三维虚拟建筑空间体验系统设计

罗晶 邓诗隆

关键词： 三维虚拟技术; 建筑空间; 用户体验; B/S结构; 动态交互; 3ds MAX

中图分类号： TN911.73?34; TU?859                文献标识码： A                文章编号： 1004?373X（2018）24?0137?04

Design of 3D virtual building space experience system

LUO Jing1， DENG Shilong2

（1. School of Design， Jiangnan University， Wuxi 214122， China; 2. Shanghai Tuozhen Architectural Design Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： Since the 3D virtual building space experience system based on the VRML can only realize static experience without dynamic interaction experience involved， and has poor user experience performance， a new 3D virtual building space experience system is designed. The B/S structure is used to divide the 3D virtual building space experience system into the customer layer， logic layer and data layer. The 3ds MAX 3D virtual modeling program and Photoshop software are used to construct the 3D model of building space on the basis of the 2D map. The X3D and 3D modeling program are used to conduct the modeling for elements of map， building， traffic and vegetation in the 3D virtual building space model. In the system， the framework and web tools of the Dreamweaver software are used to realize the static 3D virtual building space experience. The 3D virtual building space model is imported into the simulation software. After operations such as material and light settings for the model， the set model is imported into the VR?Platform software to set the model running window by using the plug?in， so as to realize the interactive 3D virtual building space experience. The experimental results show that the designed 3D virtual building space experience system has strong sense of reality and interaction performance， and high user experience performance.

Keywords： 3D virtual technology; building space; user experience; B/S structure; dynamic interaction; 3ds MAX

运用三维虚拟技术，能够令用户直观、具体地体验建筑空间仿真设计效果，直接感受建筑空间中各种建筑形态、周围环境、风景、装修风格、颜色等各个方面的建筑空间环境;也使用户进一步了解三维虚拟技术在建筑空间设计方面的运用，带动整个建筑行业科技水平的提升，并且使三维虚拟技术得到更广泛的应用。传统三维虚拟建筑空间体验系统仅能实现静态体验，在三维虚拟建筑空间体验上缺乏真实感、交互性差，用户体验性差。因此，本文设计新的三维虚拟建筑空间体验系统，提高三维虚拟建筑空间体验的真实性以及交互性，增强用户体验性能。

1  三维虚拟建筑空间体验系统设计

1.1  系统架构

本文通过B/S结构设计三维虚拟建筑空间体验系统，其由客户层、逻辑层、数据层构成。数据层内主要由储存X3D文件、XML DB以及建筑空间信息数据库构成。逻辑层内包含Web服务器与应用服务器。Web服务器用于收集浏览器发送的HTTP请求同时发送给应用服务器，应用服务器把Web服务器发来的HTTP请求转化为数据库辨识语句，并发送给数据库请求查询[1]。客户层用户直接从浏览器将请求发送给服务器（Web服务器、应用服务器），请求下载三维虚拟建筑空间场景文件，通过浏览器内的BS Contact插件将三维虚拟空间展示出来[2]。客户层人机交流主要利用JavaScript的API读取X3D文件，进而实现用户三维虚拟建筑空间交互体验[3]。

1.2  三维虚拟建筑空间建模

图1是三维虚拟建筑空间的建模路线图。三维虚拟建筑空间建模的位置数据是通过二维地图当作底图来展现的。运用3ds MAX三维虚拟建模程序构造建筑空间三维模型，完成三维虚拟建筑空间的三维搭建。三维虚拟建筑空间模型数据要与其属性信息相符合并且要加入纹理，纹理能够直观表现出实体以及环境的外在特点，通过Photoshop等软件操作后导进三维虚拟建筑空间模型[4]。建筑空间三维模型经过可视化操作把形态和色彩整合为一体，以数字地形为基础，全部模型构建在其上，依据其位置、角度、比例构建出完整的三维虚拟建筑空间模型[5]。

1.3  三维虚拟建筑空间模型中元素的建模

1.3.1  地图建模

地图建模方式共有三种：基于离散点建模、基于三角网建模、基于等高线建模。基于离散点建模运用离散点三维建模通过X3D将坐标信息转换成数字地图[6]。但该方法存在精度低、复杂度高的缺点。基于三角网建模是把所有地区建模成一连串相连的多形态三角形[7]。基于等高线建模则利用3ds MAX三维建模软件内的地形工具将等高线直接转换为三维模型，具有准确度高、操作简单等优点[8]。因此，本文采取基于等高线建模方法，对数字地图进行建模。

1.3.2  建筑物以及交通建模

建筑物建模过程包含三部分：远处建筑的模型构造运用贴图纹理方法，把建筑转换成对象属性值;数字区域建筑物采用外景体建模;室内场景的建筑物通过精细模型构造[9]。交通建模依照已经构建完成的数字地图和道路横纵坐标信息，包含道路、人行道、道旁栅栏三部分展开建模。道路部分因为形态简单，能够运用几何图形进行构建。

1.3.3  植被建模

植物建模主要有规则几何图形建模和三维构造建模两种方式。前者通过几何图形表达植物形状和大小，再采用纹理进行具体化表达，只适用于简单植被，不适合复杂度高的植被;基于三维构造的植被建模能够更清晰地表达繁杂的植被类别和形态。因此本文利用三维构造方式进行植被建模。

