關(guān)命令即可以完成。再結(jié)合門窗寬、高和墻體厚度下實現(xiàn)對門窗套的建構(gòu)，單面或雙面窗套均可以完成，再將窗套結(jié)構(gòu)選定后，也就可以繼續(xù)針對門套后窗套相關(guān)數(shù)據(jù)進行修改，詳情如圖3 所示。以上操作中門窗結(jié)構(gòu)及其套的設(shè)計都可以在短時間內(nèi)完成，且操作過程只是針對相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)和控制，系統(tǒng)本身就能夠?qū)崿F(xiàn)對已存在相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用，這樣更有助于提升工作效率，顯著減少設(shè)計時間。

圖3 組件建模技術(shù)

4.3 模型導(dǎo)入及空間設(shè)計

軟件系統(tǒng)可以有效支持3DS 格式和Mesh 格式等軟裝素材文件導(dǎo)入，導(dǎo)入相關(guān)文件后也就可以完成移動、縮放等相關(guān)操作。室內(nèi)空間設(shè)計過程中，也需要完成家具以及燈具等相關(guān)物品布置，在模型導(dǎo)入過程中需要實現(xiàn)和地面、墻面等的連接。因此通過系統(tǒng)中的相關(guān)指令就能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計人員在短時間內(nèi)將相關(guān)模型直接放置在指定位置。另外也可以完成模型中質(zhì)感以及貼圖紋理部分的修改操作，從而實現(xiàn)室內(nèi)空間整體設(shè)計風(fēng)格的統(tǒng)一[10-11]。對于創(chuàng)建的不同模型，也可以直接在系統(tǒng)中進行整理以及保存，對于應(yīng)用這一系統(tǒng)的個人或團隊，均可以完成相關(guān)資源的共享，從而能夠進一步提升工作效率，降低設(shè)計成本。其中圖4在以上基礎(chǔ)上，導(dǎo)入了相應(yīng)的櫥柜模型，且已經(jīng)迅速放置在指定位置。

圖4 軟裝模型導(dǎo)入過程

4.4 區(qū)域定位與幾何建模

在我國的室內(nèi)空間設(shè)計中，3ds MAX 的應(yīng)用比其他三維軟件更加成熟?；?ds MAX 軟件下的三維空間模型建構(gòu)詳情如圖5 所示，它可以針對室內(nèi)材質(zhì)以及燈光效果進行補充，且結(jié)合需求實施調(diào)節(jié)，完成后即可渲染出圖。在系統(tǒng)應(yīng)用中也可以完成室內(nèi)動畫場景路徑設(shè)置，完成攝像頭行進軌跡設(shè)計等，然而這樣的操作想要調(diào)整動畫場景，計算機需要具備有較高的性能[12]。所以，通常情況下，大部分室內(nèi)設(shè)計人員針對室內(nèi)空間設(shè)計的虛擬環(huán)境漫游，只是在3ds MAX 基本建模命令下實現(xiàn)。谷歌SketchUp 則是針對設(shè)計方案創(chuàng)作的一個設(shè)計軟件，在應(yīng)用過程中可以實現(xiàn)對設(shè)計人員創(chuàng)意構(gòu)思的快速、全面表達，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)和客戶之間的有效溝通交流。在其應(yīng)用下計算機也就可以實現(xiàn)對設(shè)計人員創(chuàng)意的直觀、迅速表現(xiàn)。另外在其動畫功能的應(yīng)用下，也能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的動畫場景漫游，使其在室內(nèi)空間設(shè)計中具有重要應(yīng)用價值。但是SketchUp 軟件在應(yīng)用中，和3ds MAX 軟件渲染效果真實性相比存在一定不足。

圖5 三維空間模型建構(gòu)

