基于VR技術(shù)的建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局仿真研究

沈 雷,宋季蓉,張 丹

(1. 華北科技學院藝術(shù)設(shè)計學院,河北 廊坊 065200;2. 大連理工大學建筑與藝術(shù)學院,遼寧 大連 116024)

1 引言

建筑室內(nèi)設(shè)計的主要目標是在有限的室內(nèi)空間中,最大限度上滿足用戶需求[1]。當前,人們對于建筑室內(nèi)設(shè)計的要求逐漸提升,建筑室內(nèi)設(shè)計與裝飾行業(yè)與相關(guān)的布局技術(shù)也形成飛速發(fā)展的態(tài)勢[2]。建筑室內(nèi)空間布局是室內(nèi)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[3],因此需研究一種具有實際應(yīng)用性的建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局方法。

李琳與王旭鵬將多目標遺傳算法引入室內(nèi)空間布局優(yōu)化過程中[4],在室內(nèi)空間數(shù)學模型基礎(chǔ)上,采用多目標遺傳算法解決空間布局問題。劉天亮與顧雁秋等人研究室內(nèi)空間布局方法[5],基于局部間斷性閾值檢測生成候選布局方案,在此基礎(chǔ)上采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取布局類型實現(xiàn)精細布局。但上述布局方法均是在理論上進行布局,若在施工過程中產(chǎn)生偏差,只能返工修改,導(dǎo)致效率大幅下降。同時若用戶的理解不到位,則有較大概率導(dǎo)致最終的布局設(shè)計結(jié)果無法令用戶滿意。針對這些問題。研究基于VR技術(shù)的建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局方法,VR技術(shù)能夠無限接近實際的視覺、聽覺、觸覺等感受[6],通過交互體驗可有效提升用戶的滿意度。

2 建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局方法

2.1 建筑室內(nèi)空間模型構(gòu)建

將建筑室內(nèi)空間環(huán)境投影至二維xoy平面中,由此生成一個封閉的空間。為獲取建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局需對室內(nèi)空間實施歸一化處理[7],確定空間尺度與朝向。將坐標系引入建筑室內(nèi)空間,設(shè)置y軸正方向與坐標原點分別作為建筑室內(nèi)空間的入戶方向與空間頂點的最小坐標,坐標軸的x軸與y軸分別同建筑室內(nèi)空間的寬度值(W)和長度值(L)相對應(yīng)。

以(Kx,Ky)表示建筑室內(nèi)空間的入口坐標,對其實施歸一化處理,也就是在建筑室內(nèi)空間局部坐標系下對入戶門坐標信息實施歸一化處理。以D、R和S分別表示建筑室內(nèi)空間形狀的伸展度、長寬比以及面積,通過D和S能夠分別描述建筑室內(nèi)空間趨于矩形的水平與無規(guī)則邊緣形成的多邊形面積。

若將建筑室內(nèi)空間的幾何特征表示為F,則其可利用下式描述

F=(Kx,Ky,D,R,S)

(1)

建筑室內(nèi)空間的功能區(qū)域即為建筑室內(nèi)空間布局對象[8],以

(xp,yp)表示布局對象位置坐標屬性,計算公式如下

(2)

式(2)內(nèi),x和y分別表示xoy平面內(nèi)x軸與y軸上布局對象位置點的坐標值,xp與yp的取值范圍為[0,1]。若ξp為朝向?qū)傩?通過式(3)描述

(3)

式(3)內(nèi),ξ表示建筑室內(nèi)空間中布局對象的朝向角度。

若(lp,wp)為尺寸尺度,通過式(4)描述

(4)

式(4)內(nèi),ly和lx分別表示建筑室內(nèi)空間中布局對象的長度值和寬度值。

基于上述屬性能夠得到建筑室內(nèi)空間中布局對象M的布局屬性π(M)

π(M)=(xp,yp,ξp,lp,wp)

(5)

針對將要進行布局的建筑室內(nèi)空間,通過虛擬現(xiàn)實平臺導(dǎo)入其二維圖紙,定義布局對象的布局屬性,生成建筑室內(nèi)空間的三維空間模型。

2.2 布局元素的3D模型構(gòu)建

根據(jù)所構(gòu)建的三維空間模型,以布局對象的布局屬性為約束,對不同布局對象內(nèi)的布局元素進行一比一建模,并實施渲染與烘焙處理。

在3D Studio MAX平臺內(nèi)構(gòu)建布局元素3D幾何模型,確定布局元素形狀特征提取的過程為

i=0,1,2,…,L-1

(6)

