室内软装三维模拟系统的设计与实现

蒋芳

摘 要： 介绍了系统研发平台，将OpenGL与Direct3D作为三维程序开发工具，为了提高真实度，将3ds MAX 7.0软件作为三维模型的制作工具。通过硬件抽象层HAL和硬件仿真层HEL实现Direct3D的驱动，对室内软装三维场景进行制作。依据室内软装场景元素给出代理区域，将代理区域合理布局问题看作确定目标空间最优分布位置问题。依据室内装饰学获取先验知识，与功能需求相结合确定约束条件，形成约束代价函数，通过求解函数实现室内软装布局。实验结果表明该系统设计的室内软装真实感强，系统缺陷少。

关键词： 室内软装; 三维模拟系统; 设计; 布局; 约束; 场景元素

中图分类号： TN02?34; TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0087?04

Abstract： The research and development platform of the system is introduced， in which the OpenGL and Direct3D are used as the three?dimensional program development tools， and the 3ds MAX 7.0 software is used as the authoring tool of 3D model to improve the reality. The driving of Direct3D is realized by means of hardware abstraction layer （HAL） and hardware emulation layer （HEL） to fabricate the 3D scene of indoor soft decoration. The agent area is given according to the scene elements of the indoor soft decoration， and its rational layout is regarded as the problem to determine the optimal distribution location of the target space. The prior knowledge obtained by indoor decoration is combined with the functional requirement to determine the constraint condition， and form the cost function of constraint. The layout of the indoor decoration is realized by means of the solving function. The experimental results show that the indoor soft decoration designed by the system has strong reality sense and less system defects.

Keywords： indoor soft decoration; three?dimensional simulation system; design; layout; constraint; scene element

0 引 言

当前，我国经济迅猛发展，人们的生活水平大大提升，对居住品质的要求越来越高。室内软装设计是室内设计的关键，近年来在整体装修中的重要程度越来越高[1?2]。但在展示室内软装设计方案时，设计师需从不同厂家采集样本，从而设计满足用户需求的室内软装，耗费了大量的人力物力。因此，设计一种室内软装三维模拟系统具有重要意义，能够为室内软装设计师带来极大的便利，使用户更加直观地了解设计的软装[3]。

传统三维模拟系统主要采用几何造型建模方法和利用设备得到场景信息建模方法，前者成本低，然而真实感较差，后者开发工具性能差，真实感无法达到令人满意的程度[4]。针对上述系统的弊端，设计与实现了一种新的室内软装三维模拟系统。

1 室内软装三维模拟系统的设计与实现

1.1 系统研发平台

确定系统的研发平台：操作系统采用Windows 7系统，将OpenGL与Direct3D作为三维程序开发工具，将3ds MAX 7.0作为三维模型及动画制作工具[5]。

OpenGL与Direct3D均属于程序接口。在建模过程中，OpenGL图形库能够提供简单的点、线、多边形绘制函数，还能够提供相对复杂的曲线、曲面绘制函数。在跨平台应用研发过程中，OpenGL能够在Unix，Windows 7以及MAC平台上工作，其体系结构能够令桌面系统把室内软装图形处理交由服务器处理。Direct3D是通过Microsoft Windows操作系统研发得到的3D绘图编程接口，为DirectX的组成部分。Direct3D API通过相同方式对硬件特性进行抽象处理，由此可实现不同三维加速硬件相异特性的隐藏。

为了使构建的软装模型更具真实性，采用当下最常用的3ds MAX 7.0软件作为三维模型的制作工具。对于较复杂的模型，或许会用到与3D MAX相关的插件[6]。

1.2 Direct3D体系结构

Direct3D主要由两类驱动器构成：第一类驱动器通过硬件抽象层HAL实现。HAL为直接与硬件联系的抽象层，同时也是一种驱动程序，一般由生产商提供。当硬件可以直接支持所需实现的功能时，硬件抽象层才会被应用，由此实现加速;另一类驱动器通过硬件仿真层HEL实现，当硬件无法支持所需实现的功能时，硬件仿真层会通过软件模拟这些功能，从而完成指定任务。

Direct3D包括大量的C/C++头文件以及组件对象模型的接口。其中，头文件存在多个种类与数据结构，通过它们向操作系统传递装置信息，根据这些信息对三维模型的外观进行控制[7]。

通过Direct3D实现室内软装三维场景制作，整个过程分为三个层次，每个层次为一个独立的动态加载软件模块。在制作开始阶段，先通过Direct3D API调用为各模块构建相应图形，再引入运行缓存。首层模块为变换模块，对室内装饰出现的几何变换进行处理;光照模块位于第二层，主要对室内的光照进行计算，能够对不同类型的光源进行处理;第三层为绘制模块，根据上两层模块输出内容构建最终室内软装场景。对于上述模块，可采用软件对其进行转换，因此可采用拥有较强功能的模块取代相应模块。部分模块可实现与硬件加速器的通信，此时整个过程中的任意层次都能够采用硬件实现加速。