4.5 燈光、顏色、聲效與影效設(shè)計

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用和推廣，逐漸推動了室內(nèi)空間設(shè)計向圖像影音媒介時代發(fā)展。在虛擬現(xiàn)實語言的應(yīng)用下，能夠同時實現(xiàn)室內(nèi)空間中的實時顏色變化、影像效果、燈光以及聲音效果，傳統(tǒng)室內(nèi)空間設(shè)計中想要實現(xiàn)同步實時呈現(xiàn)具有一定難度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為人們提供了生動的視覺盛宴，最為顯著的特點即為能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)空間設(shè)計中的場景行走，同時也可以實現(xiàn)光效全程跟隨，可以在光影的變化下體現(xiàn)出時間的變化，進一步為用戶提供逼真的視覺效果。室內(nèi)空間設(shè)計中，通常是借助于不同顏色氛圍實現(xiàn)對不同環(huán)境的區(qū)分，設(shè)計人員在設(shè)計過程依照不同設(shè)計主題均可以采用不同顏色實施區(qū)分[13-14]。

通常是在模型貼圖和燈光設(shè)置中體現(xiàn)出顏色以及照明效果，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用下體現(xiàn)出聲音和影像效果。基于VR 技術(shù)呈現(xiàn)的照明光效與靜幀效果圖輸出的渲染燈光效果相比差異顯著，但是想要實現(xiàn)VR 技術(shù)呈現(xiàn)的照明光效這一目標(biāo)，這需要設(shè)計人員將之前設(shè)計和效果圖表現(xiàn)習(xí)慣徹底舍棄，從而去積極探索新的領(lǐng)域和新的方法。室內(nèi)空間設(shè)計中場景音效主要有兩種，分別是：整體音效，即為真實環(huán)境中存在的真實聲音，例如雨滴聲、海水流動聲音、城市汽車聲音等等；局部音效，這一音效和整體音效具有較大差異，這是為配合實際場景從而出現(xiàn)的個別聲音，只存在于個別環(huán)境中，例如鳥叫蟲鳴聲、音樂聲等。在局部音效問題解決過程中，重點是要對真實音效節(jié)點區(qū)域感應(yīng)實施控制，且需要優(yōu)化音效的開關(guān)設(shè)置。

4.6 嵌入式整合貼圖和文字標(biāo)識

基于VR 技術(shù)下的虛擬環(huán)境融合，在設(shè)計方案呈現(xiàn)中與之前方法具有差異，其針對設(shè)計作品呈現(xiàn)可以采用文字陳述結(jié)合效果圖講解方式。虛擬插入式編程在設(shè)計過程中的應(yīng)用，為設(shè)計人員作品呈現(xiàn)提供了便利，將設(shè)計方案展示轉(zhuǎn)變?yōu)榱松鷦?、簡潔直觀以及具有較大互動性的過程。在室內(nèi)空間或場景中，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬漫游，到達終點設(shè)計區(qū)域系統(tǒng)中就會自動出現(xiàn)注釋、配音或者圖文標(biāo)識等，和日常人們之間的聊天相類似，隨性又不突兀；在漫游過程中，也能夠設(shè)置動畫節(jié)點，可以選擇其中的按鈕對部分節(jié)點進行單獨了解，這樣能夠提升設(shè)計作品展示的生動性[15]。

例如，在其瑞典家具品牌的室內(nèi)空間設(shè)計過程中，應(yīng)用了VR 技術(shù)結(jié)合環(huán)境布局理念，給廣大消費者提供了針對產(chǎn)品顏色以及風(fēng)格搭配的虛擬操作平臺，在購物過程中消費者就能夠?qū)⑸唐反钆湓谝黄?，直觀地看到商品的搭配效果，如圖6 所示。

圖6 虛擬操作平臺設(shè)計

在未來的室內(nèi)空間設(shè)計中，VR 技術(shù)的應(yīng)用可能不再是設(shè)計人員全程主導(dǎo)完成，而是轉(zhuǎn)化為在設(shè)計人員的引導(dǎo)下讓用戶依照自己的需求及喜好進行設(shè)計，且在虛擬操作平臺中將其設(shè)計創(chuàng)意呈現(xiàn)出來。

