基于计算机视频处理技术的环境艺术研究

吴展鹏

摘 要： 针对基于内容DSP的环境艺术研究方法存在对室内环境色彩搭配效果粗糙、渲染程度低、展示效果差等问题，提出基于计算机视频处理技术的环境艺术研究方法。该方法采用基于Quest3D的室内环境色彩变换系统实现室内环境色彩的合理搭配，其中的DIY交互模块确保用户对室内色彩实施控制，获取全方位的视觉体验。系统为用户提供了四种选色方式，实现对室内色彩的智能搭配。设计了系统进行数据采集与处理、三维模型建立、模型导入与材质设置以及系统合成的实现流程。系统采用基于求交优化的光线跟踪算法，对室内环境中的光照效果进行控制，得到最佳室内光照效果。实验结果说明，所提方法对色彩的搭配有很好的控制效果，室内色彩环境展示效果佳，运行效率高。

关键词： 计算机视频处理; 环境艺术; Quest3D; 色彩搭配; 智能搭配; 环境色彩; 视觉体验

中图分类号： TN911.73?34; TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0077?06

Abstract： The traditional environmental art research method based on content DSP has the problems of rough color collocation effect， low rendering degree， and poor display effect for indoor environment. Therefore， an environment art research method based on computer video processing technology is put forward， in which the indoor environment color conversion system based on Quest3D is used to realize the reasonable collocation of the indoor environment colors， and the DIY interactive module is adopted to ensure the control of user for indoor color and obtain the all?around visual experience. The system provides four color selection modes for its users， which can realize the intelligent collocation of indoor colors. The system was designed for data acquisition and processing， 3D model building， model import， material setting， and system synthesis. The ray tracing algorithm based on intersection optimization is adopted in the system to control the illumination effect in indoor environment， and acquire the best indoor illumination effect. The experimental results show that the proposed method has good control effect on color collocation， perfect exhibition effect of indoor color environment， and high operation efficiency.

Keywords： computer video processing; environmental art; Quest3D; color collocation; intelligent collocation; environmental color; visual experience

0 引 言

隨着我国经济的快速发展，人们的生活质量逐渐提升，人们对室内居住环境的需求越来越高。高质量的室内环境艺术规划能够满足人们的生活情趣以及文化修养等方面的需求，提高人们的生活质量。室内环境艺术研究融合了艺术和技术手段，具有较高的复杂度。色彩是室内环境艺术研究中的关键内容，有效的色彩搭配控制可提高室内环境色彩的艺术价值。由于计算机应用领域的不断扩大，计算机视频处理技术在室内环境色彩搭配控制方面的应用价值逐渐加强[1]。传统基于内容DSP的环境艺术研究方法存在对室内环境色彩搭配效果粗糙，渲染程度低，展示效果差等问题。针对该问题，本文提出基于计算机视频处理技术的环境艺术研究方法，增强室内环境的色彩搭配效果，为用户创造更好的居家环境。

1 基于计算机视频处理技术的环境艺术研究

1.1 室内环境色彩变换系统的总体设计

本文采用计算机视频处理技术对室内环境艺术进行研究，使用的计算机视频处理技术是Quest3D虚拟技术，设计了基于Quest3D的室内环境色彩变换系统。其总体结构图用图1描述，由转场动画和首页构成，其中首页包括颜色设计、智能搭配[2]、选色推荐以及DIY交互模块几个部分。系统通过色彩搭配来展现室内环境艺术的相关研究，转场动画的设计可提高室内设计的美感，增强整体环境艺术的性能和使用价值。

系统的硬件要求计算机可以支持I2S信息服务，拥有独立显卡，机身内存在500 MB以上。操作系统为Windows XP或更高版本。计算机需安装三维虚拟场景浏览插件和Quest3D 3D Web Player 3.6.4运行系统。

1.2 系统交互设计内容以及选色方式

1.2.1 交互设计内容

室内色彩的交互内容是指用户通过鼠标对室内色彩进行控制[3]，用户可以对室内色彩环境实施全角度浏览，通过室内场景替换得到不同组合的视觉享受。室内环境色彩的虚拟配色换色以用户的喜好为出发点，使用户能流畅地进行视觉体验，提升用户的使用兴趣。系统DIY交互模块的交互作用可使用户能简单明了地观察室内环境色彩的变化，其交互结构如图2所示。

