基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法研究

胡家强 吴锋

摘 要： 平面效果图以及动画播放方法设计出的室内景观虚拟效果，存在实时交互性和真实沉浸感差的弊端，用户满意度低。因此，设计基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法，其采用VRML/X3D技术实现室内景观的虚拟设计，通过VRML语言模型塑造室内景观虚拟设计的软件架构，给出方法的室内景观虚拟设计流程。分析室内户型以及样本间主要场景的仿真实现。采用VRML浏览器实现室内景观虚拟漫游系统，通过X3D技术塑造室内建筑景观虚拟漫游系统模块结构，设计X3D函数流程，提高室内景观虚拟交互功能。实验结果说明，所提方法设计出的室内景观虚拟效果更加真实，并且沉浸感强，具有较高的用户满意度。

关键词： 三维视觉； 室内景观； 虚拟设计方法 ；VRML/X3D技术； 虚拟交互功能； 虚拟漫游系统

中图分类号： TN911.73?34； TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0040?04

Abstract： The virtual effect of the indoor landscape designed by means of animation playback method and planar effect diagram has the disadvantages of poor real?time interaction and reality immersion， and low user satisfaction. Therefore， an indoor landscape virtual design method based on 3D vision is designed， in which the VRML/X3D technology is used to realize the virtual design of indoor landscape， and the VRML language model is adopted to establish the software architecture of indoor landscape virtual design. The flowchart of the indoor landscape virtual design is given. The simulation implementation of the main indoor scene of the prototype room and house type is analyzed. The VRML browser is used to realize the virtual roaming system of indoor landscape. The X3D technology is adopted to establish the module structure of virtual roaming system of indoor building landscape. The X3D function flow is designed to improve the virtual interactive function of indoor landscape. The experimental results show that the proposed method has real indoor landscape virtual effect， strong immersion and high user satisfaction.

Keywords： 3D vision； indoor landscape； virtual design method； VRML/X3D technology； virtual interaction function； virtual roaming system

0 引 言

虚拟现实技术是当前计算机领域研究的关键技术，其能够在多维信息空间中塑造和谐的交互环境，在室内景观虚拟设计中具有重要的应用价值。当前建筑行业的竞争压力和多样化需求逐渐提升，大量的建筑公司将直观形象的三维虚拟现实技术应用到室内景观虚拟设计中，设计出用户满意度高的室内场景，提高收益[1]。传统平面效果图以及动画播放方法设计出的室内景观虚拟效果，存在实时交互性和真实沉浸感差的弊端[2]。而VRML/X3D技术是一种重要的虚拟现实技术，其能够实现室内景观的虚拟展示设计，VRML（Virtual Reality Medaling Language，虚拟现实建模语言）对塑造虚构的室内三维场景模型语言进行设置，X3D（Extensible3D，可扩展三维）对在多媒体中整合基于网络传感的交互三维图像的国际规范实施了定义。因此，本文提出基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法，采用VRML/X3D技术实现室内景观的虚拟设计，完成室内三维虚拟场景的漫游，提高室内景观逼真性建模以及交互功能。

1 基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法

1.1 软件架构

本文基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法的软件架构用图1描述，其分为6个部分，分别是互联网售房，样板间预览，整体室内景观虚拟化游览，客户的基本信息归纳整理等。利用三维视觉的虚拟化设计提高室内景观的真实沉浸感。

1.2 工作方式

互联网B/S结构是室内景观虚拟设计系统的基础。在服务器端（Server）所给的VRML文件中也包括其他要素，如动画、影像、声音等，这些都与客户计算机平台毫无关系。Clicnt端能使用本机浏览器中的VRML插件做出虚拟现实场景，并且能依靠网络下载所需要的文件。为了更方便快捷地在本地电脑里实现虚拟现实工作，VRML文件可以依靠本身数据量小，缩减传输量来完成[3]。如图2所示，设计师使用个人电脑在其中进行虚拟环境和建造模型的设计，并用虚拟的产品模型与之融合，在此基础上利用外部程序操控开展现实交互。将这些数据整合归纳，连接服务器。这样就可以让参观者从Intemet连接服务器，对其所用数据进行下载，其中的模型可以利用浏览器进行实时渲染，此时这台电腦就可以作为一个桌面虚拟现实系统实现虚拟漫游。

在关于真实感受方面，虚拟构造的展示场景更容易让人接受。与常规的展示设计相比，虚拟空间展示可以全部模拟出现实场景，参观者可以完全参与其中，与其互动，大大增加了场景的真实性[4]，而不是单一静止地展示环境。

1.3 室内景观虚拟设计流程

可以按照软件工程的思想指导来划分项目，用以实现系统。其目标分别为需求分析，可行性分析，系统分析，详细设计，开发，交付，试运行等。从室内景观虚拟设计要求来说，首先要建立小区环境场景建模。使用VRML语言编辑和可视化虚拟设计软件[5]，二者搭配使用分批建造几何模型；其他大场景再使用部分小场景拼合。室内景观虚拟设计流程如图3所示，具体描述为：