4.7 優(yōu)化演示

以上提出的場景漫游是設(shè)計人員針對現(xiàn)場進行分析和定位，在對用戶心理以及相關(guān)需求等綜合分析下得出的，其提升了信息的多樣化以及人性化，不僅能滿足廣大用戶知識需求，也能夠滿足他們的虛擬環(huán)境感受要求。因此，對于設(shè)計人員而言需要學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識，才能夠有效掌握相關(guān)室內(nèi)空間設(shè)計的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

場景漫游一開始是針對場景實施全貌觀察，如圖7所示，之后才到局部室內(nèi)空間中分析。對于用戶的參觀流線可以在系統(tǒng)中提前設(shè)置，也可以在漫游中讓用戶依照自己喜好選擇，以能夠取得良好的漫游效果。針對室內(nèi)空間的景觀設(shè)計、家具布置等均可以從不同角度進行呈現(xiàn)，在部分細(xì)節(jié)處也可以設(shè)置講解聲音效果，添加影像效果等相關(guān)素材，對于室內(nèi)空間設(shè)計內(nèi)容具有重要豐富作用，也有助于提升內(nèi)容感染力。另外，基于VR 技術(shù)建構(gòu)的場景漫游，不但有助于降低成本，還可以獲取及時反饋效果，一方面可以減少設(shè)計人員的講解時間，另一方面能夠給用戶提供生動形象、全面的設(shè)計說明，進一步提升了用戶漫游體驗的便利性。

圖7 室內(nèi)設(shè)計場景漫游效果

目前部分公司已經(jīng)自主研發(fā)了三維虛擬仿真軟件，即使是在小空間處理中也能夠獲得和動畫類似的表現(xiàn)效果。同時，在完成實時三維空間環(huán)境以及自由交互漫游模式的建構(gòu)后，在系統(tǒng)上設(shè)置的相關(guān)操作命令，便可及時結(jié)合用戶需求對設(shè)計方案進行調(diào)整，也可以設(shè)置場景的三維模型、貼圖材質(zhì)等，真正地做到了“縮減即所得”，更有利于進行設(shè)計作品的修改和評價。VR 技術(shù)下的演示效果優(yōu)化過程中，可以和AE、FLASH 等軟件結(jié)合應(yīng)用，結(jié)合逼真的材質(zhì)效果和光影實時跟蹤等，這有助于進一步取得良好的漫游演示效果，為廣大用戶提供生動形象的體驗效果。

5 結(jié) 語

綜上所述，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用下，完成室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)的建構(gòu)，對于取得良好的設(shè)計效果，促進室內(nèi)空間設(shè)計行業(yè)的發(fā)展具有重要推動作用。總結(jié)來講，所取得的研究結(jié)論主要有：

1）基于網(wǎng)絡(luò)平臺上結(jié)合交互式開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效實現(xiàn)室內(nèi)空間設(shè)計系統(tǒng)的可視化設(shè)計，滿足室內(nèi)空間設(shè)計的生動、形象化呈現(xiàn)。

2）在室內(nèi)空間系統(tǒng)設(shè)計中，通過空間模型建構(gòu)、原始房型建模、模型導(dǎo)入以及嵌入式整合貼圖等技術(shù)的應(yīng)用，完成室內(nèi)空間設(shè)計。結(jié)合應(yīng)用三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，則能夠取得良好的室內(nèi)空間設(shè)計真實性和生動性，有助于進一步提高室內(nèi)空間設(shè)計內(nèi)容的豐富性，提升室內(nèi)空間和景觀設(shè)計內(nèi)容的感染力，同時對于用戶來講也能夠提供一定漫游便利，對于室內(nèi)空間設(shè)計發(fā)展具有重要促進作用。