DIY系统交互结构的内容有：动画结束之后进入首页，提示安装Quest3D 3D Web Player 3.6.4组件，在菜单中根据用户需求得出配色方案，根据得到的配色方案，将浏览模式设置成360°浏览[4]，并更换地板、家具等配色。若要对设置好的色彩进行更换也可进行初始化。

1.2.2 系统的选色方式

用户通过系统对室内环境色彩进行选择的方式用图3描述，可以看出具体的内容是：

1） 颜色DIY。打造专属的色彩搭配，选择墙面基本色系后按照喜好对墙面家居软装进行调整。

2） 智能搭配。涂料专家会在用户确定房屋内家具的材质后，自动提供专业的换色方案，以供用户筛选。

3） 选色推荐。专家会帮助用户打造专属风格，尤其是一些对色彩搭配知识了解较少的用户，会提供色彩倾向、色调选择等供用户选择。

4） 流行色。以当前流行的色彩为主体进行色彩搭配。

1.3 系统实现流程

系统实现室内环境色彩搭配的流程图用图4描述，具体内容如下：进行视频内容的数据处理，将采集到的视频资料进行整理分类，以便后续三维模型的制作;接下来是三维建模，并对模型进行优化;对各个场景进行优化处理后，将各个优化后的场景合成在一起。

1.3.1 数据采集与处理

虚拟现实内容包括两种：一种是现实中存在的场景或物品;另一种是现实中不存在的场景或物品，都是虚拟的。本文室内环境色彩变换系统对现实中存在的室内场景或物品色彩实施分析，在建立三维模型前收集的资料应该为数据的原始信息，室内色彩搭配的模型每一个可能都需要大量的纹理图案，所以要想复原现实中场景或物品，需要采用视频软件或扫描仪等对原始资料进行收集[5]。室内环境色彩变换系统数据采集包括三维模型中的颜色、材质和属性。为实现Quest3D室内环境色彩变换系统与Flash互动界面的联系，就要对采集的数据进行规范管理和运用。基于Quest3D的室内环境色彩变换系统中墙面、天花板等基础装饰数据，为了能够满足换装系统的复合属性要求并被两个基于Flash和Quest3D数据库兼容，则将这些装饰数据用涂料色卡进行保存。木质家居、地板等数据可通过对实物进行拍照扫描得到以图片格式保存的材质数据。室内家居软装都可按照当前市场的流行趋势与室内颜色结合进行搭配，将配色结果输入配色数据库。

1.3.2 三维模型建立

虚拟现实内容的对象是各个室内环境中的元素，通过对各室内色彩元素进行建模来实现对它的虚拟，就可实现对现实对象或场景的仿真。本文在建模前对房间按照风格分类，除了按照市场主流装修风格分类外，还要考虑到使用者的喜好，房间分类后选择与房间风格符合的家装图片，挑选需要建模的物品[6]，模型建立的原则要能够强烈地体现室内的色彩装修风格，确保物品的纹理清晰可辨。选定需建模的物品后，确定要在基于Quest3D的室内环境色彩变换系统中换色的物品。所有在Quest3D室内环境色彩变换系统中换色的物品分为三类：一类是可换色物品，包括墙面家居软装等;一类是根据装修风格确定的，不可改变的物品;第三类是对不同材质的物体进行换色[7]。在该系统下物品应在模型中明显表现，体量不可过小，图5为古典卧室的换色物件。

在进行换色建模过程中，先假定成某种材料，但没有材料的单色素模，因为单色素模的建立需要考虑材料自身的特性，如墙面的光滑度、對光线的反射作用等。墙面的基本参数在室内风格确定后固定不变，若用户选择的物品与默认配色不同，则用所选颜色的RGB值与光线、素模参数综合计算得到符合用户所选和室内环境的配色。因此，在一个房间的换色模型建立中，所有物品的换色都根据单色素模而定，可换色物体根据所选颜色作为模型中的自变量，采用Quest3D技术对换色模型实施识别后，综合其他数据将整体环境表现出来。

