基于混合現(xiàn)實技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計應(yīng)用研究*

王 麗

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421000）

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，和人工智能、量子計算并稱為三大未來顯著提高生產(chǎn)率和體驗感的主要技術(shù)，是當(dāng)下各領(lǐng)域重點關(guān)注的焦點。MR 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計行業(yè)中，憑借其沉浸性和強交互性的特點，能實現(xiàn)真實世界和虛擬世界融合的三維可視化，更加直觀地展示室內(nèi)設(shè)計的各空間效果和細(xì)節(jié)工藝。在建筑、室內(nèi)領(lǐng)域，借助全息MR 設(shè)備，從業(yè)者可以看到3D 設(shè)計模型在真實環(huán)境中的全貌[1]，為優(yōu)化設(shè)計方案和提高工作效率提供了有力支撐。在當(dāng)前積極推動室內(nèi)設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展的背景下，越來越多設(shè)計師將MR 作為技術(shù)創(chuàng)新的重要切入點，以期更好地挖掘室內(nèi)設(shè)計的潛能。

1 混合現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1 泛虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)起步于20 世紀(jì)80 年代，相較于國外起步晚，但這些年發(fā)展迅速，目前VR 技術(shù)已成熟應(yīng)用于游戲娛樂領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域等都有卓越的貢獻。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，從社交、娛樂到電商、旅游，都能看到AR 技術(shù)身影的存在。諸如在電商領(lǐng)域，應(yīng)用AR技術(shù)進行帽子、眼鏡的試戴，方便消費者挑選合適的產(chǎn)品。而混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術(shù)雖晚于前兩者，在工業(yè)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、娛樂領(lǐng)域等領(lǐng)域，都擁有了諸多成功的落地案例。諸如湖南首例MR 骨科手術(shù)的實施——該手術(shù)應(yīng)用MR 技術(shù)，在手術(shù)過程中將患者的全息影像疊加到患者真實的髖部和現(xiàn)實手術(shù)環(huán)境中，實現(xiàn)現(xiàn)實和數(shù)字化匹配，醫(yī)生戴上MR 眼鏡，就如同變成透視眼，精準(zhǔn)地定位和切除患者的病灶部位。在建筑領(lǐng)域，利用MR 技術(shù)具有的現(xiàn)實與虛擬融合的特性，可將建筑設(shè)計的模型疊加到施工人員的視覺場景中，與建筑施工圖紙等傳統(tǒng)的方式相比，MR 呈現(xiàn)的方式直觀易理解，可更好地提高施工效率。

1.2 混合現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實的關(guān)系

VR，顧名思義，就是在虛擬環(huán)境中發(fā)生的交互式體驗，虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

主要是通過計算機技術(shù)，逼真模擬真實世界的虛擬環(huán)境，通過使用一些交互設(shè)備，能使人產(chǎn)生沉浸感和臨場感。用戶可以帶上VR 頭盔，里面的畫面隨著頭腦的擺動而相應(yīng)呈現(xiàn)出不同畫面，仿若置身于真實世界一般，但它是利用電腦技術(shù)構(gòu)筑而成的虛擬世界（見圖1）。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

AR 技術(shù)是通過將真實的環(huán)境和虛擬的信息實時疊加在一起，不僅同時展示了現(xiàn)實世界的信息，而且將虛擬的信息展示出來，以達(dá)到增強現(xiàn)實的效果。因為需要將現(xiàn)實場景和虛擬信息進行結(jié)合，所以要通過圖像識別技術(shù)來進行現(xiàn)實世界的識別（通常包括環(huán)境識別、物體識別、人臉識別），進而在現(xiàn)實世界中疊加虛擬信息。近年來，隨著AR 技術(shù)的快速發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、虛擬訓(xùn)練、武器研制、娛樂藝術(shù)等領(lǐng)域。

三“R”被業(yè)內(nèi)統(tǒng)稱為泛虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其相同之處都是以計算機技術(shù)為核心。VR 技術(shù)和AR技術(shù)的區(qū)別在于，VR 是通過計算機技術(shù)創(chuàng)建逼真的三維虛擬環(huán)境；而AR 技術(shù)是將虛擬信息疊加到真實世界以達(dá)到增強現(xiàn)實的效果，其特點是將虛擬信息帶入現(xiàn)實世界；MR 技術(shù)是在AR 技術(shù)和VR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，既包括VR 技術(shù)，又包括AR 技術(shù)，是將虛擬信息和現(xiàn)實世界進行完美融合從而產(chǎn)生新的可視化環(huán)境，其最大的特點是在虛擬中保留現(xiàn)實，將現(xiàn)實轉(zhuǎn)化為虛擬，從而生成交互式逼真場景并實現(xiàn)實時互動。