1.4  系统静态三维虚拟建筑空间体验实现

静态图像三维虚拟体验系统是通过Dreamweaver软件实现的，通过软件内的框架网页工具，把浏览器页面划分为多个小页面窗口，实现多个窗口展示多个Web页面，而且可以单独预览。框架是现在网页制作的通用工具，框架网页现在也应用广泛，它可以通过点击网页中的小图片，实现多角度观看视图的效果[10]，还可以通过框架内的空间布置元素按键连接多个网页页面，实现三维虚拟建筑空间的静态体验。

1.5  系统交互式三维虚拟建筑空间体验实现

将设置好的模型导入到VR?Platform软件中，运用该软件对模型运行窗口进行设置，选取原始视图，设定运行页面大小、像素、比列，用户通过本文系统观看交互式三维虚拟建筑空间体验效果如图2所示。

2  实验分析

2.1  成果分析与实例

图3为用户反馈的三维虚拟建筑空间体验效果图。图像呈现速度高达一百万点/帧;对常规图像进行计算时无卡顿感，三角面达到[114];本文系统能够满足用户的需求，在操作体验上达到了较高的水平。

2.2  三维虚拟建筑空间体验系统应用

实验以斗拱为例展示本文系统的应用过程。

1） 构建模型。根据斗拱组成部件进行分类，模型可以整体构建，相应信息录入到数据库中，完成建模。

2） 数据整理。构建完模型后，整理斗拱的相关人文信息如图4所示。

3） 模型发布。将完善好的模型发布到系统，斗拱的三维虚拟建筑空间交互展示效果如图5所示。

2.3  性能分析

实验在某城市中心随机选择100位市民，分成10组，采用本文系统、基于VRML的体验系统以及基于感知的体验系统，对设计的城市中心某建筑三维虚拟建筑空间的体验情况进行评分，获取的评分结果见表1～表3。

由表1～表3可以看出，本文系統的建筑空间用户体验各项评分均值都在90分以上，而其他两种三维虚拟建筑空间体验系统的各项评分均值都在85分左右，这充分说明了本文系统在用户体验上优于其他两种传统系统，验证了本文系统具有真实感强、交互性强等优点，具备良好的用户体验性能。

3  结  论

本文为了解决基于VRML的三维虚拟建筑空间体验系统无法进行动态交互体验的缺陷，设计三维虚拟建筑空间体验系统，其实现了建筑空间的静态体验以及动态交互式体验，具有较好的真实性及交互性。

参考文献

[1] 胡斌，苏效杰，吕元.北京地铁站域地下公共空间体验性分析[J].都市快轨交通，2015，28（5）：57?61.

HU Bin， SU Xiaojie， L? Yuan. Analysis on experience in underground public space in Beijing subway station domain [J]. Urban rapid rail transit， 2015， 28（5）： 57?61.

[2] PANG Z， GU X， WEI Y， et al. Bottom?up design of three?dimensional carbon?honeycomb with superb specific strength and high thermal conductivity [J]. Nano letters， 2017， 17（1）： 179?185.

[3] PINCELLI T， PETROV V N， BRAJNIK G， et al. Design and optimization of a modular setup for measurements of three?dimensional spin polarization with ultrafast pulsed sources [J]. Review of scientific instruments， 2016， 87（3）： 5146?5170.

[4] 廖明，周良辰，闾国年，等.人眼立体视觉空间与虚拟三维空间的几何映射关系理论分析[J].计算机工程与科学，2014，36（6）：1120?1126.

LIAO Ming， ZHOU Liangchen， L? Guonian， et al. Theoretical analysis of the geometric relations between human stereo visional space and virtual 3D space [J]. Computer engineering and science， 2014， 36（6）： 1120?1126.

[5] YU Zhenyu， YANG Kun. Based on the 3ds Max and Unity 3D design and implementation of a three?dimensional virtual campus system [J]. Computer knowledge and technology， 2016（7）： 224?227.

[6] 邢汉发，李长辉.基于三维空间技术的历史文化名城数字化建设[J].测绘工程，2014，23（3）：72?76.

XING Hanfa， LI Changhui. Digitalized construction of historic city based on 3D spatial technology [J]. Engineering of surveying and mapping， 2014， 23（3）： 72?76.

[7] 梁明，孙毅中，胡最.基于圖形识别的建筑模型三维重建[J].测绘科学，2014，39（1）：125?128.

LIANG Ming， SUN Yizhong， HU Zui. Reconstruction of 3D building models based on graphic symbol recognition [J]. Science of surveying and mapping， 2014， 39（1）： 125?128.

[8] SCRANTON S S， BEATTY T N. Providing virtual reality experiences based on three?dimensional designs produced using three?dimensional design software： 9367950 [P]. 2016?06?14..

[9] HONG Y， ZENG X， BRUNIAUX P， et al. Interactive virtual try?on based three?dimensional garment block design for disabled people of scoliosis type [J]. Textile research journal， 2016， 87（10）： 1261?1274.

[10] GUYNUP S. William Blake and the study of virtual space： adapting "the crystal cabinet" into a new medium [J]. Agriculture ecosystems & environment， 2016， 216（1）： 100?115.