1.3.3 模型导入与材质设置

本文系统的制作环境是3ds Max软件，对颜色的配色换装在Quest3D下进行。为了实现基于Quest3D的室内环境色彩变换系统，需要在3ds Max中进行建模和渲染，然后将渲染好的模型导入Quest3D系统中。具体实现需要在3ds Max软件中安装一款插件，产生一种叫[.cgr]格式的文件，再利用Quest3D下的File>Open Pro打开模型并产生一种新材质，新材质与Quest3D内所有材质的定义方式一致且都能被Quest3D分辨。Quest3D系统支持图片格式，包括.bpm，.jpg，.ppm等。本文系统导出图片格式均为.dds，这种格式的图片可以直接被中央处理器调用，且已压缩的状态存储解压也无需等待，能够高效地提高渲染效率。

1.3.4 系统合成

本文设计的基于Quest3D的室内环境色彩变换系统由Flash动画和Quest3D界面构成，以互联网的形式发布室内环境色彩变换结果，对路径选择、墙体配色选择以及确定整体墙面的颜色方向都在Flash动画界面完成，然后将Flash动画结果传达给Quest3D，Quest3D在三维实时虚拟配色界面进行渲染操作[8]，实现用户在Quest3D界面进行换色操作和视觉漫游。系统合成重点是将Flash和Quest3D界面分散在不同的浏览器中进行。Flash动画操作中的步骤都是单行不可逆的，但在Quest3D界面中步骤是可逆的且可改变。Flash动画界面对选定的物品进行更改后得到的结果进行封装导入到Quest3D界面，輸出结果固定。

本文通过Quest3D的室内环境色彩变换系统对室内颜色进行搭配来研究计算机视频处理技术的环境。Quest3D的室内环境色彩变换系统能够提升用户对室内颜色搭配的满意度，进而提升计算机视频处理技术对环境艺术的研究，Quest3D的室内环境色彩变换系统与原来的视觉体验不同，传统的颜色搭配需面对各种图纸，依靠设计师的解说，无法让用户直观地感受室内环境。而各种颜色材料的不同搭配[9]，让用户体会不同的方案，更加能够确认自身的要求。

1.4 基于求交优化的光线跟踪算法

系统为了对室内环境中的光照效果进行控制，将基于求交优化的光线跟踪算法应用到三维室内设计的光照效果实现过程中，进而得到室内环境的最佳光照效果。设置室内光线的起点坐标为[O（Ox，Oy，Oz），]单位向量坐标为[V（Vx，Vy，Vz），]则本文光线的方程表达式为：

1.4.2 球面求交优化

球体属于常用的室内物体，因为求交过程容易，且法向量固定地从球心出发，计算步骤较少。设室内光线起点的坐标为[（X0，Y0，Z0）]，

2 实验结果与分析

采用实验对本文系统进行测试，目的是对本文系统的功能进行提高和完善，完成室内环境色彩的合理搭配。本文系统的色彩搭配共有4种方式，实验对本文系统的一种配色路径进行测试，演示结果如图6所示。

分析图6可得，登录本文系统后，彩虹颜色逐渐变淡直至消散，牧羊犬进入画面，撞翻颜料，颜料将黑白界面的一角染成彩色，逐渐将整个界面渲染成彩色，说明本文系统实现了色彩的有效渲染。

图7，图8是系统开场动画结束后进入到系统首页界面，若电脑内没有安装三维虚拟现实场景浏览插件Quest3D 3D Web Player 3.6.4，系统会提示安装插件。首页界面会有色彩推荐选项，进入配色后系统会提供房间整体的设计感觉、室内色彩的色调和装饰风格等，然后用户可以根据自身需求对模式进行调整。分析这两幅图能够得出，本文系统准确实现了室内色彩的配色和调色，能够对室内环境进行有效配制，完成室内环境艺术的合理规划。

统计的样本容量为80位成年人，其中，男性和女性各40名，其中40人的学历为本科以上，且都对色彩搭配熟悉度较差，分析图11中的调查结果可得：

1） 相对于传统基于内容DSP的室内环境色彩变换系统，本文系统在吸引力、操作简便、参与感、展示效果以及运行速度五个方面的评分都较高，说明本文系统可实现对室内环境色彩的合理搭配，在室内环境艺术研究应用中具有较高的优势。