1.3 混合現(xiàn)實技術(shù)的特點

MR 技術(shù)，業(yè)內(nèi)常認(rèn)為其是升級版的AR 技術(shù)，具有結(jié)合虛擬和現(xiàn)實、3D 注冊、實時運行3 個特點[2]。虛擬和現(xiàn)實結(jié)合指的是使虛實融合于一體顯示在同一視線中，在MR 技術(shù)所展示的現(xiàn)實和虛擬合并的新可視化環(huán)境中，物理和數(shù)字化對象能同時存在，且數(shù)字化對象能以非常逼真的存在方式融入現(xiàn)實世界中，打破真實空間和虛擬空間的隔離性，并就此達(dá)成交互，給人渾然一體的真實體驗感；3D 注冊，是對現(xiàn)場場景中的物體進行跟蹤和定位，其中虛擬場景準(zhǔn)確定位到真實環(huán)境中的過程稱之為注冊，三維注冊就是實現(xiàn)虛擬物體可與現(xiàn)實世界的精確對準(zhǔn)；實時運行，將虛擬世界、現(xiàn)實世界與用戶通過觸摸、體感、語音、手勢等方式進行實時交互，形成現(xiàn)實、虛擬和用戶間構(gòu)建信息交互反饋的回路，用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間可以進行溝通和交流[3]。

2 混合現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計中的優(yōu)勢

室內(nèi)設(shè)計是一門綜合性很強的學(xué)科，它對設(shè)計從業(yè)人員的設(shè)計能力和實踐操作能力都有較高的要求，從設(shè)計表達(dá)、燈光照明、工藝技術(shù)到裝修選材，每一處細(xì)節(jié)的變化都影響著室內(nèi)設(shè)計的最終效果。傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計常存在落地現(xiàn)場圖與設(shè)計效果圖差距大、空間的展示具有局限性、工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜難表達(dá)等難題，這些問題在一定程度上影響了室內(nèi)從業(yè)人員的專業(yè)能力的提升和最終落地的設(shè)計方案的效果。MR 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計中，是在其傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上使用先進技術(shù)手段進行輔助，從而一方面滿足客戶的多元化需求和沉浸式體驗需求，另一方面MR 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計中，也提升了設(shè)計師的設(shè)計水平和工作效率。

2.1 形成深度沉浸效果，優(yōu)化室內(nèi)空間體驗感

應(yīng)用MR 技術(shù)可將原本圖像化、文字形態(tài)的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw化、可視化的設(shè)計，將原本復(fù)雜的設(shè)計表達(dá)手法和工藝內(nèi)容通過全息技術(shù)轉(zhuǎn)化為真實可視的三維逼真環(huán)境效果，并將真實空間和模擬出的逼真室內(nèi)模型進行融合，生成虛擬和現(xiàn)實難以區(qū)分的MR 環(huán)境。將其用于室內(nèi)設(shè)計洽談階段中，能夠?qū)崿F(xiàn)客戶移動終端的直觀展示和深度沉浸效果?？蛻敉ㄟ^佩戴MR 頭顯設(shè)備，可以360°直觀感受室內(nèi)設(shè)計的最終效果，隨著客戶視線的移動變化，追蹤裝置跟蹤客戶視線并快速實現(xiàn)客戶真實空間坐標(biāo)和虛擬場景坐標(biāo)間的匹配關(guān)系，將真實場景和虛擬場景完美融合并反饋給客戶，從而為客戶創(chuàng)造深度的空間沉浸式體驗，促進快速成單。