1.3 用户登录注册模块设计

用户可在系统登录界面中的登录框中输入用户名与密码登录系统，未注册用户通过注册即可登录系统，登录成功后即可进行系统的各种操作。用户注册登录图如图2所示。

1.4 室内软装代理区域布局

软装包括室内的家具、家电、灯具、饰品等物件，将这些定义为场景元素，并在此基础上又定义了代理区域，其指的是能够一起实现某种功能的一组物件[1，8]。

2 实验结果与分析

图3描述的是用户进入本文系统后界面，其中左边图标可为用户提供设计工具，右边可为用户提供不同软装模板。用户可按照自己的设计方案对室内软装进行三维模拟，也可在本文系统提供模板的基础上实现三维模拟。

通过本文设计系统对休闲椅进行三维模拟，利用设计效果图验证本文系统的有效性。

首先对休闲椅的椅靠背和椅座面造型进行三维模拟，通过倒角方体制造一个长、宽、高依次为40 cm，40 cm，10 cm，圆角1.5 cm倒角的长方体，将其看作休闲椅坐面雏形，依据用户喜好设置不同参数，同时复制椅座面雏形，调整角度将椅靠背和椅座面结合在一起，如图4所示。

然后对椅座面和靠背形状进行调整，进入命令面板中的控制点面板，用户可按照自己的喜好任意调整控制点，如图5所示。

经本文系统调整后形态渲染效果如图6所示。

完成椅靠背和椅座面的三维模拟后，通过线绘制椅腿造型，将其添加至椅靠背和椅座面，调整好的休闲椅三维模拟图如图7所示。

综合分析上述实验结果可知，本文系统能够令用户自主实现休闲椅的三维模拟，真实感强，验证了本文系统的有效性。

3 结 语

本文设计了一种室内软装三维模拟系统。介绍了系统研发平台，对室内软装三维场景进行制作，确定室内软装布局。实验结果表明，所设计系统真实感强，系统缺陷少，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 朱子君，张玉龙，崔玲玲，等.基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（4）：111?114.

ZHU Zijun， ZHANG Yulong， CUI Lingling， et al. Design and implementation of large?scale building landscape 3D simulation system based on BIM technology [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（4）： 111?114.

[2] 李杰奇，孔福，彭健.基于数据驱动的航天器三维可视化系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（6）：267?271.

LI Jieqi， KONG Fu， PENG Jian. Design of 3D visualization system for spacecraft based on data driven [J]. Computer measurement & control， 2017， 25（6）： 267?271.

[3] 石敏，王俊铮，魏家辉.真实感三维虚拟场景构建与漫游方法[J].系统仿真学报，2014，26（9）：1969?1974.

SHI Min， WANG Junzheng， WEI Jiahui. Virtual scene construction and roaming [J]. Journal of system simulation， 2014， 26（9）： 1969?1974.

[4] 秦山虎，赵雪峰，翟云龙，等.基于Revit平台的精细化装饰施工系统研发与应用[J].施工技术，2014，43（3）：59?61.

QIN Shanhu， ZHAO Xuefeng， ZHAI Yunlong， et al. Development and application of fine decorative construction system based on Revit platform [J]. Construction technology， 2014， 43（3）： 59?61.

[5] 李景丽，高玲.三维虚拟现实技术在煤炭分布远程网络监控系统设计[J].科技通报，2017，33（1）：97?100.

LI Jingli， GAO Ling. 3D virtual reality technology in coal distribution remote network monitoring and control system design [J]. Bulletin of science and technology， 2017， 33（1）： 97?100.

[6] 孟美辰，程冰洁.三维地震资料观测系统设计中的关键参数[J].科学技术与工程，2014，14（36）：6?11.

MENG Meichen， CHENG Bingjie. The key parameters in 3?D seismic data observation system [J]. Science technology and engineering， 2014， 14（36）： 6?11.

[7] 吴珊丹，鲁晓波，闫凤.城市建筑物三维可视化逼真度优化设计仿真[J].计算机仿真，2017，34（1）：388?391.

WU Shandan， LU Xiaobo， YAN Feng. Optimization design and simulation of 3D visualization of urban buildings [J]. Computer simulation， 2017， 34（1）： 388?391.

[8] XUE T， ZHAO Y， CUI S， et al. Design and implementation of manned submersible semi physical simulation system [C]// Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Qingdao， China： IEEE， 2016： 155?160.