以布局元素屬性特征Q(i)為基礎(chǔ)進行布局元素光學成像的立體匹配,由此實現(xiàn)布局元素的畫面效果渲染,完成建筑室內(nèi)空間布局對象內(nèi)不同布局元素的色彩、形態(tài)與圖案等的立體匹配[9],在構(gòu)建布局元素的多層次細節(jié)過程中選用分離面裁剪方式,通過設(shè)定屬性值確定顏色的匹配度,確定函數(shù)表達式如下

(x,y)={g(x,y)-1g(x,y)-Lee(x,y)≥t

g(x,y)+1g(x,y)-Lee(x,y)

g(x,y)else

(7)

(8)

布局元素模型構(gòu)建過程中,可依照建筑室內(nèi)空間的不同用途,不同風格以及個人喜好等構(gòu)建不同樣式的布局元素模型,以此構(gòu)建布局元素模型數(shù)據(jù)庫,基于該數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)建筑室內(nèi)空間不同局部對象內(nèi)各類布局元素的隨意調(diào)用,由此獲取最優(yōu)布局方案。

2.3 生成可交互的布局VR場景

在上述構(gòu)建布局元素模型數(shù)據(jù)庫內(nèi)選取合適的布局元素,將該布局元素的3D模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實平臺內(nèi)實施編輯,定位布局元素模型,編輯界面,生成建筑室內(nèi)空間布局場景的交互效果,設(shè)置運行窗口,利用雙目攝像機進行漫游控制,發(fā)布可交互的建筑室內(nèi)空間布局場景。

雙目攝像機漫游控制是通過同時控制兩個虛擬單目攝像機的位置與位姿完成建筑室內(nèi)空間三維布局場景漫游[13]。依照其運動特性,結(jié)合導(dǎo)航手柄漫游控制的便利性要求,提出基于六自由度虛擬機器人的運動控制方法,以虛擬機器人控制取代攝像機漫游控制,完成建筑室內(nèi)空間布局漫游控制。以prs和pls分別表示轉(zhuǎn)回角矢量和視線向量,利用這兩個參數(shù)能夠描述雙目攝像機的漫游位姿轉(zhuǎn)變情況[14]?；诖嗽跇?gòu)建三維攝像機局部坐標系過程中,可利用這兩個參數(shù)分別作為z軸與x軸,由此利用一個虛擬的桿件取代三維虛擬攝像機。

虛擬機器人的前三個關(guān)節(jié)是確定其末端位置的關(guān)鍵,通過輸入設(shè)備得到;后三個關(guān)節(jié)是完成布局場景交互漫游控制過程中攝像機自轉(zhuǎn)、搖擺與俯仰控制的關(guān)鍵,由操作人員確定。由輸入設(shè)備獲取位置坐標,將位置控制點定義為新的局部坐標系,在此基礎(chǔ)上將設(shè)備的自轉(zhuǎn)、搖擺與俯仰角度作為已知量構(gòu)建末端桿件姿態(tài)矩陣,對其進行求解可確定末端桿件的姿態(tài),由此確定建筑室內(nèi)空間布局場景的交互漫游控制過程中攝像機的位姿表達式。

以第六桿件為布局場景的交互漫游控制過程中雙目攝像機的對應(yīng)桿件,其位置與位姿受第四桿件與第五桿件的影響。以?表示第四桿件以Z軸為中心的自轉(zhuǎn)角度,控制雙目攝像機的自轉(zhuǎn)運動;以φ表示第五桿件以Z軸為中心的旋轉(zhuǎn)角度,其主要功能為控制雙目攝像機的俯仰運動;以σ表示第六桿件以z軸為中心的旋轉(zhuǎn)角度,用于控制雙目攝像機的搖擺控制。以4P0表示第四桿件相對于基坐標系的位置,其在x軸、y軸與z軸的分量分別以Px、Py和Pz表示。通過輸入設(shè)備確定σ、φ、σ和4P0,并將它們作為攝像機實施運動控制的已知條件。依照虛擬機器人不同桿件間的運動關(guān)系能夠確定不同虛擬桿件間的齊次變化矩陣,公式描述如下

(11)

上述公式內(nèi),R(A,ε)和Trans(A,δ)分別描述局部坐標系繞A軸旋轉(zhuǎn)ε角所構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣和依A軸平移δ所形成的平移矩陣?；谏鲜鲞^程,依照DH運動學方法得到布局場景的交互漫游控制過程中雙目攝像機的位姿,公式描述為

(12)

在建筑室內(nèi)空間布局場景的交互漫游控制下,實現(xiàn)布局對象中不同布局元素的顯隱、布局元素材質(zhì)的替換以及不同元素的替換與調(diào)整的功能,最終發(fā)布可交互的建筑室內(nèi)空間布局場景。

1)不同布局元素的顯隱。用戶在了解建筑室內(nèi)空間布局的相關(guān)信息時,既可以獲取空間布局的渲染效果,還能夠確定空間內(nèi)不同布局對象中不同局部元素的結(jié)構(gòu),提升用戶對于空間布局了解的清晰度與透徹性,以此提升用戶的安全感。