2.2 強交互性，大幅度提升設(shè)計水平和工作效率

室內(nèi)設(shè)計涉及的專業(yè)門類多樣復(fù)雜，且在實際的設(shè)計過程中需結(jié)合室內(nèi)設(shè)計的具體要求和特點，因而對設(shè)計從業(yè)者的技術(shù)和實操能力要求較高，對缺少經(jīng)驗的設(shè)計人員而言，無形中增加了難度。MR 技術(shù)可根據(jù)室內(nèi)設(shè)計職業(yè)的訴求，就其所具備的真實性、實時交互性強的特點進行虛擬和現(xiàn)實的深度融合，并就室內(nèi)設(shè)計的各個階段進行模擬可視化和互動性操作，這能讓設(shè)計人員更好地參與到各階段的具體操作和實施中去。沉浸式的模擬與實踐能夠使設(shè)計人員快速進入工作狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，促進建筑室內(nèi)設(shè)計人員水平的進一步提高[4]。從而大幅提升設(shè)計人員的工作效率，便于設(shè)計人員進行室內(nèi)設(shè)計與實施，并就施工效果進行階段性對比和驗收。MR 技術(shù)作為一項新興技術(shù)，對于提升設(shè)計水平、優(yōu)化設(shè)計過程以及改善設(shè)計環(huán)境等方面具有重要意義，但還需進行進一步完善與發(fā)展，增強此項技術(shù)的現(xiàn)實意義[5]。

3 基于混合現(xiàn)實技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計應(yīng)用研究

MR 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計中，主要體現(xiàn)在虛擬素材資源庫的構(gòu)建、沉浸式的效果體驗和強互動性操作3 個方面。

3.1 室內(nèi)三維影像模型資源庫的建立與整合

MR 技術(shù)能夠以真實環(huán)境和虛擬信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建出虛實結(jié)合的室內(nèi)空間。因而為了更好地進行現(xiàn)實和虛擬的融合與互動，在室內(nèi)設(shè)計中，虛擬資源庫的建立和豐富顯得尤為重要。虛擬資源庫主要由三維影像模型所組成，進行三維影像模型制作的第一步是通過常規(guī)三維建模軟件進行建模，其模型在設(shè)計時需具備基本的移動、縮放、旋轉(zhuǎn)等功能，三維影像模型可通過FBX 格式導(dǎo)出，導(dǎo)出的模型能在常規(guī)的三維軟件如3Ds Max 或CAD、Sketch UP 中進行材質(zhì)的更換調(diào)整，修改調(diào)整的模型通過FBX 格式導(dǎo)出，最后經(jīng)編程成可實現(xiàn)的三維影像模型。MR 技術(shù)借助三維注冊技術(shù)將三維影像模型（如天花造型）精確注冊在真實空間環(huán)境中，并通過交互技術(shù)（眼動交互或手勢交互、語音交互）進行模型的放大縮小和拆卸、組裝，由于室內(nèi)設(shè)計涉及室內(nèi)空間各界面裝飾和家具、燈飾、布藝軟裝飾品、綠植等方面的搭配設(shè)計，在進行三維影像模型建設(shè)時需考慮模型資源庫品種的全面性和完整性。

3.2 基于混合現(xiàn)實技術(shù)的沉浸式室內(nèi)設(shè)計流程

傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計方案通過圖紙和效果圖呈現(xiàn)，具有一定的局限性，以MR 技術(shù)作為用戶和環(huán)境的導(dǎo)向媒介，通過MR 技術(shù)進行全息投影，將室內(nèi)設(shè)計方案進行在線設(shè)計和展示，能夠幫助設(shè)計人員更快地接觸室內(nèi)設(shè)計的空間設(shè)計、各界面設(shè)計及設(shè)計搭配等，沉浸式的可視化效果可幫助設(shè)計人員直觀看到室內(nèi)空間效果，從而可快速地進行調(diào)整和進一步細(xì)化。

具體的操作是設(shè)計從業(yè)者佩戴HoloLens 就能做到將虛擬三維影像模型與真實環(huán)境完美融合，佩戴者能根據(jù)視覺的變化和走動看到實時更新的動態(tài)導(dǎo)向信息，仿佛身臨其境，完全沉浸于當(dāng)前的空間環(huán)境中；室內(nèi)空間中各界面的設(shè)計（地面、立面、天花的設(shè)計），采用MR 技術(shù)能夠進行全息投影，將真實的空間與虛擬資源模型進行融合，將虛擬界面模型疊加融合到現(xiàn)實的空間界面上，進行在線設(shè)計，空間效果快速直觀地呈現(xiàn)在眼前，且虛擬的室內(nèi)界面模型的各項分部都能夠通過HoloLens 進行滑動、抓取等虛擬觸控手勢來完成交互的操作指令，并通過視動交互技術(shù)和語音交互技術(shù)進行全屋漫游和模型拆解更換，呈現(xiàn)最終的室內(nèi)設(shè)計效果。MR技術(shù)真實的現(xiàn)實視覺效果和強交互性特點能大幅度提升設(shè)計人員的新鮮感與自我獲得感，基于這一特點，將MR 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計中，通過沉浸式設(shè)計進行行業(yè)的變革突破，加速行業(yè)的發(fā)展。

