基于虚拟现实技术的三维住宅景观交互式设计

张 艺

(黄淮学院建筑与工程学院, 河南驻马店 463000)

近年来，随着计算机技术的快速发展，虚拟现实技术逐渐进入了人们的生活之中。虚拟现实技术是一种基于视觉技术、三维动画制作技术以及计算机图像技术的综合技术。利用计算机图像建模和处理的方式可以在计算机屏幕上制作一个虚拟空间。使用者可以自由地在这个虚拟空间内进行移动并在虚拟场景内与虚拟模型进行实时交互。目前，虚拟空间的漫游式应用一直都是虚拟技术在各种不同类型的虚拟现实技术领域的热门方向。漫游式系统技术是基于虚拟现实技术实现的多功能情境与环境模拟。它使使用者能够在虚拟空间中以最大的真实度和最丰富的体验对虚拟空间中的不同场景进行感受，并能够体验各种不同的功能。

与传统的二维显示方法相比，基于虚拟现实技术的漫游式系统拥有着明显的优势。在虚拟现实技术的漫游式系统下，使用者能够在虚拟场景中自由移动，并选择最喜欢的角度观察虚拟场景的模拟景观，从而在最大程度上满足使用者的个性化需求。使用者能够对产品进行预览，从而对产品宣传和快速推广。因此，虚拟现实技术下的三维住宅景观漫游系统的设计具有着极高的实用价值。

1 虚拟现实漫游式系统技术发展

虚拟漫游式技术起源于20世纪40年代，主要由军方用于对飞行员的飞行轨迹进行模拟，后来逐渐进入民用领域。美国处于这一领域的研究前沿，代表了虚拟现实技术的最高水平。在欧洲和日本，所有国家都对这一新兴技术给予了高度重视，并积极进行着虚拟现实应用系统的研究、开发与应用。2012年，日本东京的秋叶原在亚洲CG节上展示了可触摸的虚拟现实漫游式系统。中国对于虚拟现实技术的研究起步较晚。但在国家政策和政府机构的强大支撑下，中国也开始对此技术进行了研究与探索并实现了快速发展。

2 三维虚拟场景模型的设计方法

3D MAX有着强大的建模和动画模拟能力。与平面图像相比，在使用3D MAX进行分析时，我们能够得到更加具体的、生动的和更加便于理解的结果。与此同时，3D MAX能够准确地展示模拟场景中虚拟人物的移动、人物的互动过程以及景观的不同角度。通过这一系统，使用者可以以极高的自由度对景观进行探索，并获得虚拟现实的体验。它突破了传统的书面和实地的展示方式，提供最真实和有效的虚拟住宅景观游览体验。在3D MAX制作的三维空间中，住宅区的景观细节和景观的不同角度都可以以更加生动的方式进行展示。而与此同时，趣味性的三维图片还能够极大地吸引使用者的兴趣。另外，使用者可以选择慢放模式从而帮助使用者在运动视角下对真实视角进行观察。

在传统住宅景观展示过程中，向客户进行的景观展示经常仅限于口头表达和人眼的生动观察。而当园区尚未建立时，由于受到多种限制，这种方式无法将住宅建筑景观的设计模型直接呈现给客户。而使用这一系统，实际住宅环境景观被输入系统，系统将自动进行信息模拟。然后根据输入的景观信息，系统会自动绘制并构建一个三维虚拟模型。在三维虚拟现实模型构建完成后，使用者就可以使客户端在虚拟场景中进行漫游并能够在不同的位置和不同的角度对模拟场景内的住宅景观进一步的观察。虚拟现实模型和原始的纸上单元型景观展示相比在交互模式上存在着本质的差异。

3 自然环境和人物模型的创建

使用3D MAX制作住宅景观模型可以分为场景模型制作、材料场景数字化处理、自然景观处理、交互引擎与虚拟人物模型等。系统使用相对简单的“钥匙盒”建模方法。6张图片分别根据展示需要放置到一个立方体的6个表面上，然后通过编队效应实现场景建模。为使虚拟场景更加自然和美观，同时产生更高的真实度，还需要在对场景建筑和背景景观建模之后进行进一步的自然景观渲染。在三维住宅景观的交互式漫游系统下，自然景观的构建和渲染占据着重要的地位。自然景观的设计并不起始于理论。自然景观与照明效果的渲染是随着虚拟人物的移动而即时进行的。在人物进行移动时，渲染即时开始，即时完成。随着人物的移动和视角变换的渲染，最终实现大范围的自然景观渲染。

构建一个建筑物、人物模型和自然景观模型是构建三维住宅景观交互系统的第一步。真实的住宅建筑和景观数据输入协调系统，系统将建立一个三维现场模型。然后将模型人物的物理参数数据输入系统中。系统将以相同的单位比例构建三维住宅景观模型和基本人物模型。在完成基本住宅景观模型和基本人物骨骼之后，进入第二个部分。第二个部分是加入完整的人物动作骨骼动画。人物模型骨骼动画的运动是虚拟现实景观浏览的核心部分。在加入骨骼运动的全部动作之后，人类骨架模型就可以进行移动。骨架系统的完整身体模型构建完成后，将重心设置在人物站姿的双腿中间位置。在输入的骨骼动作数据中，需要注意四肢和躯干部分的三维人体骨骼模型并使用不同的运动学计算方法。人物模型的腿部和足部必须使用逆运动学方程进行重新计算，从而实现三维人物模型的移动和技术性动作等。