2） 本文系统进行了三维模型的建立，对色彩搭配的效果更加突出，用虚拟现实技术让用户切身感受到色彩搭配的真实感，系统还具有提高色彩的还原度，方便操作的优势。

3） 本文系统物品材质的选择都是从现场直接采集，可以确保购买的物品材质满足用户所需，附加的渲染和烘焙效果可提高物品的现实度。

4） 本文系统打开时增加的动画，增强了用户体验的视觉美感，进而提高了系统的美观性，体现了设计的人性化。

5） 本文系统经过展示后的效果显示良好，提高了用户的满意度。

6） 本文系统理论上操作性良好，系统渲染效果良好。

3 结 语

本文采用计算机视频处理技术下Quest3D的室内环境色彩变换系统对室内环境色彩进行合理搭配，实现环境艺术的高效研究，调查结果显示，本文所提方法创造了用户满意度较高的居家环境。

参考文献

[1] 段茜，邹其徽.基于视频图像处理的单摆振动特性研究[J].光学技术，2015，41（2）：128?131.

DUAN Qian， ZOU Qihui. Research on simple pendulum oscillation character based on video processing [J]. Optical technique， 2015， 41（2）： 128?131.

[2] 李晓光，刘宏哲，袁家政.基于GPU实时视频处理的多投影融合系统研究[J].计算机科学，2015，42（9）：285?288.

LI Xiaoguang， LIU Hongzhe， YUAN Jiazheng. Multi?projector displays system research based on GPU real?time video proces?sing [J]. Computer science， 2015， 42（9）： 285?288.

[3] 黄文辉，冯瑞.基于Spark Streaming的视频/图像流处理与新的性能评估方法[J].计算机工程与科学，2015，37（11）：2055?2060.

HUANG Wenhui， FENG Rui. A novel performance evaluation method for processing video/image stream based on Spark Streaming [J]. Computer engineering & science， 2015， 37（11）： 2055?2060.

[4] 黄铁军，郑锦，李波，等.多媒体技术研究：2013——面向智能视频监控的视觉感知与处理[J].中国图象图形学报，2014，19（11）：1539?1562.

HUANG Tiejun， ZHENG Jin， LI Bo， et al. Visual perception and processing for intelligent video surveillance： a review [J]. Journal of image and graphics， 2014， 19（11）： 1539?1562.

[5] 邹虹，曾鑫，温鑫.基于两视点视频融合技术的裸眼3D显示的研究[J].液晶与显示，2014，29（5）：824?829.

ZOU Hong， ZENG Xin， WEN Xin. Glasses?free 3D display based on two?view video synthesize technology [J]. Chinese journal of liquid crystals and displays， 2014， 29（5）： 824?829.

[6] 贺杰，郭慧，李琳.基于视觉颜色对比敏感度模型的动态视频压缩预处理算法[J].计算机应用研究，2016，33（8）：2552?2556.

HE Jie， GUO Hui， LI Lin. Dynamic video compression preprocessing algorithm based on visual color contrast sensitivity model [J]. Application research of computers， 2016， 33（8）： 2552?2556.

[7] 邱玉娇，王敬东，俞海波，等.雾天视频稳像的预处理技术研究[J].红外技术，2014，36（4）：298?303.

QIU Yujiao， WANG Jingdong， YU Haibo， et al. Research on preprocessing technology of video image stabilization in foggy days [J]. Infrared technology， 2014， 36（4）： 298?303.

[8] 赵德伟，王永超.基于多DSP与FPGA的视频处理平台硬件设计[J].电视技术，2014，38（9）：75?80.

ZHAO Dewei， WANG Yongchao. Hardware design of video disposal system based on multi?DSP with FPGA [J]. Television technology， 2014， 38（9）： 75?80.

[9] 王新蕾，刘乃丰，夏济海.基于DirectShow的视频处理Filter组件设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（13）：46?50.

WANG Xinlei， LIU Naifeng， XIA Jihai. Design and implementation of video processing Filter module based on DirectShow [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（13）： 46?50.

[10] 高林，王璐，闫磊，等.基于关键帧提取技术的花开过程视频监测系统开发及试验[J].农业工程学报，2014，30（1）：121?128.

GAO Lin， WANG Lu， YAN Lei， et al. Development and experiment of blooming video monitoring system based on key frame extraction method [J]. Transactions of the Chinese society of agricultural engineering， 2014， 30（1）： 121?128.