3.3 提升交互性，增強目標(biāo)客戶多感官體驗

皮亞杰指出：人的認(rèn)知發(fā)展源于與所處環(huán)境物體交互所發(fā)生的動作[6]。傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計作品因技術(shù)的局限性往往只能通過圖片等靜態(tài)的形式來展示室內(nèi)風(fēng)格和布局、裝飾，客戶只能根據(jù)圖片了解一個大概的空間效果，對于室內(nèi)的大小感受、動線走向、材質(zhì)肌理、空間氛圍等都難以感同身受，MR 技術(shù)打破了傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計模式，將現(xiàn)實空間與虛擬資源完美融合，滿足客戶想要的視覺沉浸感，同時其優(yōu)越的交互性可以更加逼真地、生動地傳達(dá)室內(nèi)信息，并達(dá)成感官互動，使客戶獲得了傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計在現(xiàn)實世界無法實現(xiàn)的參與感。現(xiàn)階段，MR 技術(shù)的交互技術(shù)主要通過HoloLens 來實現(xiàn)，其各個傳感器采集的信息都通過頭戴設(shè)備計算并處理。具體操作是客戶佩戴MR 頭顯設(shè)備進入其現(xiàn)實的室內(nèi)空間與虛擬模型融合的場景中，此時客戶的可視范圍為一個以用戶頭部為視點的錐形區(qū)域范圍，當(dāng)佩戴者往前走或移動視線時，其空間的視覺范圍也會根據(jù)客戶定位和視覺跟蹤系統(tǒng)進行快速的轉(zhuǎn)換。若客戶想通過DIY 進行室內(nèi)家具的更換和移動時，可通過注視、手勢或者語音等方式進行交互。例如，通過手勢進行交互時一般采用直接用手操作，用手抓取、拖動虛擬模型的方式，并在頭顯設(shè)備中能夠得到相應(yīng)的視覺反饋。除視覺體驗外，在室內(nèi)設(shè)計中MR 技術(shù)結(jié)合觸覺反饋技術(shù)，為虛擬模型和人之間建立信息溝通的橋梁，通過觸覺反饋技術(shù)能讓客戶感受到室內(nèi)各種材質(zhì)的觸感肌理。實際操作中，客戶佩戴力反饋設(shè)備如觸覺手套HaptX，就可以感受到虛擬模型的真實存在，感受其軟硬和紋理狀態(tài)。MR 技術(shù)通過提高客戶的視覺、觸覺等感官體驗，能夠讓客戶直觀地觀看到真實空間通過設(shè)計表達(dá)所呈現(xiàn)的空間特點，而其交互性又加強了人與室內(nèi)設(shè)計的互動交流，使客戶能夠主動參與到室內(nèi)設(shè)計中來，拉近設(shè)計者和用戶之間的距離，真正做到以用戶為中心的設(shè)計。

4 結(jié)束語

MR 技術(shù)作為一種融合現(xiàn)實世界與虛擬世界的新技術(shù)，因在教育、醫(yī)療、娛樂領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛而備受關(guān)注，在室內(nèi)設(shè)計中，MR 技術(shù)所提供的沉浸式和強交互性的體驗，滿足了室內(nèi)設(shè)計想要達(dá)到的逼真感和深沉浸式、空間展示與互動的效果，突破了傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計模式的局限性，很好地解決了室內(nèi)設(shè)計領(lǐng)域存在的問題。隨著MR 技術(shù)深度融入室內(nèi)設(shè)計中，未來將給室內(nèi)設(shè)計行業(yè)帶來翻天覆地的變化。

目前MR 技術(shù)還處于快速發(fā)展中，仍然存在一些技術(shù)上的問題需要去攻克。例如，設(shè)計行業(yè)應(yīng)用MR 技術(shù)，存在前期投入成本高、可利用的資源少、MR 技術(shù)還不太成熟的問題，在實際的室內(nèi)設(shè)計應(yīng)用過程中并不能非常完美的實現(xiàn)混合現(xiàn)實效果，還存在一些技術(shù)上的問題需要行業(yè)慢慢去解決。