2)布局元素材質(zhì)的替換。建筑室內(nèi)空間布局中不同局部對象內(nèi)不同元素材質(zhì)的替換功能能夠令用戶根據(jù)自身需求與喜好布局室內(nèi)空間,提升用戶對于空間布局的滿意度[15]。確定布局元素與相應(yīng)的幾塊材質(zhì)貼圖,通過點擊物體的相應(yīng)組件你能夠?qū)⑵涓鼡Q成不同的材質(zhì)。

3)不同布局元素的替換與調(diào)整。建筑室內(nèi)空間布局過程中,用戶根據(jù)自身喜好對不同布局對象內(nèi)各類布局元素進行替換與調(diào)整,不僅可以充實空間布局的功能,還可令用戶產(chǎn)生身臨其境感,提升用戶的對于空間布局的參與度與滿意度,獲取最優(yōu)布局方案。

3 仿真分析

實驗為驗證本文所研究的基于VR技術(shù)的建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局方法在實際空間布局中的應(yīng)用效果,以某高層建筑為仿真對象,采用本文方法,利用3D MAX軟件與虛擬現(xiàn)實平臺對其室內(nèi)空間進行布局,所得結(jié)果如下。

3.1 空間布局結(jié)果

針對仿真對象內(nèi)的接待空間、居住空間與商業(yè)空間,采用本文方法進行空間布局。針對不同布局對象內(nèi)的不同元素構(gòu)建三維模型并進行渲染,結(jié)果如圖1所示。

圖1 布局元素模型構(gòu)建與渲染

由圖1得到,采用本文方法能夠準確構(gòu)建不同布局元素的三維模型,并對模型進行渲染,獲取充分接近現(xiàn)實的布局元素。匯集所構(gòu)建的布局元素模型,構(gòu)建布局元素模型數(shù)據(jù)庫。圖1所示為仿真對象空間內(nèi)不同布局對象中布局元素的處理。

由圖2得到,采用本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同布局元素的顯隱與替換處理,滿足實際布局應(yīng)用需求。

圖2 布局元素的處理

針對仿真對象,基于不同布局對象內(nèi)不同布局元素的處理,得到仿真對象內(nèi)各類空間的布局結(jié)果,如圖2所示。

由圖3得到,采用本文方法對仿真對象進行布局時,針對不同的空間類型,利用VR技術(shù),通過顏色與光線的搭配得到較好的視覺沖擊效果,最大限度上接近真實的布局效果,通過布局元素的處理能夠得到適用于該空間類型的最優(yōu)布局結(jié)果。

圖3 空間布局結(jié)果

3.2 還原度客觀對比

建筑室內(nèi)空間模型構(gòu)建的準確度是本文方法有效實現(xiàn)的基礎(chǔ),為評價本文方法建筑室內(nèi)空間模型構(gòu)建的準確性,以室內(nèi)空間布局屬性還原度為評價指標,對采用本文方法構(gòu)建的仿真對象室內(nèi)空間模型進行評價,還原度取值在[0,100]區(qū)間內(nèi),取值越高表示本文方法所構(gòu)建的建筑室內(nèi)空間模型真實度越高。所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 還原度計算結(jié)果

分析圖4能夠得到,采用本文方法確定的仿真對象內(nèi)不同局部對象的布局屬性的還原度均高于96%,均值達到97.5%左右,由此證明本文方法所構(gòu)建的仿真對象空間模型真實度較高。

3.3 性能對比

以文獻[4]中采用多目標遺傳算法的布局方法和文獻[5]中基于由粗至精的布局方法為對比方法,對比本文方法與對比方法在進行仿真對象空間布局過程中的布局屬性計算效率、布局元素信息飽和度以及布局場景交互漫游控制中的規(guī)劃均方根誤差,所得結(jié)果如表1所示。

表1 性能對比測試結(jié)果

分析表1得到,本文方法進行仿真對象室內(nèi)空間布局的各項性能指標均優(yōu)于兩種對比方法,由此說明本文方法的可應(yīng)用性更強,在建筑室內(nèi)空間布局中具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文研究基于VR技術(shù)的建筑室內(nèi)空間最優(yōu)布局方法,在建筑室內(nèi)空間模型構(gòu)建基礎(chǔ)上,構(gòu)建布局元素三維模型,生成布局元素數(shù)據(jù)庫,通過對不同布局元素的處理與布局場景的交互獲取最優(yōu)布局方案。實驗結(jié)果顯示采用本文方法進行布局過程中視覺效果較好,能夠最大程度上接近實際現(xiàn)實世界中的布局效果,在建筑室內(nèi)空間布局中具有較好的應(yīng)用前景。