1） 采集数据。关于各种参考数据的采集，用于数据建模期。

2） 房地产相关产品的基本模式建立。房地产开发小区的构成分为三大类：楼房，分别为基脚模型、户型模型和楼梯模型等；各个房屋户型，分别为地面、窗户、墙面、门等；还有小区环境，分别为小区大门模型、小区楼房模型、小区内公共设施模型[6]和小区内景观模型等。

3） 展示模型可以用ISB软件或者编程方式合并出来的一些基本模型，如组合小区环境模型、组合楼房模型、组合楼梯模型等。

4） 在建筑环境的体验中，对于小区大门新增的自动感应功能和模拟现实小区常见的电动伸缩门等，都更强烈地加深了与展示对象的互动感。

5） 建立网络主页、主体网络和网站，还应连接虚拟文件（*.wrl）。

6） 系统的网络发布，上传系统是系统设计的收尾工作。

2 主要场景仿真实现

2.1 户型

门、窗、墙面、地面等基础模型构成户型模型。一套房屋的立体模型由ISB模型基础组合而成。把墙面颜色的改变功能和其他互动效果集中在一起展示，弥补了模型数小的缺点。VRML的触摸传感器节点是完成这项功能的核心技术。图4为户型效果图。

2.2 样板间仿真实现

只有在户型实现的基础上才能实现样板间模型仿真。利用VrmlPad（或X3D?Edit）软件的Transform节点编程来完成对模型地面、墙面的添加材质（拍摄好的实木地板瓷砖等）的影像。模型外观属性可以利用模型节点造型来完成。其中，某个使用于造型的纹理映象被Texture域所定义，某个二维纹理坐标被TextureTransform域定义在纹理映射中作为造型时，为了使映射出的模型更具备真实感，必须再三调试scale的坐标变换值。若要依循设计师的设计为房屋添加装饰品、家装用品，则等需要在地面和墙面映射结束以后（之前需要的基础模型制作已经结束）利用ISB软件可视化来确定这些模型组合在房间里的位置[7]。同样地M1pad（或X3D—Edit）软件的Transform节点编程也可以做到这些。样板房模型界面截图如图5所示。

2.3 室内景观虚拟漫游系统的实现

2.3.1 VRML浏览器

浏览器能够自由地在移动状态模式和静止查看模式之间实施切换，原因是浏览器设置有非常科学的控制面板，并且在兼容性、速度、质量和扩展能力等方面也具有先进水平。例如，本地硬盘可以使用播放插件下载上一节所列的VMRL资源站点。浏览器播放插件在被准确安置后，双击资源管理器中的.wrl文件，隐藏的播放插件页面便可以打开，针对其中的三维场景实施各种设置[8]，播放插件的控制面板控制着三维场景目前的操作，其中分为运动行走模式和审视观察模式两个部分。

2.3.2 室內建筑景观虚拟漫游系统模块结构

本文通过X3D技术塑造室内建筑景观虚拟漫游系统模块结构，程序函数包括显示、数据链表更新建立、控制消息捕获、输入X3D格式文件等[9]，室内建筑景观虚拟漫游系统模块结构如图6所示。

本文通过X3D函数中的X3D数据接口和碰撞检测模块，对数据进行访问和更新，提高室内景观虚拟交互功能。针对数据的访问和更新，可以由碰撞检测完，再由X3D函数端口负责数据更新。而建立程序本身的数据链表最初阶段依据X3D的数据格式创建，用户控制消息由消息捕获模块进行收获，然后直接由碰撞检测模块对消息实施解析[10]，显示器直接显示输出结果。X3D函数流程图如图7所示。

3 实验分析

3.1 运行效果

采用Virtual Reality Platform软件和本文方法对某酒店房间室内景观虚拟运行效果进行设计，模型导入如图8所示。

为了获取建筑漫游系统更准确的优劣区别，划分了5个不同的场景漫游。详细场景数据如表1所示。

图9是某酒店房间室内景观运行效果图。分析图9可得，本文方法塑造的室内景观虚拟效果真实有效，并且具有较高的沉浸感。

3.2 性能检测

实验采用用户调查问卷措施，检测采用本文设计方法和传统设计方法设计的某酒店房间的室内景观后，不同用户对该室内场景的感兴趣度。实验对入住该酒店房间的100个客户发放调查问卷，收回有效率是100%，通过不记名的百分制进行打分，调查问卷中存在用户对室内景观的直观感受评分、使用简便性评分、艺术效果评分以及感兴趣度评分等，将调查问卷分割成10组，对10组调查问卷的平均分进行汇总，结果如表2和表3所示。

4 结 论

本文提出基于三维视觉的室内景观虚拟设计方法，采用VRML/X3D技术实现室内景观的虚拟设计，提高了室内景观的真实沉浸感和用户满意度。

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