4 运动目标追踪的相关性计算方法

在虚拟现实单元的漫游场景内，对人物轨迹进行追踪即是对运动物体相对于静态背景进行追踪。在原始区域跟踪的基础上，特征追踪与模型追踪等相关的最终方法都可以进行改善。具体的追踪算法的作用在于在序列图像中对移动目标的追踪进行区分，并对移动追踪目标(视角移动)的灰色质心坐标进行计算。然后对目标的最小外接矩形进行计算。在这个矩形中，可以找到两次诊断的中央焦点，从而确定追踪点。

与传统的移动目标追踪方法相比，本文所提出的改善后的移动目标检测方法在进一步特征点的进一步提取方面存在一定的困难。但该算法所体现的移动目标的形状、定义与对比等都比相关背景高。此外，这种算法还能够更好地改善使用者的体验，并能够重建虚拟现实住宅景观游览过程中视角移动的真实轨迹。移动中的人物模型和视角中心的特征点的提取都非常清晰。该系统还能够进行自动计算和三维模型简化，即便建筑模型或景观模型在视角移动过程中被遮蔽。

5 结果分析与讨论

5.1 关键功能测试

测试需要建立在以下原则的基础上。第一，测试的功能与内容应当涵盖使用者的一切操作与动作。具体的测试包括模型功能测试、使用者权限测试、数据库故障耐受性测试和模型碰撞测试等。第二，在测试过程中，测试人员不允许通过主观判断对软件模型的功能进行判断。第三，软件测试是软件开发过程的重要组成部分。在模型编码阶段，开发者可以进行独立的模块功能案例测试。通过这种方法，开发过程中的测试问题能够很快地进行定位和解决，而在测试过程中出现的问题则相对较难解决，例如，如何在网络监控点部署发生冲突的情况下进行日志数据的采集等。

模型的测试程序与硬件测试程序的不同的。模型测试是功能性测试，也就是观察网络是否已建立、网络保持与数据传输是否运作良好，并观察三维住宅景观漫游系统的交互设计是否达到了预期的测试结果。无论能否对观察者的观景轨迹进行正确的计算，所呈现的都是人物模型移动过程中最为重要的指标。在本文中，虚拟现实住宅景观交互漫游系统是在Windows系统下运行的。人物与景观浏览的图像处理是通过V++6.0 Vega软件对漫游和浏览过程中人物和视角的移动轨迹进行模拟的。

本文所设计的系统的核心功能是对系统所构建的住宅景观虚拟场景中的虚拟人物进行操作从而进行景观观察和交互式操作的功能。使用者可以使用该系统以自由视角对住宅场景进行观察并进行交互。使用者可以操作人物进入住宅建筑，从建筑内部对住宅景观进行观察。在功能测试过程中，使用者进入操作界面并根据系统默认设置位于住宅场景入口处。操作者在虚拟社区中移动，随机进入景观建筑并观察系统中的各种景观的显示是否正常。在移动的过程中，使用者持续移动视角观察系统的各核心功能是否运作正常。

5.2 系统效能的分析与测试

为对虚拟显示三维住宅景观交互式漫游系统的功能效能与功能进行体现，笔者采用两种不同的主机配置在效能测试中进行随机效能测试。具体的设置内容主要包括观察系统的功能性模组是否运作正常、不同分辨率下是系统效能是否会发生降级以及系统的兼容性是否符合要求等。

测试1：系统正常运行以观察系统的基本功能，如系统的响应速度以及系统显示的流畅性等。测试结果：系统在两个主机上均流畅运行。图像展示流畅，无卡顿现象。系统所有功能均运行正常。

测试2是对漫游人物的详细测试。人物在两个主机上进行随机移动。在观察角度移动的过程中，测试建筑物模型的虚拟场景和自然景观模型是否显示正常。在对分辨率进行更改的过程中，记录每5 s的图片帧数。测试结果：系统能够提供正常的人物漫游功能，并且场景中的所有场景模型都可以正常加载。

通过以上测试结果，我们发现系统中的虚拟现实单元模型在不同配置水平的测试主机上运行时能够正常加载。受主机配置水平的影响，在低分辨率条件下，图像帧数(FPS)较高。随着分辨率的提高，虚拟现实图像出现轻微的卡顿现象。此外，图像帧数显著下降。

从界面测试到功能性测试的一系列系统测试中，无不可接受的软件缺陷。当系统运行以及关闭活动时，保存记录的功能已经生效完成。在系统启动和关闭的过程中，无卡顿、崩溃、程序执行速度(缓慢)以及其他未预期现象。软件系统的优化水平与功能的实现均处于良好水平。当一个账户在两个应用客户端上登录时，系统将强制用户登录第一个客户端并在屏幕中央显示用户的账户已在其他客户端上被登陆。

对系统的效能进行了测试。通过初步的调查，我们发现系统的高峰期在每天的8～17点之间，并且在线人数峰值为500人。系统数据访问量在1万次左右。

6 结论

在本文中，本人设计了基于三维虚拟现实的三维场景交 互式漫游系统。现场建筑模型、人类移动模型和自然景观渲染模型均使用3DMAX动画软件进行构建。通过约束条件与脚本，我们将相关数据输入以完成模型展示不同部分的整合。测试后，系统能够准确地随着操作者的移动对住宅景观与自然景观进行渲染模拟。三维漫游功能也运行正常。该模型突破了对园区中的景观环境进行展示的传统方法以及传统的纸上景观地图与景观浏览现场展示模式等，能够提供更多的景观资源和浏览平台供使用者对景观区进行浏览。测试后，系统核心功能均运行正常。系统响应较快，各种模型的加载均正常。但在高分辨率条件下，对三维景观进行系统浏览时会出现一定程度的卡顿并且图片帧数会发生下降。后续还需要进一步对场景模型进行优化以加速高分辨率下自然景观模型的加载和渲染速度并提高使用者体验。